我们研发并表征了一种无序聚合物光学纤维，该纤维利用横向安德森局域化作为一种新型波导机制。这种微结构纤维能够传输一个局域化的细小光束，其半径与传统光学纤维的光束半径相当。
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摘要
摘要
我们研发并表征了一种利用横向安德森局域化作为新型波导机制的无序聚合物光纤。该聚合物光纤由80,000根随机混合的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚苯乙烯（PS）纤维组成，并被拉制成横截面为正方形、边长为250 μm的光纤。初始状态下，每根纤维直径为200 μm，长度为8英寸。在原始光纤纤维的混合过程中，纤维相互交错；然而，较大的拉伸比可确保在数十厘米长度范围内，光纤沿轴向的折射率分布保持不变。无序区域之间高达0.1的折射率差，导致形成较小的局域化光束半径，与传统光纤的光束半径相当。输入光通过平接耦合法从标准单模光纤注入，无序光纤输出端的近场光束则通过40倍物镜和CCD相机成像。实测输出光束直径与数值模拟的预期结果高度一致。本研究中展示的无序光纤是二维安德森局域化在器件层面的首次实现，有望应用于图像传输和短距离光通信系统。
引言
在P.W. Anderson的一项理论研究中 1，研究表明，在量子电子系统中存在无序时，扩散过程会停止，并形成局域化的电子态。安德森局域化是一种波动现象，同样可发生在光等经典波中。自从光学中安德森局域化的理论预测提出以来 2,3，已有许多研究致力于通过电磁波在实验上实现这一现象 4,5然而，由于大多数光学材料的折射率对比度较低，其光学散射截面通常过小，因此很难实现强局域化。1989年，De Raedt 等 6 表明在具有低折射率对比度的准二维无序光学系统中，可以观察到安德森局域化现象。他们发现，如果在纵向不变介质中将无序限制在传播波的横向平面内，由于强烈的横向散射，光束可在横向方向上被限制在很小的区域内。横向安德森局域化首次在二维波导中被观测到，这些波导是通过在光折变晶体中利用干涉图样构建而成。 7熔融石英是另一种用于观测横向安德森局域化的介质 8,9，其中利用飞秒脉冲在样品中写入无序波导。上述系统中无序区域的折射率差异约为10⁻³量级-4 ，因此局域化半径相当大。此外，典型的波导长度通常不超过几厘米，因此在导波应用中可能不够实用。需要指出的是，一维无序波导中横向安德森局域化的现象此前已在文献[Ref 10.
本文开发的光纤相较于此前用于导波应用的横向安德森局域化的实现方案具有多项优势....
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方案
1. 制备无序聚合物光纤
- 将约200根PMMA纤维平铺在桌面上，再将相同数量的PS纤维铺在PMMA纤维之上。混合并重新捆束这些纤维。重复此操作，直至40,000根PMMA纤维与40,000根PS纤维实现随机混合。
- 将随机混合的纤维组装成一个横截面为正方形的预制棒，其边长约2.5英寸。
- 将该预制棒拉制成直径为250 μm的光纤。预制棒在Paradigm Optics Incorporated公司按照其标准程序16进行拉丝。
2. 成像无序光纤的折射率分布
- 使用如 Topcon ABT 的扫描电子显微镜（SEM）对所制得的光纤折射率分布进行成像。
- 将聚合物光纤样品浸入液氮中约 10 分钟，然后将其折断成两半。
- 将样品的断裂端浸入乙醇溶液中，保持溶液温度约为 65 °C，持续约 3 分钟，直至乙醇溶解光纤中的 PMMA 区域。
- 在每个样品表面镀上一层 10 nm 厚的 Au/Pd 涂层，并将样品放入扫描电子显微镜（SEM）的样品腔中。
3. 准备用于光学表征的纤维样品
- 准备长度为 5 cm 的光纤样品。
- 将弯曲刀片加热至 65 °C，光纤加热至 37 °C。使用正确的温度可防止在切割过程中....
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结果
抛光后光纤的扫描电镜图像如图1所示。图1中的扫描电镜图像表明，光纤端面大部分区域的抛光质量良好。将光纤样品末端溶解于乙醇溶液后所得的扫描电镜图像如图2所示，其中PMMA区域呈深色，PS区域呈灰色。图2中的扫描电镜图像放大显示了光纤24 μm宽度的区域。进行扫描电镜成像前，光纤样品表面已镀上一层10 nm厚的Au/Pd涂层。
本实验所用的测量装置如图3所示。通过CCD光束分析仪测得长度为5 cm样品的输出光束强度如图4所示。强度分布表明，光束在无序光纤的横向方向上实现了局域化。为了准确成像强度分布，应开启CCD相机的环境噪声校正功能。然而，该功能可能无法完全消除噪声。为计算强度分布图像中的总噪声水平，我们还对SMF630hp光纤的强度分布进行了成像，并计算了其模场直径。在选定某一噪声水平的情况下，实验测得的模场直径与制造商提供的数据相吻合。在解读图4.......
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讨论
在光纤拉制过程中，折射率分布无法在超过一米的长度上保持恒定，这既源于原始光纤丝之间的交叉，也与拉制过程中光纤直径的变化有关。我们预计，更稳定的拉制工艺将有助于制备出在更长光纤长度上保持一致性的光学光纤，相较于本文所报道的结果将有所改进。
在为纤维尖端的扫描电镜成像制备样品时，我们需要确保样品保持在70% e乙醇 溶液中保持足够长的时间（约 3 分钟）并维持在适当的温度（65 °C）。如果样品继续留在 e乙醇 如果溶液作用时间远超过蚀刻PMMA顶层所需的3分钟，光纤尖端可能会解体。
在将SMF630hp光纤与聚合物光纤进行端面对接耦合时，入射光纤应尽可能靠近聚合物光纤，以避免光束在到达无序光纤前发生显著的衍射扩展。我们还需要使用折射率匹配液以减少耦合界面处的光散射。
需要注意的是，将入射光场在无序光纤端面上移动时，输出端局域化光束的位置会发生变化。在聚合物光纤的不同区域，我们观察到局域化光束半径存在差异，这与安德森局域化的统计特性预期相符.......
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披露
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
致谢
本研究由美国国家科学基金会资助，项目编号为1029547。作者感谢Paradigm Optics Inc.的D.J. Welker提供了初始光纤段以及最终光学光纤的重拉制。作者还感谢Steven Hardcastle和Heather A. Owen提供的扫描电子显微镜成像支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) | |||
| 聚苯乙烯 (PS) | |||
| 65 °C 下的 70% 乙醇溶液 |
参考文献
- Anderson, P. W. Absence of diffusion in certain random lattices. Phys. Rev. 109, 1492-1505 (1958).
- John, S. Strong localization of photons in certain disordered dielectric super lattices. Phys. Rev. Lett. 58, 2486-2489 (1987).
- Anderson, P. W.
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重印与许可
