Fabbricazione e caratterizzazione di polimeri disordinati fibre ottiche per la Trasversale localizzazione di Anderson di Luce

Summary

Sviluppiamo e caratterizzare una fibra ottica polimerica disordinata che utilizza trasversale localizzazione Anderson come un meccanismo waveguiding romanzo. Questa fibra microstrutturata può trasportare un piccolo fascio localizzato con un raggio che è paragonabile al raggio del fascio di fibre ottiche convenzionali.

Abstract

Sviluppiamo e caratterizzare una fibra ottica polimerica disordinata che utilizza trasversale localizzazione Anderson come un meccanismo waveguiding romanzo. La fibra ottica polimerica sviluppato è composto di 80.000 filamenti di poli (metilmetacrilato) (PMMA) e polistirene (PS), che sono mescolati e trascinati in una sezione trasversale di fibra ottica quadrato con un lato di larghezza 250 pm casualmente. Inizialmente, ogni filo è di 200 micron di diametro e 8 centimetri di lunghezza. Durante il processo di miscelazione dei fili in fibra originali, le fibre si incrociano tra loro, tuttavia, un grande rapporto di stiro garantisce che il profilo di indice di rifrazione è invariante lungo la lunghezza della fibra per parecchie decine di centimetri. La grande differenza dell'indice di rifrazione di 0,1 tra i siti disordinati risultati in un piccolo raggio fascio localizzato che è paragonabile al raggio del fascio di fibre ottiche convenzionali. La luce di ingresso viene lanciato da una fibra standard di singolo modo ottico con il metodo testa a testa di accoppiamento e la near-field fascio in uscita dalla fibra disordinata viene ripreso con un obiettivo 40X e una camera CCD. Il diametro del raggio di uscita ben si accorda con i risultati attesi dalle simulazioni numeriche. La fibra ottica disordinata presentato in questo lavoro è la prima implementazione a livello di dispositivo di localizzazione di Anderson in 2D, e può potenzialmente essere utilizzato per il trasporto delle immagini e sistemi di comunicazione ottica a corto raggio.

Introduction

In un lavoro teorico di PW Anderson ^1, è stato dimostrato che in presenza di disordine in un sistema elettronico quantistico, si ferma il processo di diffusione e stati elettronici localizzati sviluppano. Anderson localizzazione è un fenomeno ondulatorio che può verificarsi anche per onde classiche come luce. Poiché la previsione teorica di localizzazione di Anderson in ottica ^2,3, ci sono stati molti sforzi per realizzare questo fenomeno sperimentalmente con onde elettromagnetiche ^4,5. Tuttavia, è stato molto difficile ottenere una forte localizzazione perché le sezioni trasversali di scattering ottiche sono spesso troppo piccole per il contrasto basso indice di rifrazione della maggior parte dei materiali ottici. Nel 1989, De Raedt et al. ⁶ hanno mostrato che è possibile osservare la localizzazione Anderson in un sistema ottico disordinato quasi-bidimensionale con contrasti bassi di indice di rifrazione. Essi hanno dimostrato che se il disturbo è confinata al piano trasversale di un puntelloagating onda in un mezzo longitudinalmente invariante, il fascio può rimanere confinato in una piccola regione in direzione trasversale a causa della forte dispersione trasversale. Trasversale localizzazione di Anderson è stato osservato in guide d'onda bidimensionali che sono stati creati utilizzando modelli di interferenza in un cristallo foto-refrattiva ^7. Silice fusa è l'altro mezzo che è stato utilizzato per l'osservazione di localizzazione trasversale Anderson ^8,9, dove disordinati guide d'onda vengono scritti con impulsi a femtosecondi lungo il campione. La differenza dell'indice di rifrazione di siti disordinati nei suddetti sistemi sono dell'ordine di 10 ^-4, quindi il raggio di localizzazione è piuttosto grande. Inoltre, le guide d'onda tipiche non sono di solito più lungo di qualche centimetro, pertanto, non può essere pratico per le applicazioni di guida d'onda. Si evidenzia che l'osservazione di traverso la localizzazione di Anderson in una guida d'onda unidimensionale disordinata stato riferito in precedenza in Ref ^10.

La fibra ottica sviluppata qui ha diversi vantaggi rispetto alle precedenti realizzazioni di traverso localizzazione Anderson per applicazioni guidata di onde ^11,12. Prima, la grande differenza di rifrazione 0,1 tra i siti disordine dei risultati fibre in un piccolo fascio localizzato paragonabile al raggio del fascio di fibre ottiche regolare. In secondo luogo, la fibra ottica polimerica disordinata può essere reso molto più lungo delle guide d'onda disordinati scritti esternamente in cristalli fotorifrattivi o silice fusa. Siamo stati in grado di osservare trasversale localizzazione di Anderson in un 60-cm-fibra lunga ^11. In terzo luogo, la fibra ottica polimerica disordinato è flessibile, rendendo più pratico per le applicazioni reali dispositivo di livello mondiale che si basano sul trasporto di onde di luce in fibre ^13.

Per fabbricare la fibra ottica disordinata, 40.000 fili di PMMA e 40.000 fili di PS erano casualmente mista, in cui ogni stred era lunga 8 centimetri di lunghezza e 250 micron di diametro. I filamenti casualmente miste sono stati assemblati in un quadrato di sezione preforma con un lato-larghezza di circa 2,5 pollici. La preforma è stato poi elaborato ad una fibra ottica quadrato con un lato di larghezza di circa 250 micron (Figura 1). Al fine di mescolare in modo casuale i fili in fibra originali, diffondiamo uno strato di PMMA filamenti in fibra su un grande tavolo, aggiunto uno strato di filamenti di fibra di PS, e poi li misti a caso insieme. La procedura è stata ripetuta molte volte fino ad ottenere una buona miscela casuale.

Abbiamo utilizzato un microscopio elettronico a scansione (SEM) per l'immagine del profilo d'indice di rifrazione della fibra ottica polimerica disordinata. Tecniche cleaving regolari come usando una lama tagliente riscaldata non possono essere utilizzati per preparare i campioni di fibre per la formazione immagine SEM di fine fibra di mappare suo profilo dell'indice di rifrazione, perché la lama danneggi la morfologia della fibra finale. Lucidatura della fibra ha un impatto negativo simile sulla °qualità e della fine della fibra. Per preparare i campioni di alta qualità per la formazione immagine SEM, siamo sommersi ogni fibra in azoto liquido per alcuni minuti e poi si è rotto la fibra, se fatto su campioni di fibre sufficienti, questo metodo si traduce in un paio di pezzi in fibra di buoni (circa il 15% di successo rate) con superfici di fascia molto alta qualità e liscia per la formazione immagine SEM. Abbiamo poi utilizzato un 70% di soluzione di alcool etilico a 60 ° C per circa 3 minuti per sciogliere i siti PMMA all'estremità della fibra; esposizione più lunga può disintegrare l'intera estremità della fibra. Abbiamo poi rivestito i campioni con Au / Pd e li mise nella camera di SEM. La zoomata Immagine SEM della fibra disordinata polimero ottico è mostrato in Figura 2. I siti sono grigio chiaro PS ed i siti scuri sono in PMMA. La larghezza totale dell'immagine è di 24 micron, dove le più piccole caratteristiche dimensioni in questa immagine sono ~ 0.9 micron, corrispondenti alle singole dimensioni del sito dei filamenti di fibra, dopo il processo di estrazione.

Al fine di caratteRize le proprietà di guida d'onda della fibra ottica disordinata, abbiamo utilizzato un laser He-Ne a 633 nm di lunghezza d'onda. Il laser He-Ne è accoppiata ad un singolo modo SMF630hp fibra ottica con un diametro del campo modalità di circa 4 micron, che viene poi Butt-accoppiati alla fibra ottica polimerica disordinata utilizzando uno stadio ad alta precisione motorizzato. L'uscita viene poi ripreso in una telecamera CCD beam profiler utilizzando un obiettivo 40X.

Nella prima serie di esperimenti, abbiamo scelto 20 differenti campioni di fibre disordinate, ogni 5 cm di lunghezza, la lunghezza di 5 cm è stato scelto in base alla lunghezza di propagazione nelle nostre simulazioni numeriche. Le simulazioni numeriche della fibra disordinata sono in genere richiede molto tempo, anche su un cluster di calcolo ad alte prestazioni con 1.100 elementi. La piena trasversale localizzazione Anderson per la lunghezza d'onda di 633 nm avviene solo dopo circa 2,5 cm di propagazione ^11,12, quindi, abbiamo deciso che la lunghezza di 5 cm è sufficiente per i nostri scopi. A causa della stocnatura hastic della localizzazione Anderson, abbiamo bisogno di ripetere entrambi gli esperimenti e le simulazioni per 100 realizzazioni, al fine di raccogliere dati statistici sufficienti per confrontare i valori sperimentali e numerici del diametro medio raggio. In pratica, 100 misure differenti sono ottenuti prendendo cinque misurazioni separate spazialmente su ciascuno dei 20 diversi campioni di fibre disordinati.

È abbastanza difficile preparare le fibre ottiche polimeriche disordinati per misure, rispetto a fibre ottiche di vetro. Ad esempio, non si può usare la congiunzione avanzate e strumenti di lucidatura e le tecniche che sono ben sviluppati per la fibra a base di silice standard. Una procedura raffinato per la scissione e la lucidatura fibre ottiche polimeriche è stata riportata da Abdi et al ^14,. Abbiamo usato i loro metodi con qualche piccola modifica per preparare i nostri campioni di fibre. Per aderire una fibra ottica polimerica disordinata, una curva lama di un taglierino viene riscaldata a 65 °, C, e la fibra a 37 ° C. La punta della fibra è allineata su una superficie di taglio in modo che un taglio perpendicolare può essere fatto. La lama è posizionato sul lato della fibra, e rapidamente rotolò. L'intero processo di sfaldatura dovrebbe essere fatto il più velocemente possibile per garantire che le temperature della lama e la fibra non cambiano notevolmente. Dopo fendendo la fibra e ispezionarlo al microscopio ottico, l'estremità della fibra è lucidato con fogli di lappatura della fibra standard (0,3 micron Thorlabs LFG03P ossido di alluminio lucidatura Paper) per garantire che eventuali piccole imperfezioni sono rimossi. Per lucidare l'estremità della fibra, si è svolta in un paio di pinzette con le pinze che tengono la fibra a circa 1,5 mm dalla superficie frontale di essere lucido. La fibra viene disegnata la carta nel lungo un pollice figura-8-shaped percorsi, circa otto volte. Lucidatura i risultati in fibra di bordi più regolari ad ispezione al microscopio ottico. Inoltre, la lucidatura facilita accoppiamento corretto di un locamacchia lizzata nella fibra, che a sua volta riduce l'attenuazione sia nel giunto e anche nella distanza di propagazione iniziale prima localizzato il punto è formato.

Abbiamo usato una telecamera CCD fascio profiler di immagine l'intensità del fascio di uscita. Il profilo di intensità di campo vicino è stata catturata con un obiettivo 40X. Per trovare i confini della fibra, abbiamo saturato il CCD aumentando la potenza della luce in arrivo dalla fibra SMF630hp. Dopo aver rilevato il profilo di intensità del fascio localizzato rispetto ai confini, abbiamo impostato il CCD fascio Profiler per l'opzione auto-esposizione. Abbiamo usato l'immagine del profilo di intensità per calcolare il raggio del fascio effettivo. Al fine di eliminare l'effetto del rumore ambientale, abbiamo calibrato nostra procedura di elaborazione dell'immagine per garantire che si ottiene il diametro del fascio atteso della fibra SMF630hp. Il valore medio misurato del raggio trave e le sue variazioni intorno al valore medio concorda bene con il numesimulazioni mochimico, come mostrato in rif. ^11. Il profilo del fascio di uscita nella fibra polimerica segue chiaramente un cambiamento nella posizione del fascio incidente come mostrato in Refs. ^11,12,13.

Un ampio studio dell'impatto dei parametri di progetto, quali le dimensioni del sito disordine e la lunghezza d'onda incidente sul raggio del fascio del fascio localizzato è stata presentata in Refs. ^12,15.

Protocol

1. Realizzazione di un Disordine fibra ottica polimerica

1. Diffondere circa 200 dei trefoli PMMA su un tavolo e diffondere lo stesso numero di trefoli PS sopra il PMMA. Mescolare e riempire i filamenti. Ripetere questa procedura fino a 40.000 fili di PMMA sono mescolati in modo casuale con 40.000 fili di PS.
2. Montare i fili a caso misti in una preforma quadrata con un lato larghezza di circa 2,5 pollici.
3. Disegnare la preforma in una fibra ottica con un diametro di 250 pm. La preforma viene disegnata Ottica Paradigm Incorporated utilizzando la loro procedura standard ^16.

2. Imaging l'indice di rifrazione Profilo della fibra Disordinata

1. Utilizzare un SEM come Topcon ABT all'immagine del profilo d'indice di rifrazione della fibra ottica risultante.
2. Immergere i campioni di polimero in fibra ottica in azoto liquido per circa 10 minuti e poi rompere a metà.
3. Immergere le punte spezzate dei campioni in alcool etilico. Keep la temperatura della soluzione a circa 65 ° C. Lasciare i campioni nella soluzione per circa 3 minuti, fino a quando l'alcol etilico scioglie i siti PMMA nella fibra.
4. Cappotto ogni campione con uno strato di 10 nm di spessore di Au / Pd e posizionare il campione nella camera del SEM.

3. Preparazione dei campioni di fibre per la caratterizzazione ottica

1. Preparare 5 centimetri campioni di fibre lunghe.
2. Scaldare una lama curva a 65 ° C, e la fibra a 37 ° C. Utilizzando le giuste temperature impedisce la deformazione della punta della fibra che può verificarsi nel processo di scissione.
3. Allineare la punta della fibra su una superficie di taglio, in modo che un pulito, taglio perpendicolare può essere fatto. Posizionare la lama sul lato della fibra, quindi fare ruotare rapidamente attraverso.
4. Ispezionare la punta della fibra usando un microscopio ottico per assicurarsi che la punta della fibra viene tagliata perpendicolarmente ai lati della fibra. Mantenere la lama di rasoio ad angolo retto nel processo cleaving per prevenire ribaltamento dei the punta.
5. Utilizzare una carta di lucidatura come Thorlabs LFG03P alluminio lucidatura carta ossido (0,3 micron) per lucidare i campioni di fibre. Per lucidare l'estremità della fibra, tenerlo in un paio di pinzette, con le pinze di presa della fibra a circa 1,5 mm dalla faccia da lucidare. Disegnare la fibra sopra la carta lungo un pollice di figura-8 a forma di sentieri, circa otto volte. Percorsi figura-8-sagomati garantiscono che l'intera punta è lucidato.

4. Misurare il fascio Profilo del Propagato fascio nei campioni di fibre

1. Coppia il laser He-Ne in una fibra SMF630hp utilizzando un obiettivo 20X e due specchi piani. Posizionare i specchi piani in stadi con due gradi di libertà. Posizionare l'obiettivo su un palco con tre gradi di libertà. Inizialmente mantenere la fibra SMF una distanza di 8 mm dalla punta obiettivo. Utilizzando le manopole sui supporti dello specchio e il titolare obiettivo, illuminare la luce laser per la punta della fibra. Collegare l'altro lato della SMF di un misuratore di potenza. Coppia di alimentazione nella SMF utilizzando le manopole ai titolari specchio così come le manopole trasversali sul supporto obiettivo. L'efficienza di accoppiamento può essere aumentata in modo significativo utilizzando la manopola di posizionamento longitudinale sul supporto obiettivo. Una potenza di 1 mW accoppiata è sufficiente per le misurazioni.
2. Coppia la fibra SMF630hp alla fibra ottica polimerica usando Thorlabs MAX343 stadio motorizzato. La fase motorizzato può essere spostato nelle tre direzioni cartesiane. Usando i gradi di libertà trasversali, la fibra SMF coppia al centro della punta della fibra polimerica. Utilizzando lo spostamento longitudinale del palcoscenico, posizionare la fibra SMF più vicino possibile alla fibra polimerica. Un piccolo traferro tra il polimero e fibra SMF riduce l'espansione della trave. Posizionare l'intera configurazione su un secondo stadio motorizzato che si muove in direzione longitudinale. Il secondo stadio motorizzato viene utilizzato per l'imaging come verrà descritto in 4.4.
3. Utilizzando un m otticaicroscope e uno specchio rettangolo, monitorare la posizione della SMF e fibra polimerica per assicurarsi che il SMF è accoppiato al centro della fibra polimerica, e che il traferro tra le due fibre è il più piccolo possibile. Una piccola inclinazione nella punta fibra polimerica o deformazioni nella punta fibra polimerica causa di scindere lucidare o processi può limitare il minimo traferro tra SMF e fibra polimerica. Un piccolo spazio tra le fibre è necessaria perché la fibra SMF dovrebbe essere in grado di muoversi sulla punta della fibra polimerica. Collocare il SMF al centro della fibra polimerica unicamente per facilitare il processo di accoppiamento. Durante l'esperimento, trasversalmente spazzare il fascio incidente che esce dal SMF attraverso la punta della fibra polimerica per osservare localizzazione in diverse regioni del fibre polimeriche.
4. Utilizzare una telecamera CCD fascio profiler per misurare l'uscita della fibra usando un obiettivo 40X. Prima, saturare la camera CCD per monitorare i confini della fibra polimerica.Usando le manopole sul supporto obiettivo, assicurarsi che i confini della fibra del polimero possono essere osservati sul CCD.
5. Utilizzare uno stadio motorizzato che muove l'intero setup (descritto in 4.2) longitudinalmente, assicurarsi che l'immagine sul CCD è focalizzata spostando il setup via o verso l'obiettivo 40X mentre il CCD e obiettivo sono fissi. Come metrica per la messa a fuoco, un profilo immaginata sul CCD dovrebbe avere la dimensione minima di messa a fuoco. Una immagine focalizzata del fascio non dovrebbe essere avvolgimento visivamente.
6. Muovere il fascio incidente sulla punta ingresso e misurare l'intensità del raggio di uscita per varie posizioni fascio incidente. Raccogliere i dati per 5 diverse posizioni del fascio incidente. Effettuare le misurazioni per 20 campioni di fibre e di raccogliere un totale di 100 misure diverse.

Representative Results

L'immagine SEM della fibra lucidato è mostrato in Figura 1. L'immagine SEM in Figura 1 mostra che, per la maggior parte delle regioni di punta della fibra, la qualità polacca è buona. L'immagine SEM dei campioni di fibre con le loro estremità disciolti in soluzione di alcool etilico, la Figura 2, mostra i siti di PMMA in siti scure e PS in sfumature di grigio. L'immagine SEM di Figura 2 è ingrandita su una larghezza di 24 micron della fibra. Per l'imaging SEM, i campioni di fibre sono rivestite con uno strato di 10-nm di Au / Pd.

Il setup misura usata in questo esperimento è mostrato in Figura 3. L'intensità del fascio di uscita misurata dal CCD fascio Profiler in un campione della lunghezza di 5 centimetri è mostrato in Figura 4. Il profilo di intensità mostrano che la trave è localizzato nella direzione trasversale della fibra disordinata. Al fine di immagine del profilo di intensità, l'opzione di correzione del rumore ambiente CCD c amera dovrebbe essere accesa. Tuttavia, questa opzione potrebbe non essere completamente efficace. Per calcolare il livello di rumore totale nell'immagine profilo di intensità, abbiamo anche imaged il profilo di intensità della fibra SMF630hp e il diametro del campo del modo è stato calcolato. Per un livello di rumore prescelto, la determinazione sperimentale di diametro campo del modo è abbinato con i dati riportati costruttore. Lo stesso valore del livello di rumore deve essere utilizzato per l'interpretazione della figura 4. Cento differenti profili di intensità dei fasci localizzati sono misurati spostando la fibra SMF630hp ingresso nelle posizioni trasversali presso l'accoppiamento con la fibra polimerica per 20 campioni diversi Cento misure dei fascio profili vengono mediati per mostrare la localizzazione trasversale Anderson in un disordinato fibra ottica come presentato nella Rif. ^​​11.

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Figura 1. Fibra lucido Face. Immagine SEM della punta della fibra lucido. La qualità di lucidatura è buona per la maggior parte delle regioni della punta della fibra.

Figura 2. Rifrazione Profile Index. Il profilo di indice di rifrazione della fibra polimerica disordinata. Siti di PMMA sono di colore più scuro e siti di PS sono di colore grigio chiaro. La larghezza dell'immagine è di 24 micron.

Figura 3. Setup sperimentale. L'apparato sperimentale per misure. CCD (A) e oggettivo (C) sono montati uno sopra l'altro. Un angolo specchio di destra (D) consente la visualizzazione della fibra (E) da più angolazioni per garantire un accoppiamento corretto.

Figura 4. Profilo di intensità. Profilo di intensità del fascio propagato dopo 5 cm di propagazione. La larghezza dell'immagine è di 250 micron.

Discussion

Nel processo di estrazione della fibra, il profilo dell'indice di rifrazione non rimane costante per più di un metro, sia per gli incroci dei fili in fibra originali e anche a causa delle variazioni del diametro delle fibre nel processo di estrazione. Ci aspettiamo che un processo di estrazione più stabile contribuisce a fabbricare una fibra ottica che è invariante su lunghezze di fibra più lunghi rispetto a quello riportato qui.

Nel preparare un campione per la formazione immagine SEM della punta della fibra, occorre assicurare che il campione rimane nella soluzione alcolica al 70% e etile per un tempo sufficientemente lungo (~ 3 min) e rimane in temperatura (65 ° C) . Se il campione rimane nella soluzione alcolica etile e molto più lungo del necessario per 3 min etch via lo strato superiore del PMMA, la punta della fibra può disintegrarsi.

In testa a testa di accoppiamento della fibra SMF630hp alla fibra polimerica, è importante che la fibra incidente è il più vicino possibile ai la fibra polimerica di evitare sostanziale espansione diffrazione del fascio prima che raggiunga la fibra disordinata. Abbiamo anche bisogno di utilizzare un fluido index-matching per ridurre la dispersione della luce al giunto.

Dovremmo notare che lo spostamento del campo incidente attraverso la faccia terminale della fibra disordinata cambia la posizione del fascio localizzato in uscita. Nelle diverse regioni della fibra polimerica, osserviamo variazioni del raggio fascio localizzato, come previsto dalla natura statistica della localizzazione Anderson. Alcune di questa variazione può essere attribuita anche alla qualità del polacco della fine della fibra. Come immagine SEM delle fibre spettacoli levigate, la qualità dello smalto non è uguale in tutte le regioni l'estremità della fibra. A causa di questa limitazione, abbiamo utilizzato la più piccola macchia localizzato che abbiamo trovato attraverso l'estremità della fibra per ogni esperimento e poi effettuato le restanti misurazioni in prossimità del punto migliore localizzata.

ontent "> Rimozione del rumore ambientale è cruciale per calcolare il raggio del fascio del fascio localizzato. Se non vengono rimossi, il rumore ambiente può causare un errore nel calcolo del raggio fascio delle immagini CCD fascio Profiler. Abbiamo calibrato nostra analisi garantire che si ottiene il valore corretto del diametro del fascio di circa 4 micron per la fibra SMF630hp a 633 nm di lunghezza d'onda.

Modellazione numerica della localizzazione della luce in fibre polimeriche disordinati in Rif. ^​​11,12 per materiali lossless mostra che l'onda può assolutamente essere limitato nelle direzioni trasversali della fibra senza alcuna attenuazione in potenza. D'altro canto, il materiale di assorbimento nelle nostre fibre è notevole e l'attenuazione della fibra è al livello di 0,5 - 1,0 dB / cm. Ci aspettiamo che la perdita sia notevolmente inferiore a fibre disordinate a base di silice.

In futuro, prevediamo il miglioramento delle proprietà di perdita di fibre disordinati, migliorando la fabbricazione procedure (ad esempio, un processo di estrazione più stabile) e anche l'utilizzo di componenti inferiore di perdita. La fibra ottica disordinata ideale sarà composta da vetro con fori d'aria a caso al rapporto del 50%. Come abbiamo mostrato in rif. ^12, ci aspettiamo che più grande differenza nelle indici di rifrazione dei due materiali comporta ridotte variazioni del raggio fascio localizzato. Recentemente abbiamo presentato i nostri primi risultati in fibra ottica di vetro con disordinati siti aria buche rif. ¹⁷ e anticipare i futuri progressi in fibre disordinate a base di vetro.

Materials

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