ライトの横アンダーソン局在のために無秩序ポリマー光ファイバの作製と評価

本手順の全体的な目的は、光の横方向アンダーソン局在化のための無秩序光ファイバを作製し、その特性を評価することである。まず、ポリメタクリル酸メチルとポリスチレンのストランドを混合し、延伸工程用のプリフォームを作製する。次に、延伸したファイバの屈折率分布をイメージングする。

走査電子顕微鏡を用いてPMMAファイバーが溶解したことを確認した後、アンダーソン局在の光学特性評価を行うため、延伸ファイバーの試料を劈開および研磨します。最終ステップとして、乱雑に構造化されたファイバーにヘリウムネオンレーザー光を照射し、光学セットアップを用いて試料をテストします。

最終的に、局在化されたビームの出力強度プロファイルがCCDカメラビームプロファイラーで結像されます。光の横方向アンダーソン局在を示すには、まず約200本のPMMAストランドをテーブル上に広げ、次に同数のポリスチレンストランドをPMMAの上に広げます。これらのストランドを混ぜ合わせ、脇に置いておきます。

PMMAのストランド40,000本とポリスチレンのストランド40,000本がランダムに混合されるまで、この手順を繰り返します。次に、ランダムに混合されたストランドを、一辺が約2.5インチの正方形のプリフォームに組み立てます。続いて、この種の工程を専門とする企業に依頼し、プリフォームを直径250 µmの光ファイバーに延伸させます。

これは、元のファイバーの断面積を約64,000分の1に減少させることに相当します。次に、ポリマー光ファイバーを液体窒素に約10分間浸し、きれいに破断できるようにします。液体窒素によってファイバーが急速に冷却され、冷却に伴い非常に脆くなります。

エタノール浴を準備し、65 °Cまで加温します。10分後、液体窒素から繊維を取り出し、速やかに半分に折断します。平滑な表面が得られる成功率は依然として約15%であるため、イメージング用に少なくとも20本の繊維を折断してください。この方法を用いて、サンプルの折断端を70%エタノールに約3分間浸漬させます。

この間に、エタノールがファイバー内のPMMA部位を溶解させ、ポリスチレンファイバーのみが残ります。次に、ファイバーをサンプルホルダーに配置し、各サンプルに厚さ10 nanometerの金パラジウム層をコーティングします。その後、コーティングしたサンプルを走査電子顕微鏡のチャンバーに設置し、0.9 micron径のファイバーを最高の分解能で観察できる倍率で、5 kilo electron voltの電子ビームを用いてサンプルの屈折率プロファイルのイメージングを行います。

光学的特性評価のために、約 25 centimeter 長のファイバーサンプルを準備します。その際、ファイバーを 37 °C に、ファイバーの切断に使用する曲面刃を 65 °C にあらかじめ温めておきます。これらの温度設定により、切断工程中に起こりうるファイバー先端の変形を防ぐことができます。次に、先端を垂直にきれいに切断できるよう、切断面上にファイバーを直線状に配置します。

次に、ブレードをファイバーの側面に配置し、素早く転がすようにして切断します。常にカミソリのブレードをファイバーに対して直角に保ってください。光学顕微鏡を用いてファイバーの先端を確認し、ファイバーの側面に対して垂直に切断されていることを確かめてください。

これにより、後の工程でのカップリング効率を向上させることができます。次に、各ファイバーの一端から1.5 mm離れた位置を保持し、0.3 µmの酸化アルミニウム研磨紙上で、1インチの長さの8の字を描くように1本ずつ研磨します。

チップ全体が研磨されるように、約8回ループさせます。次に、波長633 nmの光を放出するヘリウムネオンレーザーを、直径4 µmのSMF 630 HPファイバーに結合させます。これを実現するために、まず3自由度ステージ上に20倍の対物レンズを設置します。

また、2自由度を持つ平面ミラー2枚を設置します。まず、SMFファイバーを対物レンズの先端から8 mm離れた位置に配置し、次にミラーと対物レンズの位置を調整して、レーザー光がファイバーの先端に向くようにします。アライメントが完了したら、SMFファイバーの反対側をパワーメーターに接続します。

結合電力が1 mWになるまで、ミラーと対物レンズの位置を調整し続けます。ファイバー特性評価の測定には1 mWの電力で十分です。次に、SMF 630 HPファイバーをポリマー光ファイバーに結合させます。

電動ステージを使用します。この電動ステージは、デカルト座標系の3方向すべてに移動可能である必要があります。まず、横方向の制御を用いて2本のファイバーを互いに中心合わせします。次に、縦方向の変位を用いて、SMFファイバーをポリマーファイバーにできるだけ近づけます。

SMFファイバーとポリマーファイバーの間のエアギャップを小さくすると、ビームの広がりを抑えることができます。次に、セットアップ全体を、縦方向に移動する2台目の電動ステージ上に配置します。この2台目の電動ステージを使用して、ビームをCCDカメラに合わせます。

次に、光学顕微鏡と直角ミラーを用いてファイバーの位置を確認します。劈開または研磨工程によってポリマーファイバーの先端にわずかな傾きや変形が生じると、SMFとポリマーファイバーの間の最小エアギャップが制限される可能性があります。続いて、CCDカメラビームプロファイラーと40 x 対物レンズを用いて、ファイバーの出力を測定します。

まず、対物レンズホルダーのノブを使用して、ポリマーファイバーの境界をモニターするためにCCDカメラを飽和させます。CCD上でポリマーファイバーの境界が観察できることを確認してください。次に、CCDと対物レンズを固定したまま、電動ステージを用いてセットアップを40 x対物レンズから遠ざけるか近づけることで、CCDカメラ上の画像にピントを合わせます。

最後に、SMFから出射される入射ビームをポリマーファイバーの先端で横方向に走査し、ポリマーファイバーの異なる領域における局在化を観察します。消灯状態で、入射ビームの位置を変えて出射ビーム強度を測定します。入射ビームの5つの異なる位置でデータを収集し、20個のファイバーサンプルに対して測定を行うことで、計100回の異なる測定を実施します。

その後、ビームプロファイルの100回の異なる測定値を平均し、ファイバーの横方向アンダーソン局在を示します。ここに、研磨したポリマーファイバーチップの完成品を示します。ポリマーファイバーチップの電子顕微鏡画像は、このプロトコルに従うことで、ほとんどの領域が良好に研磨されることを示しています。

ポリメタクリル酸メチル繊維が溶解し、エタノールのみになると、ポリスチレン繊維だけが残ります。これが屈折率分布として知られるものであり、ポリスチレン繊維とポリメタクリル酸メチル繊維の配列を容易に表示することができます。ここに、5 cm伝搬後にCCDカメラで測定した強度プロファイルの例を示します。

赤色は局在プロファイルを、黄色は強度の裾野を示しています。この画像は、無秩序ファイバの横方向に局在したファイバのものです。