Fabrikasjon og karakterisering av uordnede Polymer optiske fibre for Tverrgående Anderson Lokalisering of Light

Summary

Vi utvikler og karakterisere en unormal polymer optisk fiber som bruker tverrgående Anderson lokalisering som en roman waveguiding mekanisme. Denne microstructured fiber kan transportere en liten lokaliserte bjelke med en radius som er sammenlignbar med bjelken radius av konvensjonelle optiske fibre.

Abstract

Vi utvikler og karakterisere en unormal polymer optisk fiber som bruker tverrgående Anderson lokalisering som en roman waveguiding mekanisme. Den utviklede polymer optiske fiberen er sammensatt av 80.000 tråder av poly (metylmetakrylat) (PMMA) og polystyren (PS), som er tilfeldig blandet og trukket inn i et firkantet tverrsnitt optisk fiber med en side bredde på 250 ym. I utgangspunktet er hver tråd 200 pm i diameter og 8 cm lang. Under blandeprosessen av de opprinnelige fibertråder, fibrene krysser hverandre, men garanterer en stor trekning forhold at brytningsindeksen er invariant profil langs lengden av fiberen i flere titalls centimeter. Den store brytningsindeks forskjell på 0,1 mellom de uordnede områder resulterer i en liten lokaliserte bjelke radius som er sammenlignbar med bjelken radius av konvensjonelle optiske fibre. Inngangen lys startes fra en standard single mode optisk fiber ved hjelp av butt-kopling metoden og near-feltet utgang strålen fra den uordnede fiber er avbildes med en 40X objektiv og en CCD-kamera. Utgangen strålediameter stemmer godt overens med de forventede resultatene fra de numeriske simuleringer. Den uordnede optisk fiber presentert i dette arbeidet er den første enheten-nivå implementering av 2D Anderson lokalisering, og kan potensielt brukes til image transport og kort hale optiske kommunikasjonssystemer.

Introduction

I en teoretisk arbeid ved PW Anderson ^1, ble det vist at i nærvær av uorden i en kvante elektronisk system, diffusjonsprosess stopper og lokaliserte elektroniske tilstander utvikle seg. Anderson lokalisering er en bølge fenomen som også kan forekomme for klassiske bølger som lys. Siden den teoretiske prediksjon av Anderson lokalisering i optikk ^2,3, har det vært mange forsøk på å realisere dette fenomenet eksperimentelt med elektromagnetiske bølger ^4,5. Imidlertid har det vært svært vanskelig å oppnå en sterk lokalisering fordi de optiske spredende tverrsnitt er ofte for liten, på grunn av den lave brytningsindeks motsetning til de fleste optiske materialer. I 1989 viste De Raedt et al. ^6. at det er mulig å observere Anderson lokalisering i en kvasi-todimensjonal uordnede optisk system med lav brytningsindeks kontraster. De viste at hvis den lidelse er begrenset til det tverrgående plan av en propagating bølge i et langsgående invariant medium, kan strålen forbli begrenset til et lite område i tverretningen på grunn av sterk tverrgående spredning. Tverrgående Anderson lokalisering ble først observert i to-dimensjonale waveguides som ble opprettet ved hjelp av interferensmønstre i en foto-refraktiv krystall ^7. Smeltet silisiumdioksyd er det annet medium som har vært brukt for observasjon av tverrgående Anderson lokalisering ^8,9, hvor uordnede bølgeledere er skrevet ved hjelp av femtosecond pulser langs prøven. Brytningsindeksen forskjell av uordnede områder i de ovenfor nevnte systemer er av størrelsesorden 10 ^-4, slik lokalisering radius er ganske stor. I tillegg har de typiske bølgeledere er vanligvis ikke mer enn noen centimeter, og derfor kan de ikke være praktisk for ledet bølge-anvendelser. Vi påpeker at observasjon av tverrgående Anderson lokalisering i en en-dimensjonal uordnede waveguide ble rapportert tidligere i Ref ^10.

Den optiske fiber utviklet her har flere fordeler i forhold til de tidligere erkjennelser av tverrgående Anderson lokalisering for guidet-bølge applikasjoner ^11,12. Først den store brytnings-forskjell på 0,1 mellom lidelse områder av fibrene resulterer i en liten lokaliserte bjelke sammenlignes med bjelkens radius av vanlige optiske fibre. Sekund kan polymeren uordnede optisk fiber gjøres mye lengre enn de uordnede bølgeledere skrevet utad inn i photorefractive krystaller eller smeltet silika. Vi var i stand til å observere tverrgående Anderson lokalisering i et 60 cm langt fiberen ^11. Tredje er polymer uordnede optisk fiber fleksibel, noe som gjør det praktisk for virkelige verden enhet-nivå applikasjoner som er avhengige av transport av lysbølger i fibrene ^13.

For å fremstille den uordnede optisk fiber, var 40.000 tråder av PMMA og 40,000 tråder av PS tilfeldig blandet, hvor hver strog var 8 inches lange og 250 pm i diameter. De tilfeldig blandede tråder ble satt sammen til en firkantet tverrsnitt preform med en side-bredde på omtrent 2,5 inches. Preformen ble så trukket til en firkantet optisk fiber med en side bredde på ca 250 um (figur 1). For å tilfeldig blander den originale fibertråder, sprer vi et lag av PMMA-fibertråder på et stort bord, lagt et lag av PS fibertråder, og deretter tilfeldig blandet dem sammen. Denne prosedyren ble gjentatt flere ganger inntil en god tilfeldig blanding ble erholdt.

Vi brukte et scanning elektronmikroskop (SEM) for å avbilde brytningsindeks profil av den uordnede polymer optisk fiber. Regelmessige spaltingsprober teknikker som ved hjelp av en skarp oppvarmet blad kan ikke anvendes for fremstilling av de fiber-prøver for SEM avbildning av fiberenden til å kartlegge dens brytningsindeks-profil, fordi skivens skader morfologi av fiberenden. Polering fiberen har en lignende negativ innvirkning på the kvaliteten på fiberenden. For å forberede høy kvalitet prøver for SEM bildebehandling, nedsenket vi hver fiber i flytende nitrogen i flere minutter og deretter brøt fiber, hvis gjort på nok fiber prøver, denne metoden gir noen gode fiber biter (ca 15% suksess rate) med meget høy kvalitet og jevne endeflater for SEM avbildning. Vi så brukt en 70% etyl-alkohol-løsning ved 60 ° C i omtrent 3 minutter for å oppløse PMMA-områder på fiberenden; lengre eksponering kan nedbryte hele fiberende. Vi så belagt prøvene med Au / Pd og plassert dem i SEM kammeret. Den zoomet inn SEM bildet av den uordnede polymer optisk fiber er vist i figur 2.. De lysegrå nettsteder er PS og de mørke områdene er PMMA. Den totale bredden av bildet er 24 mikrometer hvor de minste funksjoner størrelser i dette bilde er ~ 0,9 mikrometer, som tilsvarer den enkelte området størrelser av fibertråder, etter kjøpet prosessen.

For å characterize waveguide egenskapene til den uordnede optisk fiber, benyttet vi en He-Ne-laser ved 633 nm bølgelengde. Den He-Ne-laser er koblet til en enkelt-modus optisk fiber med SMF630hp en modus felt diameter på omtrent 4 mikrometer, som deretter butt-koplet til den uordnede polymer optisk fiber ved hjelp av et høypresisjons motoriserte trinn. Utgangen blir deretter fotografert på en CCD-kamera bjelke profiler ved hjelp av en 40X objektiv.

I det første settet med eksperimenter, valgte vi 20 forskjellige uordnede fiber prøver, hver 5 cm lange, den 5-cm lengde ble valgt for å matche forplantning lengde i våre numeriske simuleringer. De numeriske simuleringer av uordnede fiber er vanligvis svært tidkrevende, selv på en høyytelses databehandling cluster med 1100 elementer. Den fulle tverrgående Anderson lokalisering for bølgelengden 633 nm skjer bare etter ca 2,5 cm av forplantning ^11,12, og derfor bestemte vi oss for at 5-cm lengde er tilstrekkelig for vårt formål. På grunn av stochastic natur av Anderson lokalisering, måtte vi gjenta både de eksperimenter og simuleringene for realisasjoner 100, for å samle statistikk tilstrekkelig å sammenligne den eksperimentelle og numeriske verdier for den gjennomsnittlige strålediameter. I praksis er 100 ulike målinger oppnås ved å ta fem romlig atskilte målinger på hver av de 20 forskjellige uordnede fiber prøver.

Det er ganske vanskelig å fremstille uordnede polymere optiske fibre for målinger, sammenlignet med glass optiske fibre. For eksempel kan man ikke bruke den avanserte spalte og polering verktøy og teknikker som er godt utviklet for standard silica-baserte fiber. En raffinert prosedyre for å spalte og polering polymer optiske fibre har blitt rapportert av Abdi et al ^14;. Vi brukte sine metoder med noen mindre modifikasjoner for å forberede våre fiber prøver. For å spalte en polymer uordnede optisk fiber, er en bueformet X-Acto blad oppvarmet til 65 °, C, og den fiber-til 37 ° C. Tuppen av fiberen er innrettet på en skjæreflate, slik at en ren, vinkelrett kutt kan foretas. Skiven plasseres på siden av fiberen, og raskt rulles over. Hele spalte prosessen bør gjøres så fort som mulig for å sikre at temperaturene på bladet og fiber ikke endres vesentlig. Etter å kløyve fiber og inspisere den under et optisk mikroskop, er fiber slutten polert ved hjelp av standard fiber lapping ark (0,3 mikrometer Thorlabs LFG03P aluminiumoksid Polering Paper) for å sikre at eventuelle mindre feil er fjernet. Å polere fiber enden, blir det holdt i en pinsett med pinsett holder fiber ca 1,5 mm fra enden ansiktet blir polert. Fiberen trekkes over papiret i en tomme lang figur-8-formede baner, omtrent åtte ganger. Polering av fiber resulterer i jevnere kanter som inspisert under optisk mikroskop. Dessuten letter polering riktig kopling til en localized sted i fiberen, noe som i sin tur reduserer dempning både i koplingen og også i den innledende forplantning avstand før den lokaliserte flekk dannes.

Vi brukte en CCD-kamera bjelke profiler til bilde utgangsstrålen intensitet. Nær-feltet intensitet profil ble tatt med en 40X objektiv. For å finne grensene for fiberen, mettet vi CCD ved å øke strømmen av det innkommende lys fra SMF630hp fiber. Etter å detektere intensiteten profil av den lokaliserte strålen i forhold til grensene, setter vi CCD bjelke profiler til auto-eksponering alternativ. Vi brukte bildet av intensiteten profil for å beregne den effektive stråle radius. For å fjerne virkningen av den omgivende støy, kalibrert vi vår bildebehandling fremgangsmåte for å sikre at vi får den forventede strålediameter av SMF630hp fiber. Den gjennomsnittlige målte verdi av strålens radius og dens variasjoner rundt den gjennomsnittlige verdi stemmer godt overens med den Numerisk simuleringer, som vist i Ref. ^11.. Utgangsstrålen profilen i polymerfiber følger det klart en endring i posisjonen av hendelsen bjelke som vist i dommere. ^11,12,13.

En omfattende studie av virkningen av design parametere som lidelse nettstedet størrelser og hendelsen bølgelengde på strålen radius på lokal strålen ble presentert i dommere. ^12,15.

Protocol

En. Fabrikere en Disordered Polymer Optical Fiber

1. Spre omtrent 200 av PMMA-tråder på et bord og spre det samme antall tråder PS på toppen av PMMA. Bland og pakke trådene. Gjenta denne prosedyren inntil 40.000 tråder av PMMA er tilfeldig blandet med 40.000 tråder av PS.
2. Monter tilfeldig blandede tråder inn i et kvadrat preform med en side bredde på ca 2,5 inches.
3. Tegn preform inn i en optisk fiber med en diameter på 250 ym. Emnet trekkes ved Paradigm Optics Incorporated bruker deres standard prosedyre ^16.

2. Imaging brytningsindeks Profil av en Disordered Fiber

1. Bruk en SEM for eksempel ABT Topcon å bilde brytningsindeks profil av det resulterende optiske fiber.
2. Senk polymer fiber prøver i flytende nitrogen i ca 10 min og deretter bryte i halvparten.
3. Senk de ødelagte spissene av prøvene i etylalkohol. KeEP temperaturen av løsningen ved ca 65 ° C. La prøvene i løsningen i omtrent 3 minutter, inntil etylalkoholen oppløser PMMA-områdene i fiberen.
4. Frakk hver prøve med en 10-nm tykt lag av Au / Pd og plasser prøven i kammeret av SEM.

3. Forberede Fiber Prøver for optisk karakterisering

1. Forbered 5 cm lange fiber prøver.
2. Varm en buet blad til 65 ° C, og den fiber-til 37 ° C. Ved hjelp av de riktige temperaturer hindrer deformasjon av fiberen spissen som kan oppstå i den spalte-prosessen.
3. Juster spissen av fiberen på en skjæreflate, slik at en ren, vinkelrett kutt kan foretas. Plasser klingen på siden av fiberen, og deretter raskt rulle på tvers.
4. Inspisere fiber spissen ved hjelp av et optisk mikroskop for å sørge for at fiberen blir spaltet spissen vinkelrett på fiber sider. Hold barberblad i en rett vinkel i spalte prosessen mot tipp av the spissen.
5. Bruk en polering papir som Thorlabs LFG03P aluminiumoksid Polering Paper (0,3 mikrometer) å polere fiber prøvene. Å polere fiber enden, hold den i en pinsett, med pinsett gripende fiber ca 1,5 mm bort fra ansiktet blir polert. Tegn fiberen over papiret i en tomme lang figur-8-formede baner, omtrent åtte ganger. Figur-8-formede baner sikre at hele spissen er polert.

4. Måling av Beam profil av Formeres Beam i Fiber Samples

1. Par den He-Ne-laser i en SMF630hp fiber ved hjelp av et 20X objektiv og to flate speil. Plasser de flate speil på etapper med to frihetsgrader. Plasser målet på en scene med tre frihetsgrader. Utgangspunktet holde SMF fiber en avstand på 8 mm fra den objektive spiss. Ved hjelp av bryterne på speilet holdere og den objektive holder, belyse laserlys til spissen av fiberen. Koble den andre siden av SMF til en strømmåler. Par makt inn i SMF bruke knottene på speilet holdere samt tverrgående knottene på objektiv holderen. Effektiviteten av koblingen kan økes betydelig ved å bruke den langsgående posisjonering knotten på objektiv holderen. En kombinert strøm av en mW er nok for målingene.
2. Par den SMF630hp fiber til polymer optisk fiber ved hjelp Thorlabs MAX343 motorisert scenen. Den motoriserte trinn kan beveges i de tre kartesiske retninger. Ved hjelp av de tverrgående frihetsgradene, SMF fiber par til midten av polymerfiber spissen. Ved hjelp av den langsgående forskyvning av scenen, plasserer SMF fiber så tett som mulig til den polymerfiber. En mindre luftgap mellom SMF og polymerfiber reduserer utvidelse av strålen. Plasser hele oppsettet på en andre motorisert fase som beveger seg i langsgående retning. Det andre motoriserte fasen blir brukt til avbildning som vil bli beskrevet i 4.4.
3. Ved hjelp av en optisk microscope og et rettvinklet speil, overvåke posisjonen til SMF og polymerfiber for å være sikker på at SMF er koplet i sentrum av polymer-fiber, og at luft-gapet mellom de to fibrene er så liten som mulig. En liten skråstilling i polymerfiber spissen eller deformasjoner i polymerfiber spissen på grunn til å spalte eller polering prosesser kan begrense den minste luft-gap mellom SMF og polymerfiber. Et lite gap mellom fibrene er nødvendig fordi den SMF fiberen bør være i stand til å bevege seg på spissen av den polymerfiber. Plasser SMF ved midten av polymerfiber utelukkende for å gjøre koblings-prosess enklere. Under eksperimentet tverretningen feie Hendelsen strålen som kommer ut av SMF over spissen av polymer-fiber for å observere lokalisering i forskjellige regioner av polymerfiber.
4. Bruk et CCD-kamera bjelke profiler for å måle utgangen av fiberen ved hjelp av et 40X objektiv. Først mettes CCD-kamera for å overvåke grensene av polymerfiber.Ved hjelp av bryterne på målet holderen, må du sørge for at polymer fiber grenser kan observeres på CCD.
5. Bruk en motorisert stadium som beveger seg hele oppsettet (beskrevet i 4.2) lengderetningen, sørg for at bildet på CCD er fokusert ved å flytte oppsett bort fra eller mot 40X objektiv mens CCD og målsetting er løst. Som en beregning for å fokusere, bør en avbildes profil på CCD har minstemål i fokus. En fokusert bilde av strålen bør ikke være visuelt vikling.
6. Flytt hendelsen strålen på inngangen tips og måle effekten intensitet på lysstrålen for ulike hendelser bjelke posisjoner. Samle inn data for fem ulike plasseringer av hendelsen strålen. Utføre målingene for 20 fiber prøver og samle totalt 100 ulike målinger.

Representative Results

Den SEM bildet av den polerte fiber er vist i figur 1.. Den SEM bildet i Figur 1 viser at, for de fleste regioner i fiber spissen, er den polske god kvalitet. SEM bilde av fiber prøver med sine ender oppløst i etylalkohol løsning, figur 2, viser PMMA områder i mørke og PS steder i gråfarger. Den SEM bildet i figur 2 zoomes inn på en 24 mikrometer bredde av fiberen. For SEM avbildning, blir fiberprøve belagt med en 10 nm tykt lag av Au / Pd.

Den måleoppsettet anvendt i dette forsøk er vist i figur 3.. Utgangen stråleintensitet målt ved CCD bjelke profiler i en prøve av 5 cm lengde er vist i figur 4.. Intensiteten profil viser at strålen er lokalisert i tverretningen av den uordnede fibre. For å image intensiteten profil, ambient støy korreksjon alternativet i CCD c Amera bør være på. Imidlertid kan dette alternativet ikke være helt effektiv. For å beregne det totale støynivå i intensiteten profil bilde, har vi også avbildes intensiteten profilen av SMF630hp fiber og modusen felt diameteren ble beregnet. For en valgt støynivå, er det eksperimentelle måling av modus feltet diameter matchet med de rapporterte produsentens data. Den samme verdien for støynivå må brukes for tolkning av figur 4. Ett hundre forskjellige intensitet profiler av de lokaliserte bjelkene måles ved å bevege inndata SMF630hp fiber i transversal stillinger i sammenkoplingen med polymerfiber for 20 forskjellige prøver Ett hundre målinger av Bjelkeprofilene beregnes for å vise den tverrgående Anderson lokalisering i en uordnet optisk fiber som presenteres i Ref ^11.

ighres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50679/50679fig1.jpg "/>
Figur 1. Polert Fiber Face. SEM bilde av polert fiber spissen. Kvaliteten av poleringsmiddel er bra for de fleste regioner i fiber spissen.

Figur 2. Brytningsindeks profil. Brytningsindeksen profil av uordnede polymer fiber. PMMA nettsteder er i mørkere farge og PS nettsteder er lys grå. Bredden av bildet er 24 mikrometer.

Figur 3. Eksperimentell Setup. Den eksperimentelle oppsett for målinger. CCD-kamera (A) og objektiv (C) er montert på toppen av hverandre. En rettvinklet speil (D) gjør det mulig for visning av fiberen (E) fra flere vinkler for å sikre riktig kobling.

Figur 4. Intensitet profil. Intensitet profil av spredte strålen etter 5 cm av forplantning. Bredden av bildet er 250 mikrometer.

Discussion

I fiberen trekning prosessen, ikke brytningsindeks profil ikke forblir konstant i mer enn en meter, både på grunn av de tvers-overs av den opprinnelige fibertråder, og også på grunn av variasjoner i fiberdiameteren i trekningen prosessen. Vi regner med at en mer stabil trekning prosessen vil bidra til å fremstille en optisk fiber som er invariant over lengre fiberlengder sammenlignet med den som er rapportert her.

Ved utarbeidelse en prøve for SEM avbildning av fiber spissen, må vi sikre at utvalget er fortsatt på 70% e metyl alkohol løsning for en lang nok tid (~ 3 min) og holder seg på riktig temperatur (65 ° C) . Dersom prøven forblir i e metyl alkoholoppløsning mye lengre enn den som kreves for å 3 min etse bort det øverste laget av PMMA, kan fiber spissen i oppløsning.

I butt-kopling SMF630hp fiber til polymer fiber, er det viktig at hendelsen fiber er så nært som mulig til polymer fiber for å unngå betydelig diffraktive utvidelse av strålen før den når den uordnede fibre. Vi må også bruke en indeks-matching væske for å redusere spredning av lys på koblingen.

Det bør nevnes at flytting hendelsen feltet tvers over endeflaten av uordnede fiberen endrer posisjonen til det lokaliserte strålen på utgangen. I forskjellige regioner av polymerfiber, observerer vi variasjoner i det lokaliserte strålen radius, som forventet fra den statistiske naturen av Anderson lokalisering. Noe av denne variasjonen kan også tilskrives kvaliteten på polsk av fiber slutten. Som SEM bildet av den polerte fiber viser, er kvaliteten av den polske ikke den samme i alle regioner av fiberenden. På grunn av denne begrensningen, brukte vi den minste lokaliserte sted som vi kunne finne på tvers av fiber slutten for hvert forsøk, og deretter gjennomført de resterende målingene i nabolaget av de beste lokaliserte stedet.

ontent "> Fjerne støy fra omgivelsene er avgjørende for beregning av strålen radius på lokal bjelken. Hvis ikke fjernes, kan støy fra omgivelsene resultere i en feil i beregningen av strålen radius av CCD-bjelke Profiler bilder. Vi kalibrert vår analyse for å sikre at vi får den riktige verdi av strålens diameter på omtrent 4 mikrometer for SMF630hp fiber ved 633 nm bølgelengde.

Numerisk modellering av lys lokalisering i polymer uordnede fibrene i Ref ^11,12 for lossless materiale viser at bølgen kan helt være begrenset i de tverrgående retninger av fiber uten demping i kraft. På den annen side er materialet absorpsjon i våre fibrene betydelig og fiberen dempning er på nivå med 0,5 til 1,0 dB / cm. Vi forventer tap å bli vesentlig lavere i silisiumoksydbaserte uordnede fibre.

I fremtiden forventer vi bedre tap egenskapene til uordnede fibrene ved å forbedre fabrikasjon procedure (f.eks en mer stabil uavgjort prosess), og også bruke lavere tap komponenter. Den ideelle uordnede optisk fiber vil være sammensatt av glass med tilfeldige luft-hull ved 50% forhold. Som vi har vist i Ref. ^12, forventer vi at den største forskjellen i brytningsindekser av to materialer resulterer i reduserte varianter av lokaliserte strålen radius. Vi har nylig presenterte våre første resultatene i glass optisk fiber med uordnede air-hulls steder i Ref. ¹⁷ og forutse fremtidige fremgang i glass-baserte uordnede fibre.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
poly (methyl methacrylate) (PMMA)
polystyrene (PS)
70% ethyl alcohol solution at 65 °C