Изготовление и характеристика неупорядоченных полимерных оптических волокон для поперечной Андерсон локализация света

Summary

Мы разрабатываем и характеризуют неупорядоченного полимера оптического волокна, которое использует поперечной локализации Андерсона в качестве механизма распространения излучения романа. Это микроструктурированных волокон может транспортировать малых локализованных пучка с радиусом, что сопоставимо с радиусом пучка обычных оптических волокон.

Abstract

Мы разрабатываем и характеризуют неупорядоченного полимера оптического волокна, которое использует поперечной локализации Андерсона в качестве механизма распространения излучения романа. Разработанные полимера оптического волокна состоит из 80 000 нитей поли (метилметакрилата) (ПММА) и полистирола (PS), который случайно смешаны и втягивается в квадратное поперечное сечение оптического волокна со стороной шириной 250 мкм. Первоначально, каждая прядь составляет 200 мкм в диаметре и 8 дюймов длиной. В процессе перемешивания оригинального волокна нити, волокна пересекают друг друга, однако большая степень вытяжки гарантирует, что профиль показателя преломления инвариантно вдоль длины волокна в течение нескольких десятков сантиметров. Большая разность показателей преломлени между 0,1 неупорядоченной результат сайтов в малых локализованных радиус пучка, что сопоставимо с радиусом пучка обычных оптических волокон. Входного света запускается из стандартного одномодового оптического волокна с использованием приклада метода сильной связи и неаR-поле выходного пучка из неупорядоченного волокно визуализируют с помощью объектив 40Х и ПЗС-камеры. Диаметр выходного пучка хорошо согласуется с ожидаемыми результатами численного моделирования. Неупорядоченных оптического волокна, представленные в этой работе является первым устройством, реализация на уровне локализации 2D Андерсон, и потенциально может использоваться для перевозки изображения и ближнемагистральный оптических систем связи.

Introduction

В теоретической работе PW Anderson ^1, было показано, что в присутствии беспорядка в квантовой электронной системы, процесс диффузии остановках и локализованных электронных состояний развиваются. Локализация Андерсона представляет собой волну явление, которое может иметь место и для классических волн, таких как свет. Поскольку теоретическое предсказание локализации Андерсона в оптике ^2,3, было много усилий по реализации этого явления экспериментально с электромагнитными волнами ^4,5. Тем не менее, было очень трудно достичь сильной локализации поскольку оптические сечения рассеяния часто слишком малы из-за низкой контрастности показатель преломления большинство оптических материалов. В 1989 году De Raedt соавт. ⁶ показал, что можно наблюдать локализации Андерсона в квази-двумерной неупорядоченной оптическая система с низким показателем индекса контрастов. Они показали, что если расстройство приурочена к поперечной плоскости опорыраспространяющихся волн в продольном инвариантной среде, луч может оставаться ограничена небольшой области в поперечном направлении из-за сильного поперечного рассеяния. Поперечная локализация Андерсона было впервые обнаружено в двумерных волноводов, которые были созданы с помощью интерференционных картин в фото-преломления кристалла ^7. Плавленый кварц является другой носитель, который был использован для наблюдения поперечной локализации Андерсона ^8,9, где неупорядоченных волноводов написаны с использованием фемтосекундных импульсов вдоль образца. Разность показателей преломления неупорядоченных сайтов в вышеупомянутой системы порядка 10 ^-4, так что радиус локализации является довольно большим. Кроме того, типичные волноводы, как правило, не более нескольких сантиметров, поэтому, они не могут иметь практическое значение для управляемых волны приложений. Отметим, что наблюдения локализации Андерсона в поперечном одномерных неупорядоченных волновода сообщалось ранее в ReF ^10.

Оптического волокна разработали здесь имеет ряд преимуществ по сравнению с предыдущим реализациям поперечной локализации Андерсона для направленной волны приложений ^11,12. Во-первых, большой разницы преломления между 0,1 расстройство участков волокна приводит к небольшому локализованных луч сравнима с радиусом пучка регулярных оптических волокон. Во-вторых, полимер неупорядоченной оптическое волокно может быть сделано намного больше, чем неупорядоченные волноводов написаны внешне в фоторефрактивные кристаллы или плавленого кварца. Мы имели возможность наблюдать поперечной локализации Андерсона в 60-см длиной волокна ^11. В-третьих, неупорядоченного полимера оптического волокна является гибкой, что делает его практичным для реального мира на уровне устройства, приложения, зависящие от транспорта световых волн в слоях ^13.

Для изготовления неупорядоченной оптическое волокно, 40000 нити ПММА и 40000 нити PS были случайным смешанных, где каждая ули составила 8 см в длину и 250 мкм в диаметре. Случайно смешанных нитей были собраны в квадратное поперечное сечение преформы с боковой ширину около 2,5 дюймов. Заготовку затем обращается к площади оптического волокна со стороной ширину примерно 250 мкм (рис. 1). Для того, чтобы случайно комбинацию оригинального волокна нити, выкладываем слой ПММА нити волокна на большом столе, добавил слой нитей PS волокна, а затем случайно смешали их вместе. Процедуру повторяют несколько раз, пока смесь хорошо случайным не был получен.

Мы использовали сканирующий электронный микроскоп (SEM) для изображения профиля показателя преломления неупорядоченного полимера оптического волокна. Регулярные расщепления методов, таких как острый нагретый лезвие не могут быть использованы для получения образцов волокна для визуализации SEM торца световода, чтобы сопоставить ее профиль показателя преломления, так как повреждение лопастей морфологии волокна. Полировка волокна имеет аналогичное негативное влияние на гоE Качество торца волокна. В целях подготовки высококачественных образцов для РЭМ изображений, мы погрузились каждый слой в жидком азоте в течение нескольких минут, а затем сломал волокна; если все сделано на достаточно образцов волокна, этот метод приводит к несколько хороших отрезков волокон (около 15% успеха ставка) с очень высоким качеством и гладкие торцевые поверхности для визуализации SEM. Затем мы использовали 70%-ный спиртовой раствор при 60 ° С в течение примерно 3 мин, чтобы растворить ПММА сайтов на конец волокна; длительное воздействие может распадаться весь конец волокна. Мы затем покрывают образцов с Au / Pd и поместили их в камеру SEM. Увеличенная SEM образ неупорядоченного полимера оптического волокна показано на рисунке 2. Светло-серые участки PS и темные участки ПММА. Общая ширина изображения составляет 24 мкм, где мельчайших деталей размерами в этом изображении ~ 0,9 мкм, что соответствует индивидуальным размерам места пряди волокон, после розыгрыша процесса.

Для того, чтобы characteРизе волноводных свойств неупорядоченных оптического волокна, мы использовали гелий-неонового лазера на 633 нм. He-Ne-лазер соединен с одной модой SMF630hp оптическое волокно с диаметром поля моды около 4 мкм, которые затем соединены встык с неупорядоченной полимера оптического волокна использованием высокоточной моторизованных этапе. В этом случае результатом отображается на ПЗС-камера для профилирования луча использованием 40X цели.

В первой серии экспериментов мы выбрали 20 различных неупорядоченных образцов волокна, каждое 5 см длиной, 5 см, длина была выбрана, чтобы соответствовать длины распространения в нашей численного моделирования. Численного моделирования неупорядоченных волокна, как правило, очень много времени, даже на высокой производительности кластерных вычислений с 1100 элементами. Полная поперечная локализации Андерсона для длины волны 633 нм происходит только после того, как около 2,5 см распространения ^11,12, поэтому мы решили, что 5 см длиной достаточно для наших целей. Из-за STOChastic характер локализации Андерсона, нам нужно повторить так экспериментов и моделирования для 100 реализаций, для того, чтобы собрать достаточной статистики для сравнения экспериментальных и численных значений среднего диаметра луча. На практике 100 различных измерений получены путем принятия пяти пространственно разделенных измерений на каждой из 20 различных неупорядоченных образцов волокна.

Это довольно трудно подготовить неупорядоченных полимерных оптических волокон для измерений, по сравнению со стеклянными оптическими волокнами. Например, никто не может воспользоваться расширенным расщепляющие и шлифовальные инструменты и методы, которые хорошо развиты для стандартной основе диоксида кремния волокна. Уточненной методике для расщепления и полировки полимерных оптических волокон сообщили Абди и др. ^14;. Мы использовали их методы с некоторыми незначительными изменениями, чтобы подготовить наш образцов волокна. Для того, чтобы расщепить полимер неупорядоченной оптическое волокно, изогнутый X-Acto лезвие нагревается до 65 °; С, а волокна до 37 ° С. Кончик волокно выравнивается по режущей поверхности так, чтобы чистое, перпендикулярного разреза могут быть сделаны. Лезвий размещен на стороне волокна, и быстро развернута в поперечнике. Весь процесс расщепление должно быть сделано как можно быстрее, чтобы гарантировать, что температура лопасти и волокна не изменяется значительно. После расщепления волокна и рассматривали ее с помощью оптического микроскопа, конец волокна полируется с использованием стандартного волокна притирка листов (0,3 мкм Thorlabs LFG03P Оксид алюминия Полировка бумаги), чтобы гарантировать, что любые незначительные недостатки удаляются. Для полировки волокна конца, оно проводится в пинцетом с помощью пинцета проведения волокна около 1,5 мм от торца, отполированную. Волокно вытягивают над бумагой в один дюйм длинная фигура-8-форму путей, примерно в восемь раз. Полировка волокна обеспечивает более плавное края, как осмотрел под оптическим микроскопом. Кроме того, полировка облегчает надлежащую связь с Locaванный место в волокна, которые, в свою очередь, уменьшает затухание как в муфте, а также в начальное расстояние распространения до локализованного места формируется.

Мы использовали ПЗС-камера для профилирования луча изображения интенсивность выходного пучка. Интенсивности ближнего поля профиля было снято с использованием 40X цели. Для того чтобы найти границы волокно, мы насыщенный CCD за счет увеличения мощности входящего светового излучения от SMF630hp волокна. После обнаружения профиль интенсивности локализованного пучка относительно границ, мы устанавливаем CCD профиля луча к автоматической экспозиции вариант. Мы использовали изображением профиля интенсивности для того, чтобы рассчитать эффективный радиус пучка. Для того чтобы устранить эффект окружающего шума, мы калиброванный наши процедура обработки изображений, чтобы получить ожидаемого диаметра луча SMF630hp волокна. Среднее значение измеренного значения радиуса пучка и его вариации вокруг среднего значения хорошо согласуются с Numerical моделирования, как показано в работе. ^11. Профиль выходного пучка в слое полимера, очевидно, следует изменение положения падающего луча, как показано в работах. ^11.12.13.

Проведено комплексное исследование влияния конструктивных параметров, таких как расстройства сайте размеров и длины волны падающего на радиус пучка локализованных луч был представлен в работах. ^12,15.

Protocol

1. Изготовление неупорядоченных полимерных оптических волокон

1. Распространение около 200 прядей ПММА на стол и распространение такого же количества нитей PS в верхней части ПММА. Перемешать и упаковать прядей. Повторяйте эту процедуру до 40000 нитей PMMA не случайно смешаны с 40 000 нитей PS.
2. Соберите случайно смешанных нитей в квадратную заготовку со стороной шириной около 2,5 дюйма.
3. Проведем заготовку в оптическое волокно диаметром 250 мкм. Заготовку обращается на Paradigm оптика зарегистрирована на их стандартные процедуры ^16.

2. Визуализация профиль показателя преломления волокна неупорядоченных

1. Использование SEM, такие как Topcon ABT к изображению профиле показателя преломления, полученного оптического волокна.
2. Погружение полимерных оптических волокон образцов в жидком азоте в течение примерно 10 мин, а затем разорвать на две части.
3. Погружение сломанной концы образцов в этиловом спирте. Keер температуру раствора при температуре около 65 ° С. Оставьте образцов в растворе в течение примерно 3 мин, пока этилового спирта не растворяется ПММА сайтов в волокне.
4. Пальто каждого образца с 10-нм-толстым слоем Au / Pd и поместить образец в камере РЭМ.

3. Подготовка образцов волокна для оптических характеристик

1. Подготовить 5 см в длину образцов волокна.
2. Нагрейте изогнутым лезвием до 65 ° C, а слой до 37 ° C. Использование правильной температуры предотвращает деформацию торца волокна, которые могут возникнуть в процессе расщепления.
3. Выравнивание кончик волокна на режущей поверхности, так что чистый, перпендикулярной разрезать могут быть сделаны. Поместите лезвие на стороне волокна, а затем быстро катятся.
4. Осмотрите торца волокна с помощью оптического микроскопа, чтобы убедиться, фломастер расщепляется перпендикулярно волокна сторон. Хранить лезвие под прямым углом в расщеплении процесс, чтобы предотвратить наклон йэлектронной чаевые.
5. Используйте полировки бумаги, такой как Thorlabs LFG03P Оксид алюминия Полировка Бумага (0,3 мкм) до полировки волокна образцов. Для полировки волокна конца, держать его в пинцет, с помощью пинцета захвата волокна около 1,5 мм от лица, отполированную. Нарисуйте слой над бумаги в один дюйм длинная фигура-8-форму путей, примерно в восемь раз. Рисунок-8-формы пути, чтобы весь кончик полируется.

4. Измерение Профиль пучка Размножается пучка в образцов волокна

1. Пара гелий-неонового лазера в SMF630hp волокна с использованием 20X объективных и двумя плоскими зеркалами. Поместите плоские зеркала на сценах с двумя степенями свободы. Поместите цель на сцене с тремя степенями свободы. Первоначально сохранить волокна SMF на расстоянии 8 мм от цели чаевые. С помощью ручки на зеркало держатели и цель держатель, освещают лазерным светом на кончик волокна. Соединение с другой стороны SMF для измерителя мощности. Пара власть в SMF помощью ручки на Зеркало владельцев, а также поперечные выступы на цели держателя. Эффективность связи может быть значительно увеличена с помощью продольных ручку позиционирование на цель держателя. Сочетании мощностью 1 мВт достаточно для измерений.
2. Пара SMF630hp волокна полимера оптического волокна с использованием MAX343 Thorlabs моторизованных этапе. Моторизованный этап может быть перемещен в три декартовых направлениях. Использование поперечных степеней свободы, пара волокно SMF к центру наконечника полимерного волокна. Использование продольного смещения сцене, поместить волокно SMF как можно ближе к слою полимера. Меньший воздушный зазор между SMF и полимерные волокна уменьшает расширение пучка. Поместить все настройки на второй стадии моторизованный, который перемещается в продольном направлении. Второй механизированный ступень используется для получения изображения, как будет описано в п. 4.4.
3. С помощью оптического мicroscope и прямоугольного зеркала, контролировать положение SMF и полимерные волокна, чтобы убедиться, что SMF соединен в центре полимерного волокна, а воздушный зазор между двумя волокон как можно меньше. Небольшой наклон в наконечнике полимерное волокно или деформаций в наконечнике полимерного волокна из-за расщепления или полировки процессы могут ограничить минимальный воздушный зазор между SMF и полимерные волокна. Небольшой зазор между волокнами необходима, так как волокна SMF должны быть в состоянии передвигаться на кончике полимерного волокна. Поместите SMF в центре полимерного волокна исключительно, чтобы сделать процесс соединения легче. В ходе эксперимента, поперечно развертки падающего пучка, который выходит из SMF через кончик полимерного волокна наблюдать локализации в различных регионах полимерного волокна.
4. С помощью ПЗС-камера луч профилировщик для измерения выходе волокна использованием объектив 40Х. Во-первых, насыщают ПЗС-камеры для наблюдения за границами полимерного волокна.Используя кнопки на цель держатель, убедитесь, что границы полимерное волокно можно наблюдать на ПЗС.
5. Используйте моторизованного столика, которая перемещает всю установку (описанных в 4.2) в продольном направлении, убедитесь, что изображения на ПЗС фокусируется перемещением установки прочь или к 40X цель в то время как CCD и объективные фиксированы. Как метрики для фокусировки, отображаемого профиль на ПЗС должна иметь минимальный размер в фокусе. Сфокусированное изображение пучка не должно быть визуально обмотки.
6. Переместить падающего пучка на входе наконечника и измерения интенсивности выходного пучка для разных положений падающего пучка. Сбор данных на 5 различных положениях падающего пучка. Проводить измерения в течение 20 образцов волокна и собрать в общей сложности 100 различных измерений.

Representative Results

СЭМ-изображение полированной волокон показан на рисунке 1. СЭМ-изображение на рисунке 1 показывает, что для большинства регионов торца волокна, польские качество хорошее. СЭМ-изображение образцов волокна, концы которых растворяют в этиловом спирте раствор рисунке 2, показывает ПММА сайтов в темной и PS сайтов в серый цвет. СЭМ-изображение на рисунке 2 увеличится, в 24 мкм ширина волокна. Для SEM изображений, образцов волокна покрыты 10 нм толстый слой Au / Pd.

Измерительной установки, используемые в этом эксперименте показано на рисунке 3. Интенсивности выходного пучка измеряется CCD луч профилировщик в образце длиной 5 см показано на рисунке 4. Профиль интенсивности показывают, что луч локализовано в поперечном направлении неупорядоченных волокна. Для того, чтобы изображение профиля интенсивности, окружающая вариант коррекции шума CCD C Amera должен быть включен. Однако этот вариант не может быть полностью эффективной. Для того, чтобы рассчитать общий уровень шума в изображении профиля интенсивности, мы также отображаемого профиль интенсивности SMF630hp волокна и диаметр поля моды была рассчитана. Для выбранного уровня шума, экспериментальное измерение диаметра моды поля сочетается с представленным данным производителем. То же самое значение уровня шума должна быть использована для интерпретации рисунке 4. Сто различных профилей интенсивности локализованных пучков измеряется перемещение волоконным входом SMF630hp в поперечном должности в связи с полимерное волокно для 20 различных образцов Сто измерения профиля пучка усредняются, чтобы показать поперечной локализации Андерсона в неупорядоченной Оптическое волокно, представленные в работе ^11.

ighres.jpg "SRC =" / files/ftp_upload/50679/50679fig1.jpg "/>
Рисунок 1. Полированной оптоволоконной лица. SEM изображение полированного наконечника волокна. Качество польских хорош для большинства регионов торца волокна.

Рисунок 2. Профиль показателя преломления. Профиль показателя преломления неупорядоченных полимерных волокон. PMMA сайты находятся в более темный цвет и PS сайтов светло-серые. Ширина изображения составляет 24 мкм.

Рисунок 3. Экспериментальной установки. Экспериментальной установки для измерений. ПЗС-камера (A) и объективного (С) установлены поверх друг друга. Прямоугольный зеркало (D) позволяет просматривать волокон (E) с разных углов для обеспечения надлежащего сцепления.

Рисунок 4. Профиль интенсивности. Профиль интенсивности пучка распространяются через 5 см распространения. Ширина изображения составляет 250 мкм.

Discussion

В процессе ничья волокна, профиль показателя преломления не остается постоянным в течение более чем на метр, и из-за кроссоверов оригинального волокна нити, а также из-за вариации диаметра волокна в розыгрыше процесса. Мы полагаем, что более стабильные ничья процесс поможет в изготовлении оптического волокна, инвариантное по большей длины волокна по сравнению с представленные здесь.

При подготовке образца для SEM изображения торца волокна, мы должны гарантировать, что образец остается в 70% спиртовой раствор электронной метил в течение достаточно длительного времени (~ 3 мин) и остается при правильной температуре (65 ° C) . Если образец остается в спиртовом растворе электронной метил гораздо дольше, чем 3 минуты, необходимые для травления от верхнего слоя ПММА, торца волокна может распасться.

В стыкового сопряжения SMF630hp волокна в полимерной нити, важно, что падающий волокно является как можно ближе к полимерного волокна, чтобы избежать значительного расширения дифракционный пучок прежде чем он достигнет неупорядоченного волокна. Нам также необходимо использовать индекс сопоставления жидкости для уменьшения рассеяния света в месте соединения.

Следует отметить, что перемещение поля, падающего на торце неупорядоченных волокон изменяет положение локализованного пучка на выходе. В разных регионах полимерное волокно, мы наблюдаем изменения в локализованной радиус пучка, как и ожидалось от статистической природы локализации Андерсона. Частично эту разницу также можно отнести к качеству польских торца волокна. Как СЭМ-изображение полированного показывает волокна, качество польского не то же самое во всех регионах волокна. Из-за этого ограничения, мы использовали наименьшее локализованных место, которое мы могли бы найти через торец волокна для каждого эксперимента, а затем проводили измерения оставшихся в окрестности лучших локализованных месте.

ontent "> Удаление фонового шума является критическим для расчета радиуса пучка локализованного пучка. Если не удалить, окружающего шума может привести к ошибке в расчете радиуса пучка от ПЗС луч изображения профилировщик. Мы калиброванный наш анализ гарантировать что мы получим правильное значение пучка диаметром около 4 мкм для SMF630hp волокна на 633-нм.

Численное моделирование локализации света в полимерных волокон неупорядоченном в работе ^11,12 без потерь материалов показывает, что волна может быть полностью заключен в поперечном направлениях волокна без затухания в силу. С другой стороны, материал поглощение в нашей волокон значительно и волокна затухание на уровне 0,5 - 1,0 дБ / см. Мы ожидаем, что потери значительно ниже, в основе диоксида кремния неупорядоченных волокон.

В будущем, мы ожидаем улучшения потери свойств неупорядоченных волокон путем улучшения изготовления PRocedure (например, более стабильный процесс ничья), а также с использованием более низких потерь компонентов. Идеальный неупорядоченных оптического волокна будет состоять из стекла со случайными воздуха отверстия в 50% соотношении. Как было показано в работе. ^12, мы ожидаем, что чем больше разница в преломления двух материалов приводит к снижению вариаций локализованных радиус пучка. Недавно мы представили наши первые результаты в стеклянных оптического волокна с неупорядоченной отдушину в работе сайтов. ¹⁷ и предвидеть будущие прогресса в основе стекла неупорядоченных волокон.

Materials

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