Tillverkning och karakterisering av oordnade Polymer optiska fibrer för Tvärgående Anderson Lokalisering av ljus

Summary

Vi utvecklar och karakterisera en oordnad polymer optisk fiber som använder tvärgående Anderson lokalisering som en roman vågledande mekanism. Denna mikrostrukturerad fiber kan transportera en liten lokaliserad stråle med en radie som är jämförbar med balken radie av konventionella optiska fibrer.

Abstract

Vi utvecklar och karakterisera en oordnad polymer optisk fiber som använder tvärgående Anderson lokalisering som en roman vågledande mekanism. Den utvecklade polymeren optiska fibern består av 80 tusen trådar av poly (metylmetakrylat) (PMMA) och polystyren (PS) som blandas slumpmässigt och dras in i en kvadratisk tvärsektion optisk fiber med en sida bredd på 250 | im. Initialt, är varje sträng 200 ^ m i diameter och 8-inches lång. Under blandningsprocessen av de ursprungliga fibersträngar, fibrerna korsar varandra, men garanterar en stor sträckningsförhållande att brytningsindexprofilen är invariant längs längden av fibern i flera tiotals centimeter. Den stora skillnaden i brytningsindex av 0,1 mellan de oordnade platser resulterar i en liten lokaliserad stråle radie som är jämförbar med balken radie av konventionella optiska fibrer. Den ingående ljus startas från en vanlig optisk singelmodfiber med ända-kopplingsmetoden och NEAr-fält utgående stråle från den oordnade fibern avbildas med ett 40X objektiv och en CCD-kamera. Utgången stråldiameter stämmer väl överens med de förväntade resultaten från de numeriska simuleringar. Den oordnade optisk fiber som presenteras i detta arbete är den första enhet-nivå genomföra 2D Anderson lokalisering, och kan potentiellt användas för image transporter och korta optiska kommunikationssystem.

Introduction

I ett teoretiskt arbete av PW Anderson ^1, visade det sig att i närvaro av oordning i ett stort elektroniskt system, diffusionsprocessen stannar och lokaliserad elektroniska tillstånd utvecklas. Anderson lokalisering är en våg fenomen som också kan uppstå för klassiska vågor som ljus. Eftersom den teoretiska förutsägelsen av Anderson lokalisering i optik ^2,3, har det funnits många försök att förverkliga detta fenomen experimentellt med elektromagnetiska vågor ^4,5. Emellertid har det varit mycket svårt att uppnå en stark lokalisering eftersom de optiska scattering tvärsnitt är ofta för liten på grund av den låga brytningsindex kontrast av de flesta optiska material. År 1989 visade De Raedt et al. ⁶ att det är möjligt att observera Anderson lokalisering i en kvasi-tvådimensionellt disordered optiskt system med lågt brytningsindex kontraster. De visade att om sjukdomen är begränsad till ett tvärgående plan av en propelleragating våg i ett i längdriktningen invariant medium kan balken förblir begränsad till en liten region i tvärriktningen på grund av stark tvärgående spridning. Tvärgående Anderson lokalisering observerades först i tvådimensionella vågledare som har skapats med hjälp interferensmönster i en foto-brytningsindex kristall ^7. Kvartsglas är den andra medium som har använts för observation av tvärgående Anderson lokalisering ^8,9, där oordnade vågledare är skrivna med hjälp femtosecond pulser längs provet. Skillnaden i brytningsindex av oordnade platser i de ovannämnda systemen är i storleksordningen 10 ^-4, så lokalisering radie är ganska stor. Dessutom, de typiska vågledare är oftast inte längre än några centimeter, och därför kan de inte vara praktiskt för guidad-våg tillämpningar. Vi påpekar att övervakningen av tvärgående Anderson lokalisering i en endimensionell oordnad vågledare rapporterades tidigare i ReF ^10.

Den optiska fibern utvecklats här har flera fördelar jämfört med de tidigare realiseringar av tvärgående Anderson lokalisering för guidad-våg applikationer ^11,12. Först den stora brytningsindex skillnaden på 0,1 mellan störning platserna av fibern resulterar i en liten lokaliserad stråle jämförbar med strålen radie vanliga optiska fibrer. Det andra, kan polymeren oordnade optisk fiber göras mycket längre än de oordnade vågledare skrivna externt i ljusbrytande kristaller eller kvarts. Vi kunde observera tvärgående Anderson lokalisering i en 60-cm-långa fibrer ^11. Tredje, är polymeren oordnade optiska fibern flexibel, vilket gör det praktiskt för verkliga enhet-nivå applikationer som är beroende av transport av ljusvågor i fibrer ^13.

För att tillverka den oordnade optisk fiber, var 40 tusen trådar av PMMA och 40.000 strängar av PS slumpmässigt blandat, där varje stroch var 8 inches lång och 250 | im i diameter. De slumpmässigt blandade strängarna sammansattes till ett kvadratiskt tvärsnitt förform med en sida-bredd av ca 2,5 inches. Förformen drogs sedan till en kvadrat optisk fiber med en sida bredd av ca 250 um (figur 1). För slumpmässigt blandar de ursprungliga fibersträngama, sprider vi ett skikt av PMMA fibersträngarna på ett stort bord, lagt ett lager av PS fibersträngar, och sedan slumpmässigt blandade ihop dem. Proceduren upprepades flera gånger tills en bra slumpmässig blandning erhölls.

Vi använde ett svepelektronmikroskop (SEM) för att avbilda brytningsindexprofilen av den oordnade polymer optisk fiber. Regelbundna spjälka tekniker såsom med en vass uppvärmt blad kan inte användas för att framställa de fiberproverna för SEM avbildning av fiberänden att kartlägga dess brytningsindexprofil, eftersom bladet skadar morfologi av fiberänden. Polering fibern har en liknande negativ effekt på the kvaliteten på fiberänden. För att framställa högkvalitativa prover för SEM avbildning, nedsänkt vi varje fiber i flytande kväve under flera minuter och sedan bröt fiber, om det görs på tillräckligt med fibrer prover, denna metod leder till några bra fiber bitar (ca 15% framgång ränta) med mycket hög kvalitet och smidig ändytor för SEM avbildning. Vi använde sedan en 70% etylalkohol-lösning vid 60 ° C under ca 3 min för att upplösa PMMA platser på fiberänden, längre exponering kan desintegrera hela fiberänden. Vi belagd sedan proverna med Au / Pd och placerade dem i SEM kammaren. Den inzoomade SEM-bild av den oordnade polymeren optiska fibern visas i fig 2. De ljusgrå platser är PS och de mörka platserna är PMMA. Den totala bredden på bilden är 24 um där de minsta funktioner storlekar i den här bilden är ~ 0.9 nm, motsvarande de enskilda platsen storleken på fibersträngarna, efter dragningen processen.

För att präglaRIZE vågledar egenskaperna hos den oordnade optisk fiber, använde vi en He-Ne-laser vid 633 nm våglängd. The He-Ne-laser är kopplad till en single-mode SMF630hp optisk fiber med en modfältet diameter av ca 4 | im, som sedan butt-kopplad till den oordnade polymer optisk fiber med användning av en hög precision motoriserad skede. Utgången är sedan avbildas på en CCD-kamera balk profiler med en 40X objektiv.

I den första uppsättningen av experiment, valde vi 20 olika oordnade fiberproverna, varje 5-cm långa, den 5-cm längd valdes för att matcha förökning längd i våra numeriska simuleringar. De numeriska simuleringar av den oordnade fiber är i allmänhet mycket tidskrävande, även på en högpresterande datorer kluster med 1100 element. Den fullständiga tvärgående Anderson lokalisering för våglängden 633 nm sker först efter ca 2,5 cm av förökning ^11,12, och därför beslutade vi att 5-cm längd är tillräcklig för våra syften. På grund av den stochastic karaktär Anderson lokalisering, behövde vi att upprepa både experiment och simuleringar för 100 realiseringar, i syfte att samla in tillräckligt med statistik för att jämföra experimentella och numeriska värden för den genomsnittliga stråldiametern. I praktiken är 100 olika mätningar erhålls genom att ta fem rumsligt separerade mätningar på varje av de 20 olika oordnade fiber prover.

Det är ganska svårt att förbereda de oordnade polymera optiska fibrer för mätning, jämfört med optiska glasfibrer. Till exempel kan man inte använda den avancerade klyvning och polering verktyg och tekniker som är väl utvecklade för standard kiseldioxidbaserad fiber. En förfinad förfarande för klyvning och polering polymera optiska fibrer har rapporterats av Abdi et al ^14;. Vi använde sina metoder med några smärre ändringar för att förbereda våra fiberproverna. För att klyva en polymer oordnat optisk fiber, är en krökt X-Acto bladet upphettades till 65 °, C, och fibern till 37 ° C. Spetsen hos fibern har anpassats till en skärande yta så att en ren, vinkelrätt snitt kan göras. Skivan placeras på den sida av fibern, och snabbt rullade över. Hela klyvning process bör ske så snabbt som möjligt för att säkerställa att temperaturerna i bladet och fiber inte förändras avsevärt. Efter klyvning av fiber och inspektera den under ett optiskt mikroskop, är fiberänden poleras med vanliga fibrer läppning ark (0,3 um Thorlabs LFG03P Aluminium Oxidpolering Paper) för att säkerställa att eventuella mindre brister tas bort. Att polera fibern änden, är det hålls i en pincett med pincett håller fibern ca 1,5 mm från ändytan är polerad. Fibern dragés över papperet i en-tum lång figur-8-formade banor, cirka åtta gånger. Polering fiber resulterar i mjukare kanter som inspekterats under optiskt mikroskop. Dessutom underlättar polering ordentlig koppling till en locaserade fläck i fibern, vilket i sin tur minskar dämpning både i kopplingen och även i den inledande förökning sträcka innan det lokaliserade fläcken bildas.

Vi använde en CCD-kamera balk profiler på bilden intensitet utgående strålen. Den närområdet intensitet profil fångades med en 40X objektiv. För att finna gränserna för fibern, mättad vi CCD genom att öka kraften i det inkommande ljuset från SMF630hp fibern. Efter detektering av intensitetsprofilen hos den lokaliserade strålen med avseende på gränserna, satte vi CCD strålen profiler till auto-exponering alternativ. Vi använde bilden av intensitetsprofilen för att beräkna den effektiva strålens radie. För att ta bort effekten av det omgivande bullret, kalibrerad vi vårt förfarande bildbearbetning för att säkerställa att vi får den förväntade stråldiameter av SMF630hp fibern. Det genomsnittliga uppmätta värdet av strålens radie och dess variationer runt det genomsnittliga värdet överensstämmer väl med det numesymmetrisk simuleringar, såsom visas i Ref. ^11. Utgången strålprofil i polymeren fibern framgår klart en ändring i positionen för den infallande strålen, såsom visas i ref. ^11,12,13.

En omfattande studie av effekterna av de konstruktionsparametrar såsom storlekar sjukdom platsen och händelsen våglängd på balken radie lokaliserad strålen presenterades i ref. ^12,15.

Protocol

Ett. Fabricating en Disordered Polymer optisk fiber

1. Sprid cirka 200 av de PMMA strängarna på ett bord och sprida samma antal PS strängar ovanpå PMMA. Blanda och packa strängarna. Upprepa denna procedur tills 40.000 strängar av PMMA är slumpmässigt blandas med 40.000 trådar PS.
2. Montera slumpmässigt blandade strängarna i en fyrkant förform med en sida bredd på cirka 2,5 inches.
3. Rita förformen in i en optisk fiber med en diameter av 250 um. Förformen dras vid Paradigm Optik Incorporated använda deras standardförfarande ^16.

2. Imaging brytningsindexprofilen av Disordered Fiber

1. Använd en SEM såsom Topcon ABT att avbilda brytningsindexprofilen av den erhållna optiska fibern.
2. Dränka polymer optisk fiber prover i flytande kväve under ca 10 minuter och sedan bryta i hälften.
3. Sänk de brutna spetsarna på proverna i etylalkohol. Keep temperaturen för lösningen vid ca 65 ° C. Låt proverna i lösningen under ca 3 min, till dess den etylalkohol upplöser PMMA platser i fibern.
4. Coat varje prov med en 10-nm-tjocka lager av Au / Pd och placera provet i kammaren av SEM.

Tre. Förbereda fiberproven för optisk karakterisering

1. Förbered 5 cm långa fibrer prover.
2. Värm en böjt blad till 65 ° C, och fibern till 37 ° C. Använda rätt temperaturer förhindrar deformation av fiberspetsen som kan uppstå i den klyvning processen.
3. Rikta in spetsen på fibern på en skäryta, så att en ren, vinkelrätt skär kan göras. Placera bladet på sidan av fibern, och sedan snabbt rulla över.
4. Inspektera fiberspetsen användning av ett optiskt mikroskop för att se till att fiberspetsen klyvs vinkelrätt mot fiber sidorna. Håll rakblad i en rät vinkel i klyva processen för att förhindra tippning av the dricks.
5. Använd en polering papper såsom Thorlabs LFG03P Aluminum Oxidpolering Papper (0,3 um) för att polera fiberproven. Att polera fiber änden, håll den i en pincett, med pincett griper fibern ca 1,5 mm bort från ansiktet är polerade. Rita fibern över papperet i en tum lång figur-8-formade banor, cirka åtta gånger. Figur-8-formade banor säkerställa att hela spetsen är polerad.

4. Mätning av Beam Profil för den Forokas Beam i fiberproven

1. Par He-Ne laser in i en SMF630hp fiber med en 20X objektiv och två plana speglar. Placera de platta speglar på etapper med två frihetsgrader. Placera målet på en scen med tre frihetsgrader. Inledningsvis hålla SMF fibern ett avstånd av 8 mm från målet dricks. Använda rattarna på spegeln innehavare och objektivhållaren, belysa laserljus till spetsen av fibern. Anslut den andra sidan av SMF till en kraftmätare. Par makten i SMF med vreden på spegeln innehavarna samt de tvärgående vreden på objektiv hållaren. Effektiviteten av kopplingen kan ökas avsevärt genom att använda den longitudinella positioneringen ratten på objektivhållaren. En kopplad effekt på 1 mW räcker för mätningarna.
2. Par i SMF630hp fiber till polymeren optisk fiber med Thorlabs MAX343 motoriserade scenen. Den motoriserade steget kan förflyttas i de tre kartesiska riktningarna. Använda de transversella grader av frihet, SMF fiber paret till centrum av polymeren fiberspetsen. Använda den längsgående förskjutningen av scenen, placera SMF fibern så nära som möjligt till polymer-fibern. En mindre luftgap mellan nämnda SMF och polymerfiber minskar expansionen av strålen. Placera hela installationen på en motordriven andra etappen som rör sig i längdriktningen. Det andra motoriserade steget används för avbildning såsom kommer att beskrivas i 4.4.
3. Använda en optisk microscope och en rätvinklig spegel, övervaka läget hos nämnda SMF och polymerfiber att se till att nämnda SMF är kopplad i centrum av polymerfiber, och att luftgapet mellan de två fibrerna är så liten som möjligt. En liten lutning i polymeren fiberspetsen eller deformationer i polymerfibern tips eftersom att klyva eller polering processer kan begränsa den minsta luftspalt mellan SMF och polymer fiber. Ett litet gap mellan fibrerna krävs eftersom SMF fibern bör kunna röra sig vid spetsen av polymeren fibern. Placera SMF vid mitten av polymerfiber enbart att göra kopplingsprocessen enklare. Under experimentet transversellt sopa den infallande strålen som kommer ut ur nämnda SMF över spetsen på polymerfiber att observera lokalisering i olika regioner av polymerfibern.
4. Använd en CCD-kamera balk profiler för att mäta utsignalen från fibern med hjälp av ett 40X objektiv. Först mätta CCD-kamera för att övervaka gränserna för polymerfibern.Använda rattarna på målet hållaren, se till att polymerfibern gränserna kan observeras på CCD.
5. Använd en motoriserad skede som flyttar hela installationen (beskrivet i 4.2) i längdriktningen, se bilden på CCD fokuseras genom att flytta inställningen bort eller mot 40X objektiv medan CCD och objektiv är fasta. Som ett mått för fokusering, bör ett avbildat profil på CCD ha den minsta storleken på fokus. En fokuserad bild av strålen ska inte vara visuellt lindning.
6. Flytta den infallande strålen vid ingången spetsen och mäta intensiteten utgående strålen för olika positioner infallande stråle. Samla in data för 5 olika positioner av den infallande strålen. Utför mätningarna för 20 fiberproverna och samla totalt 100 olika mätningar.

Representative Results

Den SEM-bild av den polerade fibern visas i fig 1. SEM bilden i Figur 1 visar att, för de flesta regioner i fiberspetsen, är den polska kvaliteten god. SEM-bild av fiberproven med sina ändar upplösta i etylalkohollösning, Figur 2, visar PMMA platserna i mörka och PS platser i gråa färger. SEM bilden i figur 2 zoomas in på en 24 nm bredd av fibern. För SEM avbildning, är fiberproven beläggs med en 10-nm tjockt skikt av Au / Pd.

Mätningen uppspänning i detta experiment visas i figur 3. Den utgående strålen intensitet mätt av CCD strålen profiler i ett prov av 5 cm längd visas i figur 4. Intensiteten profilen visar att balken är lokaliserad i den tvärgående riktningen av den oordnade fiber. För att bilden intensiteten profilen, den omgivande ljud korrigering alternativ på CCD c Amera ska vara på. Dock kan detta alternativ inte vara helt effektivt. För att beräkna den totala ljudnivån i intensiteten profilbild, avbildas vi även intensiteten profil SMF630hp fibern och modfältet diametern beräknades. För en vald ljudnivå, är den experimentella mätningen av modfältet diameter matchas med de rapporterade tillverkarens uppgifter. Samma värde på ljudnivån måste användas för tolkning av figur 4. Hundra olika intensitetsprofiler av de lokaliserade strålarna mäts genom att flytta fibertillsatsen SMF630hp i de tvärgående positioner vid kopplingen med polymeren fiber för 20 olika prover Hundra mätningar av bjälkar medelvärdesbildas för att visa den tvärgående Anderson lokalisering i ett oordnat Optisk fiber enligt presenteras i Ref ^11.

ighres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50679/50679fig1.jpg "/>
Figur 1. Polerat Fiber Face. SEM-bild av den polerade fiberspetsen. Kvaliteten på polish är bra för de flesta regioner i fiberspetsen.

Figur 2. Brytningsindexprofil. Brytningsindex profilen för den oordnade polymerfiber. PMMA platser är i mörkare färg och PS webbplatser är ljusgrå. Bredden på bilden är 24 um.

Figur 3. Experimentuppställning. Den experimentella för mätningar. CCD-kamera (A) och målet (C) är monterade ovanpå varandra. En rätvinklig spegel (D) gör det möjligt för visning av fibern (E) från flera vinklar för att säkerställa korrekt koppling.

Figur 4. Intensitet profil. Intensitet profil förökade strålen efter 5 cm av förökning. Bredden på bilden är 250 nm.

Discussion

I fiberdragningsenheten processen, finns kvar brytningsindexprofilen inte konstant för mer än en meter, både på grund av de korsningar av de ursprungliga fibersträngama och även på grund av variationer i fibrer diameter i dragningen processen. Vi förväntar oss att en mer stabil oavgjort process kommer att bidra till att tillverka en optisk fiber som är invariant över längre fiberlängder jämfört med vad som rapporterats här.

Vid framställning av ett prov för SEM avbildning av fibern spetsen, måste vi se till att urvalet förblir i 70% e thyl alkohol lösning för en tillräckligt lång tid (~ 3 min) och förblir vid rätt temperatur (65 ° C) . Om provet förblir i e thyl alkohollösningen mycket längre än 3 min krävs för att etsa bort det översta lagret av PMMA, kan fiberspetsen upplösas.

I butt-koppling av SMF630hp fiber till polymerfibern, är det viktigt att den infallande fibern är så nära som möjligt med polymerfibrer att undvika väsentlig diffraktiv expansion av strålen innan den når oordnade fiber. Vi måste också använda ett index-matchande fluid för att minska spridningen av ljus vid kopplingen.

Vi bör notera att flytta det infallande fältet över ändytan av den oordnade fiber ändrar läge för den lokaliserade strålen vid utgången. I olika regioner av polymerfiber, observerar vi variationer i den lokaliserade strålens radie, som förväntat från den statistiska naturen av Anderson lokalisering. En del av denna variation kan också tillskrivas kvaliteten hos poleringen av fiberänden. Som SEM-bild av de polerade fiber visar, är kvaliteten på polska inte är densamma i alla regioner i fiberns ände. På grund av denna begränsning, använde vi den minsta lokal plats som vi kunde hitta i hela fiberns ände för varje experiment och sedan genomfört de återstående mätningar i närheten av de bästa lokala platsen.

ontent "> Ta bort omgivande ljud är avgörande för beräkningen av strålen radie lokaliserad strålen. Om inte bort, kan den omgivande ljud resulterar i ett fel i beräkningen av strålens radie av CCD balk profileringsaggregat bilder. Vi kalibrerade vår analys att se till att vi får det korrekta värdet av strålens diameter av ca 4 ^ m för SMF630hp fibern vid 633-nm våglängd.

Numerisk modellering av ljus lokalisering i polymera oordnade fibrer i Ref ^11,12 för förlustfria material visar att vågen helt kan begränsas i de tvärgående riktningar fibern utan någon dämpning vid makten. Å andra sidan är materialet absorption i våra fibrer avsevärd och fibern dämpning är i nivå med 0,5-1,0 dB / cm. Vi räknar med förlust för att vara betydligt lägre i kisel-baserade oordnade fibrer.

I framtiden räknar vi förbättra förlust egenskaper oordnade fibrer genom att förbättra tillverkningen procedure (t.ex. en mer stabil draw process) och även användning av lägre-förlust-komponenter. Den idealiska oordnat optiska fibern kommer att bestå av glas med slumpmässiga luft-hål på 50% ratio. Som vi har visat i ref. ^12, förväntar vi oss att den större skillnaden i brytningsindex av två material resulterar i minskade variationer av det lokaliserade strålens radie. Vi presenterade nyligen våra första resultat i optisk glasfiber med oordnade luft-hålplatser i ref. ¹⁷ och förutse framtida framsteg inom glas-baserade oordnade fibrer.

Materials

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