Fabricação e caracterização de polímeros desordenados fibras ópticas para Transverse Anderson localização da Luz

Summary

Nós desenvolver e caracterizar uma fibra ótica de polímero desordenado que usa transversal localização Anderson como um novo mecanismo guia de onda. Esta fibra microestruturada pode transportar uma viga pequena localizada com um raio que é comparável com o raio do feixe de fibras ópticas convencionais.

Abstract

Nós desenvolver e caracterizar uma fibra ótica de polímero desordenado que usa transversal localização Anderson como um novo mecanismo guia de onda. A fibra óptica de polímero desenvolvido é composto de 80.000 filamentos de poli (metacrilato de metilo) (PMMA) e poliestireno (PS), que são misturadas aleatoriamente e desenhada dentro de uma secção transversal da fibra óptica quadrado com uma largura de 250 um de lado. Inicialmente, cada fio é de 200 m de diâmetro e 8 cm de comprimento. Durante o processo de mistura dos cordões de fibra originais, as fibras atravessam uns sobre os outros, no entanto, uma grande proporção de estiramento, que garante o perfil do índice de refracção é invariável ao longo do comprimento da fibra para várias dezenas de centímetros. A grande diferença de índice de refracção de 0,1 entre os sítios desordenados resulta num feixe de raio pequeno localizada que é comparável com o raio do feixe de fibras ópticas convencionais. A luz de entrada é lançado a partir de uma fibra óptica monomodo padrão usando o método butt-acoplamento ea near-campo do feixe de fibras de saída é desordenado fotografada usando uma objectiva de 40x e uma câmara CCD. O diâmetro do feixe de saída está de acordo com os resultados esperados a partir das simulações numéricas. A fibra óptica desordenada apresentada neste trabalho é a primeira implementação no nível do dispositivo de 2D Anderson localização e, potencialmente, pode ser usado para sistemas de comunicação óptica de curta distância de transporte e imagem.

Introduction

Em um trabalho teórico por PW Anderson ^1, demonstrou-se que, na presença de um distúrbio no sistema electrónico de quantum, pára o processo de difusão e estados electrónicos localizada desenvolver. Localização de Anderson é um fenómeno de onda que também pode ocorrer por ondas clássicas tais como a luz. Uma vez que a previsão teórica de localização de Anderson em óptica ^2,3, tem havido muitos esforços para realizar esse fenômeno experimentalmente com ondas eletromagnéticas ^4,5. No entanto, tem sido muito difícil de alcançar um forte localização porque as secções transversais de espalhamento ópticos são muitas vezes demasiado pequena, devido ao baixo índice de refracção contrário da maioria dos materiais ópticos. Em 1989, De Raedt et ai. ⁶ mostraram que é possível observar a localização Anderson em um sistema óptico desordenada quase bidimensional com baixo índice de refracção contrastes. Eles mostraram que a desordem se está confinada ao plano transversal de uma escoraagating onda num meio longitudinalmente invariável, o feixe pode ficar confinada a uma pequena região na direcção transversal, devido a uma forte dispersão transversal. Transverse Anderson localização foi observada pela primeira vez em guias de onda bidimensionais que foram criadas usando os padrões de interferência em um cristal foto-refrativo ^7. Sílica fundida é outro meio que foi utilizado para a observação da localização transversal Anderson ^8,9, guias de onda, onde desordenadas são escritos usando pulsos femtosecond ao longo da amostra. A diferença de índice de refracção de sítios desordenados nos sistemas acima mencionados são da ordem de 10 ^-4, de modo que o raio de localização é muito grande. Além disso, os guias de ondas típicas não são geralmente mais do que alguns centímetros e, portanto, eles podem não ser práticas para aplicações de onda guiada. Ressalta-se que a observação de transversal Anderson localização em um guia de ondas desordenado unidimensional foi relatado anteriormente no Ref ^10.

A fibra óptica desenvolvida aqui tem várias vantagens em relação às realizações anteriores de localização transversal Anderson para aplicações de onda guiada ^11,12. Em primeiro lugar, a grande diferença de refracção de 0,1 entre os sítios desordem dos resultados de fibra em um pequeno feixe localizada comparável com o raio do feixe de fibras ópticas regulares. Em segundo lugar, o polímero desordenada da fibra óptica pode ser feito muito mais tempo do que os guias de ondas desordenadas escritas externamente em cristais fotorrefrativos ou sílica fundida. Pudemos observar transversal localização de Anderson em uma de 60 cm de comprimento de fibra ^11. Em terceiro lugar, o polímero desordenado de fibra óptica é flexível, tornando-o prático para aplicações em nível de dispositivo do mundo real que dependem do transporte de ondas de luz em fibras ^13.

Para a fabricação da fibra óptica desordenada, 40.000 fios de PMMA e 40.000 fios de PS foram aleatoriamente mista, onde cada stre era de 8 polegadas de comprimento e 250 um de diâmetro. Os cordões misturados aleatoriamente, foram reunidos em um pré-molde de secção quadrada com um lado de largura de cerca de 2,5 polegadas. A pré-forma foi então desenhada para uma fibra óptica de quadrado com uma largura lateral de cerca de 250 mM (Figura 1). A fim de misturar aleatoriamente os cordões de fibra originais, que se espalhar uma camada de fios de fibra de PMMA sobre uma grande mesa, adicionou-se uma camada de fios de fibra de PS, e em seguida misturou-aleatoriamente em conjunto. O procedimento foi repetido muitas vezes até uma boa mistura aleatória foi obtida.

Foi utilizado um microscópio eletrônico de varredura (MEV) para a imagem do perfil de índice de refração da fibra óptica polímero desordenado. Técnicas de clivagem regulares, tais como a utilização de uma lâmina afiada aquecida não pode ser utilizado para preparar as amostras de fibras para a imagem SEM da extremidade da fibra para traçar o seu perfil de índice de refracção, a lâmina de dano, porque a morfologia da extremidade da fibra. Polir a fibra tem um impacto prejudicial sobre semelhante the qualidade da extremidade da fibra. A fim de preparar amostras de alta qualidade para a imagem de SEM, que cada fibra submerso em nitrogênio líquido por alguns minutos e, em seguida, quebrou a fibra, se feitos em amostras de fibras suficientes, este método resulta em algumas boas peças de fibra (em torno de 15% de sucesso rate) com alta qualidade e suave superfícies finais para a imagem SEM. Utilizou-se uma solução a 70% de álcool etílico a 60 ° C durante cerca de 3 minutos para dissolver os sítios de PMMA na extremidade da fibra, maior tempo de exposição pode desintegrar-se toda a extremidade da fibra. Em seguida, as amostras revestidas com Au / Pd e os colocou na câmara de SEM. O zumbido em imagem SEM da fibra óptica polímero desordenada é mostrado na Figura 2. Os sites de cinza claro são PS e os locais escuros são PMMA. A largura total da imagem é de 24 mM, onde os tamanhos menores características nesta imagem são ~ 0,9 mM, correspondentes aos tamanhos de locais individuais dos cordões de fibra, após o processo de sorteio.

A fim de characterize as propriedades de guia de onda da fibra óptica desordenado, utilizou-se um laser de He-Ne 633 nm no comprimento de onda. O laser He-Ne é acoplado a um único modo SMF630hp fibra óptica com um diâmetro de cerca de 4 um, o qual é então acoplado a extremidade-a fibra óptica polímero desordenada usando uma fase de alta precisão motorizado campo de modo. A saída é, então, trabalhada em uma câmera CCD profiler feixe usando uma objetiva de 40X.

No primeiro conjunto de experiências, nós escolhemos 20 amostras diferentes de fibra desordenados, cada 5 cm de comprimento, o comprimento de 5 cm foi escolhido para coincidir com o comprimento de propagação nos simulações numéricas. As simulações numéricas da fibra desordenada são geralmente muito demorado, mesmo em um cluster de computação de alto desempenho com 1100 elementos. O pleno localização Anderson transversal para o comprimento de onda de 633 nm só acontece depois de cerca de 2,5 cm de propagação ^11,12, por isso, decidimos que o comprimento de 5 cm é suficiente para os nossos propósitos. Devido à stocnatureza hastic da localização Anderson, precisamos repetir ambos os experimentos e as simulações para 100 realizações, a fim de recolher estatísticas suficientes para comparar os valores experimentais e numéricos do diâmetro do feixe. Na prática, 100 medições diferentes são obtidos tomando cinco medições separadas espacialmente em cada uma das 20 amostras diferentes de fibras desordenadas.

É relativamente difícil preparar as fibras ópticas para medições de polímero desordenados, em comparação com fibras ópticas de vidro. Por exemplo, não se pode utilizar a clivagem avançados e ferramentas de polimento e técnicas que são bem desenvolvidas para a fibra à base de sílica padrão. Um procedimento aperfeiçoado para clivar e polimento fibras ópticas poliméricas tem sido relatada por Abdi et ^{al, 14,.} Usamos os seus métodos com algumas modificações menores para preparar os nossos amostras de fibras. A fim de clivar um polímero desordenada de fibra óptica, uma curva de X-Acto lâmina é aquecida a 65 °: C, e a fibra a 37 ° C. A ponta da fibra é alinhada com uma superfície de corte de modo a que, de um corte perpendicular limpa pode ser feita. A lâmina é colocada no lado da fibra, e rapidamente enrolado transversalmente. Todo o processo de clivagem deve ser feito tão rápido quanto possível para assegurar que as temperaturas da lâmina e de fibras não mudam consideravelmente. Após a clivagem da fibra e inspeccionar lo sob um microscópio óptico, a extremidade da fibra é polida utilizando folhas que dobram fibra standard (0,3 mM Thorlabs LFG03P de óxido de alumínio de papel de lustro) para assegurar que quaisquer imperfeições menores são removidos. Para polir a extremidade da fibra, que é realizada com um par de pinças com uma pinça, segurando a fibra de aproximadamente 1,5 mm da face de extremidade ser polido. A fibra é desenhada sobre o papel no longa-inch figura-8 em forma de caminhos, aproximadamente oito vezes. Polir os resultados de fibra em bordas mais suaves como inspecionados sob o microscópio óptico. Além disso, facilita o acoplamento de polimento adequado a um locazado no local da fibra, que por sua vez reduz a atenuação tanto no acoplamento e também à distância inicial antes do ponto de propagação localizada é formada.

Usamos uma câmera CCD feixe profiler para a imagem da intensidade do feixe de saída. O perfil de intensidade de campo próximo foi capturado usando uma objetiva de 40X. A fim de encontrar os limites da fibra, que o CCD saturado, aumentando a potência da luz recebida a partir da fibra SMF630hp. Após detectar o perfil de intensidade do feixe localizada com respeito às fronteiras, definimos o CCD viga de perfil para a opção de auto-exposição. Utilizou-se a imagem do perfil de intensidade para o cálculo do raio do feixe eficaz. A fim de eliminar o efeito do ruído ambiente, que calibrado nosso procedimento de processamento de imagem para garantir que obtemos o diâmetro esperado do feixe de fibras SMF630hp. O valor médio medido do raio do feixe e suas variações ao redor do valor médio estão bem de acordo com o numesimulações Rical, como mostrado na Ref. ^11. O perfil do feixe de saída, em fibra de polímero resulta claramente uma mudança na posição do feixe incidente, como mostrado na Refs. ^11,12,13.

Um estudo detalhado do impacto dos parâmetros de projeto, tais como o tamanho do site transtorno eo comprimento de onda incidente sobre o raio do feixe do feixe localizada foi apresentado em Refs. ^12,15.

Protocol

1. Fabricação de um desordenado Polymer Optical Fiber

1. Espalhe cerca de 200 das fitas de PMMA sobre uma mesa e espalhar o mesmo número de fios de PS no topo do PMMA. Misturar e embalar os fios. Repita este procedimento até 40 mil fios de PMMA são misturados de forma aleatória com 40.000 fios de PS.
2. Montar os fios misturados de forma aleatória para um pré-molde quadrado com uma largura lateral de cerca de 2,5 polegadas.
3. Desenhar a pré-forma de uma fibra óptica, com um diâmetro de 250 um. A pré-forma é desenhada em Paradigm Optics Incorporated usando seu procedimento padrão ^16.

2. Imagem do Índice de Perfil de refração da fibra desordenado

1. Use uma SEM como Topcon ABT a imagem do perfil de índice de refração da fibra óptica resultante.
2. Mergulhe as amostras de polímero de fibra óptica em nitrogênio líquido por cerca de 10 min e, em seguida, quebrar ao meio.
3. Mergulhe as pontas quebradas das amostras em álcool etílico. KePE a temperatura da solução a cerca de 65 ° C. Deixar as amostras na solução durante cerca de 3 minutos, até que o álcool etílico dissolve os locais em PMMA da fibra.
4. Revestimento com uma camada de 10 nm de espessura de Au / Pd e colocar a amostra na câmara do SEM cada amostra.

3. Preparar as amostras de fibra óptica para Caracterização

1. Prepare 5 centímetros amostras de fibras longas.
2. Aquecer uma lâmina curva para 65 ° C, e a fibra a 37 ° C. Usando as temperaturas adequadas impede a deformação da ponta da fibra, que pode ocorrer no processo de clivagem.
3. Alinhar a ponta da fibra sobre uma superfície de corte, de modo que um ambiente limpo, corte perpendicular pode ser feita. Colocar a lâmina do lado da fibra, e, em seguida, rapidamente rolar transversalmente.
4. Inspecione a ponta da fibra usando um microscópio óptico para certificar-se da ponta da fibra é clivada perpendicular para os lados da fibra. Mantenha a lâmina de barbear em um ângulo direito no processo de clivagem para evitar a inclinação do the ponta.
5. Use um papel de polimento, como Thorlabs LFG03P Aluminum Paper Polishing Oxide (0,3 mm) para polir as amostras de fibra. Para polir a extremidade da fibra, mantê-lo em um par de pinças, com uma pinça segurando a fibra de cerca de 1,5 mm de distância do rosto ser polido. Desenhe a fibra sobre o papel no longa-inch figura-8 em forma de caminhos, aproximadamente oito vezes. Caminhos Figura-8 em forma de garantir que toda a dica é polido.

4. Medir o Boca Perfil do Feixe propagadas nas amostras de fibras

1. Casal do laser He-Ne em uma fibra SMF630hp usando uma objetiva de 20X e dois espelhos planos. Coloque os espelhos planos em etapas, com dois graus de liberdade. Coloque o objetivo em um palco com três graus de liberdade. Inicialmente manter a fibra SMF uma distância de 8 mm da ponta da objectiva. Utilizando os botões nos suportes de espelho e o detentor objectivo, iluminar a luz laser para a ponta da fibra. Ligue o outro lado do SMF para um medidor de energia. Pares de energia para o SMF usando os botões nos suportes de espelho, bem como os botões transversais no suporte objectivo. A eficiência de acoplamento pode ser significativamente aumentada pelo uso o botão de posicionamento longitudinal sobre o detentor objectivo. A potência acoplado de 1 mW é suficiente para as medições.
2. Casal da fibra SMF630hp à fibra óptica polímero usando Thorlabs MAX343 palco motorizado. A fase motorizada pode ser movido em três direcções cartesianas. Utilizando os graus de liberdades transversais, o par de fibras SMF para o centro da ponta de fibra de polímero. Usando o deslocamento longitudinal da fase, colocar a fibra SMF tão perto quanto possível da fibra de polímero. Um pequeno espaço de ar entre a fibra de polímero de SMF e reduz a expansão da viga. Coloque toda a configuração de uma segunda fase motorizado que se move na direcção longitudinal. A segunda fase motorizada é usado para geração de imagens, como será descrito em 4.4.
3. Usando um m ópticaicroscope e um espelho em ângulo recto, monitorizar a posição da fibra de polímero de SMF e a certeza de que o SMF está acoplada no centro da fibra de polímero, e que o espaço de ar entre as duas fibras é tão pequena quanto possível. Uma pequena inclinação na ponta da fibra de polímero ou deformações na ponta da fibra de polímero devido a clivagem de polimento ou processos podem limitar a folga mínima entre SMF e fibra de polímero. Um pequeno espaço entre as fibras é necessário porque a fibra SMF deve ser capaz de mover-se em torno da ponta da fibra de polímero. Colocar o SMF no centro da fibra de polímero exclusivamente para fazer o processo de acoplamento mais fácil. Durante a experiência, juntam-se transversalmente o feixe incidente que sai do SMF entre a ponta da fibra de polímero de observar a localização em regiões diferentes da fibra de polímero.
4. Usar uma câmara CCD viga de perfil para medir a saída da fibra utilizando uma objectiva de 40X. Primeiro, saturar a câmara CCD para monitorizar os limites da fibra de polímero.Utilizando os botões no suporte objectivo, certifique-se de que os limites de fibras de polímeros podem ser observados no CCD.
5. Usar uma platina motorizada que se move toda a configuração (descrito em 4.2) no sentido longitudinal, se a imagem no CCD é focada ao mover a instalação para longe ou para o objectivo de 40X, enquanto o CCD e objectivos são fixados. Como uma métrica de focagem, um perfil digitalizado no CCD deve ter o tamanho mínimo para a focagem. A imagem focada do feixe não deve ser sinuosa visualmente.
6. Mova o feixe incidente na ponta de entrada e medir a intensidade do feixe de saída para diferentes posições feixe incidente. Coletar dados para 5 posições diferentes do feixe incidente. Realizar as medições para 20 amostras de fibra e coletar um total de 100 medidas diferentes.

Representative Results

A imagem SEM da fibra polido é mostrado na Figura 1. A imagem de SEM da Figura 1 mostra que, para a maioria das regiões da ponta da fibra, a qualidade polonês é bom. A imagem de SEM das amostras de fibra com as suas extremidades dissolvidos em solução de álcool etílico, a Figura 2, mostra os locais de PMMA em sítios escuros e PS em cores cinzentas. A imagem de SEM na Figura 2 é ampliado em uma largura de 24 mM da fibra. Para a imagem MEV, as amostras de fibra são revestidos com uma camada espessa de 10 nm de Au / Pd.

A configuração de medição utilizado nesta experiência é apresentado na Figura 3. A intensidade do feixe de saída, medido pelo CCD viga de perfil em uma amostra do comprimento de 5 cm, é mostrado na Figura 4. O perfil de intensidade do feixe de mostrar que está localizada na direcção transversal da fibra desordenados. A fim de o perfil de intensidade da imagem, a possibilidade de correcção do ruído ambiente CCD c amera deve estar ligado. No entanto, esta opção não pode ser completamente eficaz. De modo a calcular o nível de ruído da imagem total, o perfil de intensidade em, também o perfil de intensidade trabalhada da fibra SMF630hp eo diâmetro de campo do modo foi calculada. Para um nível de ruído escolhida, a medição experimental do diâmetro do campo de modo está combinado com os dados do fabricante relatados. O mesmo valor de nível de ruído tem de ser utilizado para a interpretação da Figura 4. Cento diferentes perfis de intensidade dos feixes estão localizadas medida pelo movimento da fibra SMF630hp entrada nas posições transversais do acoplamento com a fibra de polímero para 20 amostras diferentes Cento e medição dos perfis dos feixes são médias para mostrar a localização transversal Anderson em uma desordenada fibra óptica, tal como apresentado na Ref. ^11.

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Figura 1. Image Polido Fiber rosto. SEM da ponta da fibra polido. A qualidade do polonês é bom para a maioria das regiões da ponta da fibra.

Figura 2. Perfil do índice de refracção. O perfil do índice de refracção da fibra de polímero desordenada. Sites de PMMA estão em cor mais escura e sites de PS são cinza claro. A largura da imagem é de 24 ^ m.

Figura 3. Setup Experimental. A configuração experimental para as medições. Câmera CCD (A) e objetiva (C), são montados em cima uns dos outros. Um espelho em ângulo recto (D) permite a visualização da fibra (E) a partir de vários ângulos para assegurar acoplamento adequado.

Figura 4. Intensity Profile. Perfil de intensidade do feixe após propagada 5 cm de propagação. A largura da imagem é de 250 um.

Discussion

No processo de sorteio de fibras, o perfil do índice de refracção não permanece estável durante mais do que um metro, tanto por causa dos cross-overs de cordões de fibra originais e também por causa das variações do diâmetro da fibra no processo de sorteio. Esperamos que um processo de sorteio mais estável vai ajudar a fabricar uma fibra óptica que é invariante sobre o comprimento das fibras mais longas em comparação com o relatado aqui.

Na preparação de uma amostra para a imagem MEV da ponta da fibra, é preciso assegurar que a amostra permanece no e uma solução a 70% de álcool Thyl durante um tempo suficientemente longo (~ 3 min) e mantém-se a temperatura adequada (65 ° C) . Se a amostra permanece em solução e o álcool Thyl muito mais tempo do que o necessário para 3 min etch afastado da camada superior do PMMA, a extremidade da fibra pode desintegrar-se.

Na extremidade de acoplamento da fibra-SMF630hp para a fibra de polímero, é importante que a fibra incidente está tão perto quanto possível a fibra de polímero para evitar a expansão substancial de difracção do feixe antes que ele atinja a fibra desordenados. Nós também precisamos usar um fluido índice de correspondência para reduzir a dispersão da luz no acoplamento.

Deve-se notar que o movimento do campo incidente entre a face da extremidade da fibra desordenados muda a posição do feixe localizada na saída. Em diferentes regiões da fibra de polímero, observa-se variações no raio do feixe localizada, como esperado a partir da natureza estatística da localização Anderson. Alguma desta variação também pode ser atribuído à qualidade do polonês da extremidade da fibra. Dado que a imagem de SEM das mostras de fibras polidas, a qualidade do polonês não é a mesma em todas as regiões da extremidade da fibra. Devido a esta limitação, foi utilizado o ponto menor localizada que nós poderíamos encontrar em toda a extremidade da fibra para cada experimento e, em seguida, realizadas as medições restantes no bairro de o melhor ponto localizado.

onte ú "> Removendo o ruído ambiente é crucial para o cálculo do raio do feixe do feixe localizada. Se não for removido, o ruído ambiente pode resultar num erro no cálculo do raio do feixe do feixe de imagens CCD de perfil. Nós calibrado para a nossa análise assegurar que obtemos o valor correcto do diâmetro do feixe de cerca de 4 mm para a fibra SMF630hp no comprimento de onda 633 nm.

Modelagem numérica de localização de luz em polímero desordenados fibras Ref ^11,12 para materiais sem perdas mostra que a onda pode ser totalmente confinados nas direções transversais da fibra sem qualquer atenuação no poder. Por outro lado, o material de absorção nos fibras é considerável e a atenuação da fibra está no nível de 0,5 - 1,0 dB / cm. Esperamos que a perda de ser consideravelmente mais baixos em fibras desordenadas à base de sílica.

No futuro, prevemos melhoria das propriedades de perda de fibras desordenadas, melhorando a fabricação procedure (por exemplo, um processo de sorteio mais estável) e também utilizando componentes de perda menor. A fibra óptica desordenada ideal será composto de vidro com ar-furos aleatórios na proporção de 50%. Como já mostrado na Ref. ^12, esperamos que a diferença maior nos índices de refração de dois materiais resulta em variações reduzidas do feixe de raio localizada. Recentemente, apresentamos nossos primeiros resultados, em fibra de vidro óptico com sites de ar-buraco desordenadas em Ref. ¹⁷ e antecipar a evolução futura fibras desordenadas à base de vidro.

Materials

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