Fabrication et caractérisation des polymères désordonnés fibres optiques pour Transverse localisation d'Anderson de la lumière

Summary

Nous développons et caractériser une fibre optique polymère désordonnée qui utilise transversale localisation d'Anderson comme un mécanisme de guidage d'onde du roman. Cette fibre microstructurée peut transporter un petit faisceau localisé, avec un rayon qui est comparable au rayon du faisceau de fibres optiques classiques.

Abstract

Nous développons et caractériser une fibre optique polymère désordonnée qui utilise transversale localisation d'Anderson comme un mécanisme de guidage d'onde du roman. La fibre optique en polymère mis au point est composé de 80000 brins de poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA) et de polystyrène (PS), qui sont mélangés de manière aléatoire et entraînés dans une section transversale de la fibre optique carrée avec une largeur latérale de 250 um. Initialement, chaque brin est de 200 m de diamètre et 8 cm de long. Au cours du processus de mélange des brins de fibres d'origine, les fibres se croisent l'un l'autre, mais un grand rapport d'étirage garantit que le profil d'indice de réfraction ne varie le long de la longueur de la fibre de plusieurs dizaines de centimètres. La grande différence d'indice de réfraction de 0,1 entre les sites désordonnés en résulte un faible rayon de faisceau localisé qui est comparable au rayon du faisceau de fibres optiques classiques. La lumière d'entrée est lancé à partir d'une fibre optique monomode standard en utilisant la méthode de couplage bout à bout et l'AENfaisceau de sortie r-champ à partir de la fibre désordonnée est imagé en utilisant un objectif 40X, et une caméra CCD. Le diamètre du faisceau de sortie est en bon accord avec les résultats attendus des simulations numériques. La fibre optique désordonnée présentée dans ce travail est la première mise en œuvre au niveau des dispositifs de localisation d'Anderson 2D, et peut potentiellement être utilisé pour les systèmes de communications optiques à courte distance de transport de l'image et.

Introduction

Dans un ouvrage théorique par PW Anderson ^1, il a été montré qu'en présence de désordre dans un système électronique quantique, les arrêts de processus de diffusion et les états électroniques localisés se développent. Localisation d'Anderson est un phénomène d'onde qui peuvent également se produire pour les ondes classiques tels que la lumière. Depuis la prédiction théorique de la localisation d'Anderson dans l'optique ^{de 2,3,} il ya eu beaucoup d'efforts pour réaliser ce phénomène expérimentalement avec des ondes électromagnétiques ^4,5. Cependant, il a été très difficile d'obtenir la localisation forte parce que les sections efficaces de diffusion optiques sont souvent trop petits en raison du faible contraste d'indice de réfraction de la plupart des matériaux optiques. En 1989, De Raedt et al. ⁶ a montré qu'il est possible d'observer la localisation d'Anderson dans un système optique désordonné quasi-bidimensionnel avec de faibles contrastes d'indice de réfraction. Ils ont montré que si la maladie est confinée au plan transversal d'un propagating onde dans un milieu longitudinalement invariante, le faisceau peut rester confinée à une petite région dans la direction transversale, en raison de la forte dispersion transversale. Transversal localisation d'Anderson a été observée pour la première guides d'ondes bidimensionnelles qui ont été créés en utilisant des dessins d'interférence dans un cristal photoréfractif ^7. Silice fondue est l'autre moyen qui a été utilisé pour l'observation des transversal localisation d'Anderson ^8,9, où des guides d'ondes désordonnés sont écrits en utilisant des impulsions femtosecondes long de l'échantillon. La différence d'indice de réfraction de sites désordonnés dans les systèmes mentionnés ci-dessus sont de l'ordre de 10 ^-4, de sorte que le rayon de localisation est assez grand. En outre, les guides d'ondes typiques sont généralement pas plus de quelques centimètres, par conséquent, ils peuvent ne pas être pratique pour des applications ondes guidées. Nous rappelons que l'observation de la transversale localisation d'Anderson dans un guide d'onde désordonné unidimensionnel a été signalé plus tôt dans Ref ^10.

La fibre optique développé ici présente plusieurs avantages par rapport aux réalisations antérieures du transversale localisation d'Anderson pour les applications ondes guidées ^11,12. Tout d'abord, la grande différence de réfraction de 0,1 entre les sites de trouble des résultats de la fibre dans un petit faisceau localisé comparable au rayon du faisceau de fibres optiques ordinaires. Deuxièmement, la fibre optique polymère désordonné peut être fait beaucoup plus longtemps que les guides écrits désordonnés extérieur en cristaux photoréfractives ou en silice fondue. Nous avons pu observer transversale localisation d'Anderson dans un 60 cm de longueur de fibre ^11. Troisièmement, la fibre optique polymère désordonnée est souple, ce qui rend pratique pour les applications du périphérique au niveau monde réel qui comptent sur ​​le transport des ondes lumineuses dans les fibres ^13.

Pour fabriquer la fibre optique désordonnée, 40.000 brins de PMMA et 40.000 brins de PS étaient au hasard mixte, où chaque stret était de 8 pouces de long et 250 m de diamètre. Les brins de manière aléatoire mixtes ont été assemblés dans une section transversale de préforme carrée avec un côté en largeur de l'ordre de 2,5 pouces. La préforme a ensuite été attirée sur un fibre optique carrée avec une largeur latérale d'environ 250 um (figure 1). Afin de mélanger aléatoirement les brins de fibres d'origine, nous étaler une couche de brins de fibres PMMA sur une grande table, ajouté une couche de brins de fibre PS, puis mélangées aléatoirement ensemble. La procédure a été répétée plusieurs fois jusqu'à l'obtention d'un bon mélange aléatoire.

Nous avons utilisé un microscope électronique à balayage (SEM) à l'image de profil de l'indice de réfraction de la fibre optique polymère désordonnée. Techniques de clivage réguliers tels que l'aide d'une lame chauffée forte ne peuvent pas être utilisés pour préparer les échantillons de fibres pour l'imagerie SEM de l'extrémité de la fibre de cartographier son profil d'indice de réfraction, parce que les dommages de la lame de la morphologie de l'extrémité de la fibre. Polissage de la fibre a un impact négatif similaire sur ee la qualité de l'extrémité de la fibre. Afin de préparer les échantillons de haute qualité pour l'imagerie SEM, nous submerge chaque fibre dans l'azote liquide pendant quelques minutes et puis cassé la fibre, si elle est effectuée sur des échantillons de fibres assez, cette méthode conduit à quelques bons morceaux de fibres (autour de réussite de 15% taux) avec des surfaces d'extrémité de haute qualité et très lisse pour l'imagerie SEM. Nous avons ensuite utilisé une solution à 70% d'alcool éthylique à 60 ° C pendant environ 3 minutes pour dissoudre les sites de PMMA sur l'extrémité de la fibre, une exposition plus longue peut se désintégrer toute l'extrémité de la fibre. Nous enduit ensuite les échantillons avec Au / Pd et les a placés dans la chambre SEM. Le zoom-in image MEB de la fibre optique polymère désordonnée est représenté en figure 2. Les sites de gris clairs sont PS et les sites obscurs sont PMMA. La largeur totale de l'image est de 24 um, où les plus petites tailles caractéristiques de cette image sont ~ 0,9 um, ce qui correspond à la taille de chaque site, des brins de fibre, après que le processus de tirage au sort.

Afin de caracRize les propriétés de guide d'onde de la fibre optique en désordre, nous avons utilisé un laser He-Ne à 633 nm longueur d'onde. Le laser He-Ne est couplé à un SMF630hp fibre optique monomode avec un diamètre de champ de mode d'environ 4 um, qui est alors en butée-couplé à la fibre optique polymère désordonnée en utilisant un étage de haute précision motorisé. La sortie est ensuite imagée sur une caméra CCD profileur poutre à l'aide d'un objectif 40X.

Dans la première série d'expériences, nous avons choisi 20 échantillons de fibres désordonnées différents, chacun de 5 cm de long, la longueur de 5 cm a été choisi pour correspondre à la longueur de propagation dans nos simulations numériques. Les simulations numériques de la fibre désordonnée sont généralement très coûteuse en temps, même sur un cluster de calcul haute performance avec 1100 éléments. La localisation complète Anderson transversale pour la longueur d'onde de 633 nm ne survient qu'après environ 2,5 cm de propagation ^11,12; par conséquent, nous avons décidé que la longueur de 5 cm est suffisant pour nos besoins. En raison de la stocnature hastic de la localisation d'Anderson, il nous fallait répéter les deux expériences et les simulations pour 100 réalisations, afin de recueillir suffisamment de statistiques pour comparer les valeurs expérimentales et numériques du diamètre moyen du faisceau. Dans la pratique, 100 mesures différentes sont obtenues en prenant cinq mesures séparées dans l'espace sur chacun des 20 échantillons de fibres désordonnées différentes.

Il est assez difficile de préparer des fibres optiques polymères désordonnés pour la mesure, par rapport aux fibres optiques en verre. Par exemple, on ne peut pas utiliser le clivage de pointe et des outils et des techniques de polissage qui sont bien développées pour fibre standard à base de silice. Une procédure raffiné pour le clivage et le polissage des fibres optiques polymères a été rapporté par Abdi et al ^14;. Nous avons utilisé leurs méthodes avec quelques modifications mineures afin de préparer nos échantillons de fibres. Pour séparer une fibre optique polymère désordonnée, une lame X-Acto courbe est chauffé à 65 °, C, et la fibre à 37 ° C. La pointe de la fibre est alignée sur une surface de coupe de telle sorte qu'une coupe nette et perpendiculaire peut être faite. La lame est placée sur le côté de la fibre, et est rapidement roulé à travers. Le procédé de clivage ensemble doit être effectuée aussi rapidement que possible pour que les températures de la lame et les fibres ne changent considérablement. Après clivage de la fibre et l'inspecter sous un microscope optique, l'extrémité de la fibre est polie à l'aide des feuilles clapotis de fibres standard (0,3 um Thorlabs LFG03P Aluminium Papier de polissage à l'oxyde) pour s'assurer que toutes les imperfections mineures sont enlevées. Pour polir l'extrémité de la fibre, il est maintenu dans une paire de pincettes avec les pinces de maintien de la fibre d'environ 1,5 mm de la face d'extrémité étant polie. La fibre est attirée sur le papier en-un pouce de long en forme de 8 en forme de parcours, soit environ huit fois. Polir les résultats de fibres dans bords lisses comme inspecté au microscope optique. En outre, le polissage facilite bon couplage à un emplacementtache lisée dans la fibre, ce qui réduit à la fois l'atténuation dans le couplage et aussi dans la distance de propagation initiale avant l'endroit localisé est formé.

Nous avons utilisé une caméra CCD faisceau profiler à l'image de l'intensité du faisceau de sortie. Le profil d'intensité en champ proche a été capturé à l'aide d'un objectif 40X. Afin de trouver les limites de la fibre, on saturé le CCD en augmentant la puissance de la lumière entrante provenant de la fibre de SMF630hp. Après la détection du profil d'intensité du faisceau localisé par rapport aux limites, nous avons mis le CCD profileur de faisceau pour l'option auto-exposition. Nous avons utilisé l'image du profil d'intensité afin de calculer le rayon de faisceau efficace. Afin d'éliminer l'effet du bruit ambiant, nous avons calibré notre procédure de traitement d'image afin de s'assurer que nous obtenons le diamètre du faisceau attendue de la fibre de SMF630hp. La valeur de mesure moyenne du rayon du faisceau et de ses variations autour de la valeur moyenne, en bon accord avec la NUMEsimulations riques, comme le montre Ref. ^11. Le profil de faisceau de sortie dans la fibre polymère résulte clairement un changement dans la position du faisceau incident comme indiqué dans les références. ^11,12,13.

Une étude complète de l'impact des paramètres de conception tels que les dimensions du site de désordre et de la longueur d'onde incidente sur le rayon du faisceau du faisceau localisée a été présenté dans les références. ^12,15.

Protocol

1. Fabrication d'une fibre optique polymère Disordered

1. Étendre environ 200 des brins de PMMA sur une table et de diffuser le même nombre de brins PS sur le dessus du PMMA. Mélanger et remballer les brins. Répétez cette procédure jusqu'à 40.000 brins de PMMA sont mélangés de façon aléatoire avec 40.000 brins de PS.
2. Assembler les brins mélangés de façon aléatoire dans une préforme carrée avec une largeur latérale d'environ 2,5 pouces.
3. Étirage de la préforme en une fibre optique d'un diamètre de 250 um. La préforme est étirée au Optics Paradigm Incorporated utilisant leur procédure standard ^16.

2. Imaging Le profil de l'indice de réfraction de la fibre Disordered

1. Utilisation d'un SEM comme Topcon ABT à l'image du profil de l'indice de réfraction de la fibre optique obtenue.
2. Immerger les échantillons de polymères de fibres optiques dans l'azote liquide pendant environ 10 minutes puis se casser en deux.
3. Immersion des pointes cassées des échantillons dans l'alcool éthylique. Keep la température de la solution à environ 65 ° C. Laisser les échantillons dans la solution pendant environ 3 minutes, jusqu'à ce que l'alcool éthylique dissout les sites de PMMA dans la fibre.
4. Enrober chaque échantillon avec une couche de 10 nm d'épaisseur de Au / Pd et placer l'échantillon dans la chambre de la SEM.

3. Préparation des échantillons de fibres pour la caractérisation optique

1. Préparer des échantillons de fibres longues de 5 cm.
2. Chauffer une lame courbe à 65 ° C, et la fibre à 37 ° C. Utilisation de la bonne température empêche la déformation de la pointe de la fibre pouvant survenir dans le processus de clivage.
3. Aligner l'extrémité de la fibre sur une surface de coupe, de sorte qu'un nettoyage, perpendiculaire couper peut être faite. Placez la lame sur le côté de la fibre, puis rouler rapidement à travers.
4. Contrôler la pointe de la fibre à l'aide d'un microscope optique pour s'assurer que la pointe de la fibre est clivée perpendiculaire aux côtés de fibres. Gardez la lame de rasoir à angle droit dans le processus de clivage pour empêcher le basculement de ee pointe.
5. Utilisez un papier de polissage comme Thorlabs LFG03P Aluminium Papier de polissage à l'oxyde (0,3 um) pour polir les échantillons de fibres. Pour polir l'extrémité de la fibre, le maintenir en une paire de pinces, avec la pince de préhension de la fibre d'environ 1,5 mm de la surface en cours de polissage. Dessinez la fibre sur le papier en-un pouce de long en forme de 8 en forme de chemins, environ huit fois. Chemins Figure-8 en forme de veiller à ce que toute la pointe est polie.

4. Mesure du profil de faisceau du faisceau propagé dans les échantillons de fibres

1. Coupler le laser He-Ne en une fibre de SMF630hp l'aide d'un objectif 20X et deux miroirs plans. Placez les miroirs plats sur les scènes avec deux degrés de liberté. Placez l'objectif sur une scène avec trois degrés de liberté. Initialement garder la fibre SMF une distance de 8 mm de la pointe objectif. Utilisation des molettes sur les porte-miroir et le porte-objectif, illuminer la lumière laser à l'extrémité de la fibre. Connectez l'autre côté de la SMF pour un compteur d'électricité. puissance de couple dans le SMF à l'aide des boutons sur les supports de miroir ainsi que les boutons transversales sur la monture d'objectif. L'efficacité du couplage peut être considérablement augmentée en utilisant le bouton de positionnement longitudinal sur le porte-objectif. Une puissance couplée de 1 mW est suffisant pour les mesures.
2. Coupler la fibre de SMF630hp à la fibre optique polymère en utilisant Thorlabs MAX343 motorisé étape. La platine motorisée peut être déplacé dans les trois directions cartésiennes. En utilisant les degrés de libertés transversales, coupler la fibre SMF au centre de la pointe de la fibre polymère. En utilisant le déplacement longitudinal de la scène, placer la fibre SMF aussi près que possible de la fibre polymère. Un petit entrefer entre le polymère et de la fibre SMF permet de réduire l'expansion du faisceau. Placer l'ensemble de l'installation sur un deuxième étage motorisé qui se déplace dans la direction longitudinale. La deuxième étape motorisé est utilisé pour l'imagerie comme décrit au paragraphe 4.4.
3. L'utilisation d'un m optiqueicroscope et un miroir à angle droit, de surveiller la position de la fibre SMF et polymère de s'assurer que la SMF est couplé au centre de la fibre de polymère, et que l'entrefer entre les deux fibres est aussi petite que possible. Une faible inclinaison à l'extrémité de la fibre de polymère ou de déformations dans la pointe de la fibre de polymère à cause de clivage ou de polissage processus peut limiter l'entrefer minimal entre SMF et de fibres de polymère. Un petit écart entre les fibres est nécessaire parce que la fibre SMF devrait être en mesure de se déplacer à l'extrémité de la fibre polymère. Placer la SMF au centre de la fibre de polymère uniquement pour faciliter le processus de couplage plus facile. Pendant l'expérience, balayer transversalement le faisceau incident qui sort de la SMF à travers l'extrémité de la fibre de polymère d'observer la localisation dans les différentes régions de la fibre polymère.
4. Utiliser une caméra CCD profileur de faisceau pour mesurer la sortie de la fibre à l'aide d'un objectif 40X. Tout d'abord, saturer la caméra CCD pour contrôler les limites de la fibre polymère.En utilisant les boutons sur la monture d'objectif, assurez-vous que les limites de fibres polymères peuvent être observés sur le CCD.
5. Utilisez une platine motorisée qui déplace l'ensemble de l'installation (décrite au point 4.2) longitudinalement, assurez-vous que l'image sur le capteur CCD est concentrée en déplaçant la configuration loin ou vers l'objectif 40X alors que le CCD et l'objectif sont fixés. Comme une mesure de mise au point, un profil imagé sur le capteur CCD devrait avoir la taille minimale de mise au point. Une image focalisée de la poutre ne doit pas être visuellement enroulement.
6. Déplacer le faisceau incident à l'extrémité d'entrée et de mesurer l'intensité du faisceau de sortie pour les différentes positions du faisceau d'incident. Recueillir des données pour 5 positions différentes du faisceau incident. Effectuer les mesures pour 20 échantillons de fibres et de recueillir un total de 100 mesures différentes.

Representative Results

L'image SEM de la fibre polie est illustré à la figure 1. L'image SEM dans la figure 1 montre que, pour la plupart des régions de l'extrémité de la fibre, la qualité polonaise est bonne. L'image MEB des échantillons de fibres, avec leurs extrémités dissous dans une solution d'alcool éthylique, la figure 2, présente les sites de PMMA dans des sites sombres et PS en couleurs gris. L'image MEB de la figure 2 est agrandie sur une largeur de 24 um de la fibre. Pour l'imagerie SEM, les échantillons de fibres sont revêtues d'une couche épaisse de 10 nm de Au / Pd.

La configuration de mesure utilisée dans cette expérience est illustré à la figure 3. L'intensité du faisceau de sortie mesurée par le capteur CCD profileur de faisceau dans un échantillon de la cm longueur 5 est représenté dans la figure 4. Le profil d'intensité montre que le faisceau est localisé dans la direction transversale de la fibre désordonnée. En vue de l'image du profil d'intensité, la possibilité de correction du bruit ambiant de la CCD c Amera doit être allumé. Toutefois, cette option ne peut pas être complètement efficace. Pour calculer le niveau de bruit global de l'image de profil d'intensité, nous avons également imagé du profil d'intensité de la fibre de SMF630hp et le diamètre de champ de mode a été calculée. Pour un niveau de bruit choisi, la mesure expérimentale du diamètre de champ de mode est mis en correspondance avec les données du fabricant rapportés. La même valeur de niveau de bruit doit être utilisée pour l'interprétation de la figure 4. Une centaine de profils d'intensité différents des faisceaux localisées sont mesurés par déplacement de la fibre de SMF630hp d'entrée dans les positions transversales sur le couplage avec la fibre de polymère pour 20 échantillons différents Cent mesures des profils de faisceau sont moyennées afin de faire apparaître la localisation d'Anderson transversale dans un désordre fibre optique, tel que présenté dans la référence ^11.

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Figure 1. Fibre image de l'extrémité de la fibre Poli visage. SEM. La qualité du vernis est bonne pour la plupart des régions de l'extrémité de la fibre.

Figure 2. Profil d'indice de réfraction. Le profil d'indice de réfraction de la fibre polymère désordonnée. Les sites de PMMA sont dans des sites PS couleur plus foncée et sont gris clair. La largeur de l'image est de 24 um.

Figure 3. Dispositif expérimental. L'installation expérimentale pour les mesures. Caméra CCD (A) et de l'objectif (C) sont montés sur le dessus de l'autre. Un miroir incliné à droite (D) permet la visualisation de la fibre (F) à partir de plusieurs angles pour assurer un couplage approprié.

Figure 4. Profil d'intensité. profil d'intensité de la propagation faisceau après 5 cm de propagation. La largeur de l'image est de 250 um.

Discussion

Dans le processus d'étirage de fibre, le profil d'indice de réfraction ne reste pas constant à plus d'un mètre, à la fois en raison des croisements des brins de fibres d'origine et aussi à cause des variations du diamètre de la fibre dans le processus d'étirage. Nous nous attendons à ce que le processus de tirage au sort plus stable permettra de fabriquer une fibre optique qui est invariant sur des longueurs de fibres plus longues par rapport à celui indiqué ici.

Lors de la préparation d'un échantillon pour l'imagerie MEB de la pointe de la fibre, nous devons veiller à ce que l'échantillon reste dans la solution d'alcool méthyl e de 70% pour un temps assez long (environ 3 min) et reste à la bonne température (65 ° C) . Si l'échantillon reste dans la solution d'alcool méthyl e beaucoup plus longue que la 3 min nécessaire de graver la couche supérieure de PMMA, la pointe de la fibre peut se désintégrer.

En bout à couplage de la fibre de SMF630hp à la fibre polymère, il est important que la fibre de l'incident est aussi proche que possible de la fibre de polymère pour éviter une expansion substantielle de diffraction du faisceau avant qu'il n'atteigne la fibre désordonnée. Nous avons également besoin d'utiliser un liquide adaptateur d'indice pour réduire la dispersion de la lumière à l'accouplement.

Il convient de noter que le déplacement du champ incident sur la face d'extrémité de la fibre désordonnée modifie la position de la poutre localisées à la sortie. Dans différentes régions de la fibre polymère, on observe des variations dans le rayon du faisceau localisée, comme prévu à partir de la nature statistique de la localisation d'Anderson. Une partie de cette variation peut également être attribuée à la qualité de polissage de l'extrémité de la fibre. Comme l'image MEB des spectacles de fibres polies, la qualité du vernis n'est pas la même dans toutes les régions de l'extrémité de la fibre. En raison de cette limitation, nous avons utilisé la plus petite tache localisée que nous pourrions trouver dans l'extrémité de la fibre pour chaque expérience, puis mis en œuvre les mesures restantes dans le quartier de la meilleure tache localisée.

ontenu "> Suppression du bruit ambiant est cruciale pour calculer le rayon du faisceau du faisceau localisé. S'il n'est pas retiré, le bruit ambiant peut entraîner une erreur dans le calcul du rayon du faisceau du faisceau images profileur CCD. Nous avons calibré notre analyse nous devons veiller à la bonne valeur du diamètre du faisceau d'environ 4 um pour la fibre de SMF630hp longueur d'onde 633 nm.

La modélisation numérique de la localisation de la lumière dans des fibres polymères désordonnés sur Réf ^11,12 pour les matériaux sans perte montre que la vague peut être totalement confiné dans les directions transversales de la fibre sans aucune atténuation au pouvoir. D'autre part, l'absorption du matériau dans les fibres est considérable et l'atténuation de la fibre se trouve au niveau de 0,5 à 1,0 dB / cm. Nous prévoyons que la perte est beaucoup plus faible en fibres désordonnées à base de silice.

Dans l'avenir, nous prévoyons d'améliorer les propriétés de perte de fibres désordonnées en améliorant la fabrication procedure (par exemple, un processus de tirage au sort plus stable) et aussi en utilisant des composants à faible perte. La fibre optique désordonnée idéal sera composé de verre avec aléatoires trous d'aération au taux de 50%. Comme nous l'avons montré dans Réf. ^12, nous nous attendons à ce que la plus grande différence dans les indices de réfraction des deux matériaux entraîne une réduction des variations de rayon du faisceau localisé. Nous avons récemment présenté nos premiers résultats en fibre optique en verre avec des sites soupirail désordonnés Réf. ¹⁷ et anticiper les futurs progrès dans les fibres désordonnées à base de verre.

Materials

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