Fabricación y Caracterización de Polímeros desordenados Fibras ópticas para Transversal Anderson Localización de Luz

Summary

Desarrollamos y caracterizar un trastorno de polímero de fibra óptica que utiliza transversal localización de Anderson como un mecanismo de guía de ondas novela. Esta fibra microestructurada puede transportar un pequeño haz localizado con un radio que es comparable con el radio del haz de fibras ópticas convencionales.

Abstract

Desarrollamos y caracterizar un trastorno de polímero de fibra óptica que utiliza transversal localización de Anderson como un mecanismo de guía de ondas novela. El polímero de fibra óptica desarrollado se compone de 80.000 filamentos de poli (metacrilato de metilo) (PMMA) y poliestireno (PS) que se mezclan y arrastrados a una sección transversal de la fibra óptica cuadrado con una anchura lateral de 250 micras al azar. Inicialmente, cada filamento es de 200 m de diámetro y 8 pulgadas de largo. Durante el proceso de mezcla de los cordones de fibras originales, las fibras se cruzan entre sí, sin embargo, una gran proporción de estirado garantiza que el perfil de índice de refracción es invariante a lo largo de la longitud de la fibra durante varias decenas de centímetros. La gran diferencia de índice de refracción de 0,1 entre los sitios desordenados resultados en un pequeño radio del haz localizado que es comparable con el radio del haz de fibras ópticas convencionales. La luz de entrada se pone en marcha a partir de una fibra óptica de modo único estándar por el método de acoplamiento a tope y el neahaz de salida r-campo de la fibra desordenada se forma la imagen utilizando un objetivo de 40x y una cámara CCD. El diámetro del haz de salida está de acuerdo con los resultados esperados de las simulaciones numéricas. La fibra óptica trastornos se presentan en este trabajo es la primera implementación a nivel de dispositivo de 2D localización de Anderson, y potencialmente se puede utilizar para los sistemas de comunicación óptica de corta distancia de transporte y la imagen.

Introduction

En un trabajo teórico de PW Anderson ^1, se demostró que en la presencia de un trastorno en el sistema electrónico cuántica, se detiene el proceso de difusión y los estados electrónicos localizada desarrollan. Localización de Anderson es un fenómeno ondulatorio que también puede producirse por ondas clásicas, como la luz. Dado que la predicción teórica de la localización de Anderson en la óptica ^2,3, ha habido muchos esfuerzos para realizar este fenómeno experimentalmente con ondas electromagnéticas ^4,5. Sin embargo, ha sido muy difícil de lograr fuerte localización debido a que las secciones transversales de dispersión ópticos son a menudo demasiado pequeña debido a la baja diferencia de índice de refracción de la mayoría de los materiales ópticos. En 1989, De Raedt et al. ⁶ demostró que es posible observar la localización Anderson en un sistema óptico desordenada cuasi-bidimensional con contrastes de bajo índice de refracción. Ellos mostraron que si el trastorno se limita al plano transversal de un puntalagating de onda en un medio longitudinalmente invariante, el haz puede permanecer confinada a una pequeña región en la dirección transversal debido a la fuerte dispersión transversal. Transversal localización de Anderson se observó por primera vez en guías de onda en dos dimensiones que se crearon utilizando patrones de interferencia en un cristal foto-refractiva ^7. La sílice fundida es el otro medio que se ha utilizado para la observación transversal de la localización de Anderson ^8,9, donde guías de ondas desordenadas se escriben utilizando pulsos de femtosegundos a lo largo de la muestra. La diferencia de índice de refracción de sitios desordenados en los sistemas mencionados anteriormente son del orden de 10 ^-4, por lo que el radio de la localización es bastante grande. Además, las guías de onda típicas no son por lo general más de varios centímetros, por lo tanto, pueden no ser práctico para aplicaciones de onda guiada. Se señala que la observación transversal de localización de Anderson en una guía de onda desordenado unidimensional se informó anteriormente en Ref ^10.

La fibra óptica desarrollado aquí tiene varias ventajas sobre las realizaciones anteriores de Anderson transversal localización para aplicaciones de onda guiada ^11,12. En primer lugar, la gran diferencia de refracción de 0,1 entre los sitios de trastorno de los resultados de fibra en un pequeño haz localizada comparable con el radio del haz de fibras ópticas regulares. En segundo lugar, el polímero desordenado de fibra óptica puede ser mucho más largo que las guías de ondas desordenadas escritas externamente en cristales fotorrefractivas o sílice fundida. Pudimos observar transversal localización de Anderson en un 60 cm de longitud de fibra ^11. En tercer lugar, el polímero desordenado de fibra óptica es flexible, por lo que es práctica para las aplicaciones a nivel de dispositivos del mundo real que se basan en el transporte de las ondas de luz en fibras ^13.

Con el fin de fabricar la fibra óptica desordenada, 40000 hebras de PMMA y 40.000 filamentos de PS fueron mezclados al azar, donde cada stry fue de 8 pulgadas de largo y 250 m de diámetro. Los hilos mezclados al azar se ensamblan en una sección transversal preforma cuadrado con un lado-anchura de aproximadamente 2,5 pulgadas. A continuación, la preforma se extrae a una fibra óptica cuadrada con un ancho de banda de alrededor de 250 micras (Figura 1). Para mezclar aleatoriamente las hebras de fibra originales, extendemos una capa de hilos de fibra de PMMA en una mesa grande, agregamos una capa de hilos de fibra de PS, y luego las mezclamos aleatoriamente juntos. El procedimiento se repitió varias veces hasta que se obtuvo una buena mezcla aleatoria.

Se utilizó un microscopio electrónico de barrido (SEM) para la imagen del perfil del índice de refracción del polímero desordenado de fibra óptica. Técnicas de escisión regular, tales como el uso de una cuchilla calentada agudo no se pueden utilizar para preparar las muestras de fibra para la formación de imágenes SEM de la extremo de la fibra para mapear su perfil de índice de refracción, debido a daños de la hoja de la morfología del extremo de la fibra. Pulido de la fibra tiene un efecto perjudicial similar sobre thcalidad e del extremo de la fibra. Para preparar muestras de alta calidad para la formación de imágenes SEM, nos sumergimos cada fibra en nitrógeno líquido durante varios minutos y luego se rompió la fibra, si se hace sobre muestras suficientes de fibra, este método da como resultado unas piezas de fibra de buenas (alrededor éxito 15% rate) con superficies de gama muy alta calidad y sin problemas para la formación de imágenes SEM. A continuación, utiliza un 70% de acetato de solución de alcohol a 60 ° C durante aproximadamente 3 minutos para disolver los sitios de PMMA en el extremo de la fibra; exposición más larga puede desintegrar todo el extremo de la fibra. A continuación, las muestras recubiertos con Au / Pd y los colocó en la cámara de SEM. El zoom en la imagen SEM de la desordenada polímero de fibra óptica se muestra en la Figura 2. Los sitios son de color gris claro PS y los sitios oscuros son PMMA. La anchura total de la imagen es de 24 micras, donde las características de tamaño mínimo en esta imagen son ~ 0,9 micras, que corresponden a los tamaños de sitios individuales de las hebras de fibra, después del proceso de sorteo.

Con el fin de caracRize las propiedades de guía de onda de la fibra óptica desordenada, se utilizó un láser de He-Ne a 633 nm de longitud de onda. El láser de He-Ne está acoplado a un único modo de SMF630hp de fibra óptica con un diámetro del campo modal de alrededor de 4 micras, que luego se acoplan a tope-el polímero desordenado de fibra óptica utilizando una etapa de alta precisión motorizado. La salida se forma la imagen a continuación en una cámara CCD de perfiles de haz utilizando un objetivo de 40X.

En la primera serie de experimentos, se optó por 20 muestras de fibras desordenadas diferentes, cada largos de 5 cm, la longitud de 5 cm fue elegido para que coincida con la longitud de propagación en nuestras simulaciones numéricas. Las simulaciones numéricas de la fibra trastornos son generalmente consume mucho tiempo, incluso en un clúster de computación de alto rendimiento con 1100 elementos. La localización de Anderson transversal completa de la longitud de onda de 633 nm ocurre sólo después de unos 2,5 cm de la propagación de ^11,12, por lo tanto, se decidió que la longitud de 5 cm es suficiente para nuestros propósitos. Debido a la stochastic la naturaleza de la localización Anderson, que necesita para repetir tanto los experimentos y las simulaciones de 100 realizaciones, con el fin de recopilar estadísticas suficientes para comparar los valores experimentales y numéricos del diámetro medio del haz. En la práctica, 100 mediciones diferentes se obtienen tomando cinco mediciones espacialmente separados en cada una de las 20 muestras de fibras desordenadas diferentes.

Es bastante difícil de preparar las fibras ópticas de polímero desordenado de mediciones, en comparación con fibras ópticas de vidrio. Por ejemplo, no se puede utilizar la escisión avanzada y herramientas de pulido y técnicas que están bien desarrollados para la fibra a base de sílice estándar. Un procedimiento de refinado para la escisión y pulido de fibras ópticas de polímero ha sido informado por el Abdi et al ^14;. Usamos sus métodos con algunas modificaciones menores para preparar nuestras muestras de fibra. Con el fin de escindir un polímero desordenado de fibra óptica, una hoja curvada de X-Acto se calienta a 65 °; C, y la fibra a 37 ° C. La punta de la fibra se alinea en una superficie de corte de manera que un corte perpendicular limpio se puede hacer. La hoja se coloca en el lado de la fibra, y rápidamente se puso a través. El proceso de escisión todo debe hacerse tan rápido como sea posible para asegurar que las temperaturas de la hoja y la fibra no cambian considerablemente. Después de escisión de la fibra y la inspección bajo un microscopio óptico, el extremo de la fibra se pule utilizando hojas de lapeado de fibra estándar (0,3 m Thorlabs LFG03P papel de aluminio óxido de pulido) para asegurar que las imperfecciones menores se eliminan. Para pulir el extremo de la fibra, se llevó a cabo en un par de pinzas con las pinzas que sujetan la fibra de aproximadamente 1,5 mm de la superficie frontal es pulida. La fibra se dibuja sobre el papel de una pulgada de largo en forma de 8 en forma de caminos, aproximadamente ocho veces. Pulir los resultados de fibra en los bordes más suaves como a una inspección al microscopio óptico. Por otra parte, facilita la limpieza de acoplamiento adecuado a una ubicaciónpunto lizado en la fibra, que a su vez reduce la atenuación tanto en el acoplamiento y también en la distancia inicial de propagación antes de que se formó el punto localizado.

Se utilizó una cámara de perfiles haz CCD de imagen de la intensidad del haz de salida. El perfil de intensidad de campo cercano fue capturado utilizando un objetivo de 40X. Con el fin de encontrar los límites de la fibra, que saturó el CCD mediante el aumento de la potencia de la luz entrante de la fibra SMF630hp. Después de detectar el perfil de intensidad del haz localizado con respecto a los límites, se establece el haz de perfilador CCD para la opción de auto-exposición. Se utilizó la imagen del perfil de intensidad con el fin de calcular el radio del haz efectivo. Con el fin de eliminar el efecto del ruido ambiental, que calibrado nuestro procedimiento de procesamiento de imágenes para garantizar que se obtiene el diámetro del haz esperado de la fibra SMF630hp. El valor promedio medido de la radio del haz y sus variaciones en torno al valor promedio de acuerdo bien con el numesimulaciones tricos, como se muestra en la Ref.. ^11. El perfil de haz de salida en la fibra de polímero se deduce claramente un cambio en la posición del haz incidente, como se muestra en las Refs. ^11,12,13.

Un estudio exhaustivo del impacto de los parámetros de diseño tales como el sitio tamaños desorden y la longitud de onda incidente en el radio del haz del rayo localizada se presentó en las referencias. ^12,15.

Protocol

1. Fabricación de una desordenada fibra óptica de polímero

1. Esparza alrededor de 200 de los hilos de PMMA sobre una mesa y difundir el mismo número de hebras de PS en la parte superior de la PMMA. Mezclar y rehacer los hilos. Repita este procedimiento hasta 40.000 líneas de PMMA se mezclan al azar, con 40.000 líneas de PS.
2. Montar los hilos mezclados al azar en una preforma cuadrada con un ancho de banda de alrededor de 2,5 pulgadas.
3. Dibujar la preforma en una fibra óptica con un diámetro de 250 micras. La preforma se dibuja en la óptica del paradigma Incorporated utilizando su procedimiento estándar ^16.

2. Imágenes del Índice de Perfil de refracción de la fibra desordenado

1. Utilice un SEM Topcon tales como ABT a la imagen del perfil de índice de refracción de la fibra óptica resultante.
2. Sumergir las muestras de polímero de fibra óptica en nitrógeno líquido durante 10 min y luego romper por la mitad.
3. Sumerja las puntas rotas de las muestras en alcohol etílico. Keep la temperatura de la solución a aproximadamente 65 ° C. Dejar las muestras en la solución durante aproximadamente 3 minutos, hasta que el alcohol etílico disuelve los sitios de PMMA en la fibra.
4. Cubra cada muestra con una capa de 10 nm de espesor de Au / Pd y colocar la muestra en la cámara del SEM.

3. Preparación de las muestras para la caracterización de la fibra óptica

1. Preparar muestras de 5 cm de longitud de fibra.
2. Calentar una hoja curva a 65 ° C, y la fibra a 37 ° C. Uso de las temperaturas adecuadas impide la deformación de la punta de la fibra que puede ocurrir en el proceso de escisión.
3. Alinear la punta de la fibra en una superficie de corte, de modo que un lugar limpio, cortada perpendicular se puede hacer. Coloque la hoja en el lado de la fibra, y luego rodar rápidamente a través.
4. Inspeccione la punta de la fibra usando un microscopio óptico para asegurarse de que la punta de la fibra se corta perpendicularmente a los lados de la fibra. Mantenga la cuchilla de afeitar a un ángulo recto en el proceso de escisión para evitar la inclinación de thpunta e.
5. Utilice papel de limpieza tales como Thorlabs LFG03P Aluminio Papel óxido de pulido (0,3 m) para pulir las muestras de fibras. Para pulir el extremo de la fibra, mantenerlo en un par de pinzas, con las pinzas agarre de la fibra de aproximadamente 1,5 mm de distancia de la cara que se está puliendo. Dibuje la fibra sobre el papel de una pulgada de largo en forma de 8 en forma de caminos, aproximadamente ocho veces. Caminos Figure-8 con forma de asegurarse de que todo el consejo es pulido.

4. La medición del perfil de la viga de la viga propaga en las muestras de fibra

1. Pareja el láser de He-Ne en una fibra SMF630hp utilizando un objetivo de 20X y dos espejos planos. Colocar los espejos planos en escenarios con dos grados de libertad. Coloque el objetivo en un escenario con tres grados de libertad. Inicialmente mantener la fibra SMF una distancia de 8 mm de la punta objetivo. Utilizando los mandos de los titulares de espejo y el soporte objetivo, ilumine la luz láser a la punta de la fibra. Conectar el otro lado de la SMF a un medidor de potencia. Pareja de energía en el SMF usando los mandos de los titulares de espejo, así como las perillas transversales en el soporte de objetivo. La eficiencia de acoplamiento se puede aumentar significativamente mediante el uso de la perilla de posicionamiento longitudinal en el soporte de objetivo. Una potencia acoplada de 1 mW es suficiente para las mediciones.
2. Pareja la fibra SMF630hp a la fibra óptica de polímero usando Thorlabs MAX343 etapa motorizada. La platina motorizada se puede mover en las tres direcciones cartesianas. Uso de los grados transversales de las libertades, par la fibra SMF para el centro de la punta de la fibra de polímero. Usando el desplazamiento longitudinal de la etapa, colocar la fibra SMF tan de cerca como sea posible a la fibra de polímero. Un pequeño espacio de aire entre el SMF y fibra de polímero reduce la expansión de la viga. Toda la configuración en una segunda etapa motorizado que se desplaza en la dirección longitudinal. La segunda etapa motorizada se utiliza para la formación de imágenes como se describe en 4.4.
3. El uso de un m ópticoicroscope y un espejo en ángulo recto, supervisar la posición de la SMF y fibra de polímero para asegurarse de que el equipo SMF está acoplado en el centro de la fibra de polímero, y que el espacio de aire entre las dos fibras es tan pequeña como sea posible. Una pequeña inclinación en la punta de la fibra de polímero o deformaciones en la punta de la fibra de polímero debido a la escisión o pulir procesos puede limitar el espacio de aire mínimo entre SMF y fibra de polímero. Un pequeño espacio entre las fibras es necesario porque la fibra SMF debe ser capaz de moverse en la punta de la fibra de polímero. Coloque el SMF en el centro de la fibra de polímero únicamente para hacer más fácil el proceso de acoplamiento. Durante el experimento, transversalmente barrer el haz incidente que sale de la SMF a través de la punta de la fibra de polímero para observar la localización en diferentes regiones de la fibra de polímero.
4. Utilice una cámara CCD haz de perfiles para medir la salida de la fibra utilizando un objetivo de 40X. En primer lugar, saturar la cámara CCD para monitorizar los límites de la fibra de polímero.Utilizando los botones en el soporte objetivo, asegúrese de que los límites de fibra de polímero se pueden observar en el CCD.
5. Usa una etapa motorizada que se mueve toda la configuración (descrito en 4.2) longitudinalmente, asegurarse de que la imagen en el CCD se centra moviendo la configuración de distancia o hacia el objetivo de 40X, mientras que el CCD y objetivo son fijos. Como una métrica para enfocar, un perfil de captación de imagen sobre el CCD debe tener el tamaño mínimo en el foco. Una imagen enfocada del haz no debe ser bobinado visualmente.
6. Mueva el haz incidente en la punta de entrada y medir la intensidad del haz de salida para diferentes posiciones del haz incidente. Recabar datos con 5 posiciones diferentes del haz incidente. Llevar a cabo las mediciones de 20 muestras de fibra y recoger un total de 100 mediciones diferentes.

Representative Results

La imagen SEM de la fibra de pulido se muestra en la Figura 1. La imagen de SEM en la Figura 1 muestra que, para la mayoría de las regiones de la punta de la fibra, la calidad de uñas es buena. La imagen SEM de las muestras de fibras con sus extremos disueltos en solución de alcohol etílico, la figura 2, muestra los sitios de PMMA en sitios oscuros y PS en colores grises. La imagen de SEM en la Figura 2 está ampliada en un ancho de 24 micras de la fibra. Para imágenes de SEM, las muestras de fibras están recubiertas con una capa gruesa de 10 nm de Au / Pd.

La configuración de la medición utilizado en este experimento se muestra en la Figura 3. La intensidad del haz de salida medida por el haz de perfiles del CCD en una muestra de la longitud de 5 cm se muestra en la Figura 4. El perfil de intensidad muestran que el haz se localiza en la dirección transversal de la fibra desordenada. Con el fin de la imagen el perfil de intensidad, la opción de corrección de ruido ambiental de la CCD c amera debe estar encendido. Sin embargo, esta opción puede no ser completamente efectivo. Con el fin de calcular el nivel de ruido en la imagen de perfil de intensidad, también obtuvieron imágenes se calculó el perfil de intensidad de la fibra SMF630hp y el diámetro del campo modal. Para un nivel de ruido elegido, la medición experimental de diámetro del campo modal se corresponde con los datos del fabricante reportados. El mismo valor de nivel de ruido necesita ser utilizado para la interpretación de la figura 4. Un centenar de diferentes perfiles de intensidad de los haces localizados se miden moviendo la fibra SMF630hp de entrada en las posiciones transversales en el acoplamiento con la fibra de polímero de 20 muestras diferentes de cien mediciones de los perfiles de viga se promedian para mostrar la localización de Anderson transversal en una desordenada de fibra óptica tal como se presenta en la Ref. ^11.

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Figura 1. Fibra imagen Pulido Face. SEM de la punta de la fibra pulida. La calidad de las uñas es bueno para la mayoría de las regiones del extremo de la fibra.

Figura 2. Perfil Índice de refracción. El perfil de índice de refracción de la fibra de polímero desordenado. Sitios de PMMA son de color más oscuro y sitios PS son de color gris claro. La anchura de la imagen es de 24 micras.

Figura 3. Montaje experimental. El montaje experimental para la medición. Cámara CCD (A) y objetivo (C) están montados en la parte superior de uno al otro. Un espejo en ángulo a la derecha (D) permite la visualización de la fibra (E) a partir de múltiples ángulos para asegurar un acoplamiento apropiado.

La Figura 4. Intensidad perfil. Perfil de intensidad del haz propaga después de 5 cm de propagación. La anchura de la imagen es de 250 micras.

Discussion

En el proceso de estiramiento de fibras, el perfil de índice de refracción no se mantiene constante durante más de un metro, tanto a causa de los cruzamientos de las hebras de fibra de originales y también debido a las variaciones del diámetro de la fibra en el proceso de sorteo. Esperamos que un proceso de sorteo más estable contribuirá a fabricar una fibra óptica que es invariable en longitudes de fibras más largas en comparación con los reportados aquí.

En la preparación de una muestra para la formación de imágenes SEM de la punta de la fibra, es necesario para asegurar que la muestra permanece en la solución de alcohol metil e 70% durante un tiempo suficientemente largo (~ 3 min) y se mantiene a la temperatura adecuada (65 ° C) . Si la muestra permanece en la solución de alcohol metil correo mucho más largo que el 3 min requerido para grabar la capa superior de PMMA, la punta de la fibra puede desintegrarse.

En acoplamiento a tope la fibra SMF630hp a la fibra de polímero, es importante que la fibra incidente es lo más cerca posible a la fibra de polímero para evitar la expansión sustancial de difracción del haz antes de que llegue la fibra desordenada. También tenemos que utilizar un líquido de índice de coincidencia para reducir la dispersión de la luz en el acoplamiento.

Debemos tener en cuenta que el paso del campo incidente en la cara final de la fibra desordenado cambia la posición de la viga localizada en la salida. En diferentes regiones de la fibra de polímero, que observamos las variaciones en el radio del haz localizada, como se esperaba de la naturaleza estadística de la localización Anderson. Parte de esta variación también se puede atribuir a la calidad de pulido de la fibra final. A medida que la imagen de SEM de la muestra de fibra de pulido, la calidad del pulido no es la misma en todas las regiones del extremo de la fibra. Debido a esta limitación, se utilizó el punto localizado más pequeña que se podía encontrar en el extremo de la fibra para cada experimento y luego llevó a cabo el resto de las mediciones en el barrio de los mejores lugares localizados.

ontenido "> Extracción del ruido ambiental es crucial para el cálculo del radio del haz del haz localizado. Si no se elimina, el ruido ambiental puede resultar en un error en el cálculo del radio del haz del haz de imágenes de perfil del CCD. Se calibraron nuestro análisis a aseguramos de que se obtiene el valor correcto del diámetro del haz de alrededor de 4 micras para la fibra SMF630hp en longitud de onda 633 nm.

Modelización numérica de la localización luz en fibras de polímero desordenados en Ref ^11,12 para materiales sin pérdidas demuestra que la ola totalmente puede limitarse en las direcciones transversales de la fibra sin ninguna atenuación en el poder. Por otro lado, el material de absorción en nuestras fibras es considerable y la atenuación de la fibra está en el nivel de 0,5 a 1,0 dB / cm. Esperamos que la pérdida es considerablemente más baja en fibras desordenadas a base de sílice.

En el futuro, esperamos mejorar las propiedades de la pérdida de fibras desordenadas por la mejora de la fabricación de procedure (por ejemplo, un proceso de sorteo más estable), y también el uso de componentes de baja pérdida. La fibra óptica desordenada ideal deberá estar compuesto de vidrio con aire-agujeros al azar en una proporción del 50%. Como se ha mostrado en la referencia. ^12, esperamos que la mayor diferencia en los índices de refracción de los dos materiales da lugar a la reducción de las variaciones de la radio del haz localizado. Recientemente presentamos nuestros primeros resultados en el vidrio de fibra óptica con los sitios de agujeros de aire desordenadas en la ref. ¹⁷ y anticipar futuros avances en fibras desordenadas a base de vidrio.

Materials

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