빛의 통과 앤더슨 현지화 무질서 폴리머 광섬유의 제조 및 특성

Summary

우리는 새로운 도파 메커니즘으로 가로 앤더슨 지역화를 사용 무질서 폴리머 광섬유의 개발과 특성. 이 마이크로 구조 광섬유는 기존의 광섬유 빔 반경에 필적 반경 작은 지역화 된 빔을 수송 할 수 있습니다.

Abstract

우리는 새로운 도파 메커니즘으로 가로 앤더슨 지역화를 사용 무질서 폴리머 광섬유의 개발과 특성. 개발 된 폴리머 광은 무작위로 혼합하여 250 ㎛의 측면 폭의 사각 단면 광섬유로 그려 폴리 (메틸 메타 크릴 레이트) (PMMA)와 폴리스티렌 (PS) 80,000 가닥으로 구성되어 있습니다. 처음에는 각 가닥 긴 직경 200 μm의와 8 인치입니다. 원래 섬유 가닥의 혼합 과정 중에 섬유는 서로 교차하지만, 큰 무승부 비율은 굴절률 프로파일이 수십 센티미터에 대한 섬유의 길이에 따라 불변임을 보장합니다. 기존의 광섬유 빔 반경에 필적 작은 지역화 된 빔 반경 난잡한 사이트 결과 사이에 0.1의 큰 굴절률 차이. 입력 광은 엉덩이 커플 링 방법과 동북아를 사용하여 표준 단일 모드 광섬유에서 시작됩니다무질서 섬유 R-필드 출력 빔은 40X 목표와 CCD 카메라를 사용하여 이미지가됩니다. 출력 빔 직경은 수치 시뮬레이션에서 예상되는 결과와 잘 일치. 이 연구에서 제시 무질서 광섬유 2D 앤더슨 지역화의 첫 번째 장치 수준의 구현, 그리고 잠재적으로 이미지 전송 및 단거리 광통신 시스템에 사용할 수 있습니다.

Introduction

PW 앤더슨 ^1에 의한 이론적 연구에서, 그것은 양자 전자 시스템에서 장애의 존재, 확산 프로세스가 중지 및 지역화 전자 국가가 개발하는 표시했다. 앤더슨 지역화는 또한 빛으로 클래식 파도 발생할 수있는 웨이브 현상이다. 광학 ^2,3 앤더슨 지역화의 이론적 예측 때문에, 전자파 ^4,5 실험적으로이 현상을 실현하기 위해 많은 노력이 있었다. 그러나, 광 산란 단면적은 대부분 광학 재료의 낮은 굴절률 대비로 인해 너무 자주 작기 때문에 강력한 현지화를 달성하기 매우 어려운되었습니다. 1989 년 드 Raedt 등 ^6.은 낮은 굴절률 대비와 준 두 차원 무질서 광학 시스템 앤더슨 현지화를 관찰하는 것이 가능하다는 것을 보여 주었다. 장애는 지주의 횡단면에 국한되어있는 경우 그들은 그렇게 보여길이 방향으로 고정 매체에 파도 agating, 빔 강력한 횡단 산란에 의한 횡 방향에있는 작은 영역에 국한 남아있을 수 있습니다. 가로 앤더슨 현지화 먼저 사진 굴절 크리스탈 ⁷ 간섭 패턴을 사용하여 만든 두 개의 차원 도파로에서 관찰되었다. 용융 실리카는 무질서 도파관은 샘플에 따라 펨토초 펄스를 사용하여 작성하는 횡 앤더슨 현지화 ^8,9의 관찰에 사용 된 다른 매체입니다. 위에서 언급 한 시스템의 무질서 사이트의 굴절률의 차이가 10 ^-4의 순서에, 그래서 현지화 반경은 매우 큽니다. 또한 일반적인 도파관은 몇 센티미터보다 일반적으로 더 이상 있지 않으며, 따라서 그들은 유도 파 응용 프로그램을위한 실용적되지 않을 수 있습니다. 우리는 한 차원 무질서 도파관의 가로 앤더슨 현지화의 관찰은 이전 재에보고 된 것을 지적F ^10.

여기에서 개발 된 광섬유 유도 파 응용 프로그램 ^11,12에 대한 횡 방향 앤더슨 현지화의 이전 실현에 비해 여러 가지 장점이 있습니다. 첫째, 일반 광학 섬유의 빔 반경에 비해 작은 지역화 된 빔 섬유 결과의 장애 사이트 간의 0.1의 큰 굴절률 차이. 둘째, 고분자 무질서 광학 섬유는 더 이상 굴절 결정 또는 용융 실리카에 외부에서 작성 무질서 도파로보다 할 수있다. 우리는 60 cm 길이의 섬유 ¹¹ 가로 앤더슨 현지화을 관찰 할 수 있었다. 셋째, 폴리머 무질서 광학 섬유는 섬유 ¹³ 광파의 전송에 의존하는 현실 세계의 디바이스 레벨 애플리케이션에 실용적, 유연합니다.

무질서 광학 섬유를 제조하기 위해, PMMA 40,000 가닥 PS 40,000 가닥 무작위로 혼합 여기서 각 STR직경 8 인치 250 μM이었다. 무작위로 혼합 물가는 약 2.5 인치의 측면 폭의 사각 단면 프리폼에 조립 하였다. 프리폼 후 약 250 μm의 (그림 1)의 측면 폭 광장 광섬유로 그려졌다. 무작위로 원래의 섬유 가닥을 혼합하기 위해, 우리는 큰 테이블에 PMMA 광섬유 가닥의 레이어를 확산 PS 섬유 가닥의 레이어를 추가 한 다음, 무작위로 그들을 함께 혼합. 좋은 임의의 혼합물을 얻을 때까지 과정을 여러 번 반복했다.

우리는 이미지 무질서 폴리머 광섬유의 굴절률 프로파일에 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용했다. 같은 날카로운 가열 블레이드를 사용하는 등 정기적으로 쪼개는 기술은, 그것의 굴절률 프로파일을 매핑하는 섬유 종료의 SEM 영상의 섬유 샘플을 준비하는 데 사용할 수 없습니다 칼날이 손상 섬유 끝의 형태를 때문입니다. 섬유를 연마하는 일에 유사한 해로운 영향을 미친다섬유 끝의 전자 품질. SEM 영상을위한 고품질의 샘플을 준비하기 위해, 우리는 몇 분 동안 액체 질소의 각 섬유를 물속에 잠긴 후 섬유 파산, 몇 가지 좋은 섬유 조각에 충분한 섬유 샘플에서 수행하는 경우,이 메소드는 결과 (15 % 성공 정도 속도) SEM 영상에 대한 매우 높은 품질과 매끄러운 끝 표면. 우리는 다음 광섬유 끝 PMMA 사이트를 녹이는 3 분 약 60 ° C에서 알코올 용액 에틸 70 %를 사용, 더 이상 노출은 전체 섬유 끝을 분해 할 수 있습니다. 우리는 AU / 파킨슨 병 샘플을 코팅 SEM 챔버에서 그들을 배치. 이 확대 된 무질서 폴리머 광섬유의 SEM 이미지를 그림 2에 표시됩니다. 밝은 회색 사이트는 PS하며 어두운 사이트는 PMMA이다. 이미지의 전체 폭이 이미지의 작은 기능 크기는 그리기 프로세스가 완료되면 섬유 가닥의 개별 사이트의 크기에 해당하는 ~ 0.9 μm의, 우리는 24 μm의 수 있습니다.

characte하기 위해서는무질서 광섬유의 도파 특성을 리제, 우리는 633 nm의 파장에서 그는 – 네 레이저를 사용했습니다. 그는 – 느 레이저 후 고정밀 자동화 단계를 사용하여 무질서한 폴리머 광섬유로 엉덩이 결합되어 4 ㎛ 정도의 모드 필드 직경 단일 모드 SMF630hp 광섬유로 결합된다. 출력은 40X 목표를 사용하여 CCD 카메라 빔 프로파일에 몇 군데 있습니다.

실험의 첫 번째 세트에서, 우리는 20 개의 다른 무질서 섬유 샘플, 각 5 cm 길이를 선택, 5 cm 길이 우리의 수치 시뮬레이션에서 전파의 길이에 맞게 선택되었다. 무질서 섬유의 수치 시뮬레이션도 1100 요소와 고성능 컴퓨팅 클러스터에서, 일반적으로 매우 시간이 소모됩니다. 633 ㎚의 파장에 대한 전체 가로 앤더슨 현지화는 전파 ^11,12 약 2.5 cm 후에 발생하므로, 우리는 5 cm 길이 우리의 목적을 위해 충분하다고 결정했다. STOC 때문에앤더슨 현지화 hastic 자연, 우리는 평균 빔 직경의 실험 및 수치 값을 비교하기에 충분한 통계를 수집하기 위해 100 실현을위한 실험과 시뮬레이션 모두를 반복 할 필요가 있었다. 실제로, 100 개의 다른 측정은 20 개의 다른 무질서 섬유 샘플의 각 다섯 공간적으로 분리 측정을하여 얻을 수 있습니다.

그것은 유리 광섬유에 비해 측정 무질서 폴리머 광섬유를 준비하기 매우 어렵습니다. 예를 들어, 하나는 고급 쪼개서 표준 실리카 기반의 광섬유에 대해 잘 개발 된 연마 도구와 기법을 사용할 수 없습니다. 폴리머 광섬유 쪼개는 및 연마 세련된 절차는 아브디 등에 의해보고되었다 ^14;. 우리는 우리의 섬유 샘플을 준비하기 위해 약간의 수정을 자신의 방법을 사용했다. 다니엘 폴리머 무질서 광섬유하기 위해서는, 곡선 X-ACTO 블레이드는 65 ℃로 가열 될 때, C 및 37 ° C 섬유. 깨끗하고 수직 절단이 이루어질 수 있도록 섬유의 끝은 절단 표면에 정렬됩니다. 잎은 섬유의 측면에 배치하고, 신속 걸쳐 롤백됩니다. 전체 쪼개는 과정은 블레이드 섬유의 온도가 크게 변경되지 않도록 최대한 빨리 수행해야합니다. 섬유를 쪼개기 및 광학 현미경 하에서 검사 한 후, 섬유 끝은 사소한 결함이 제거되는 것을 보장하기 위해 표준 파이버 랩핑 시트 (0.3 μm의 THORLABS LFG03P 알루미늄 산화물 연마 종이)를 사용하여 닦는다. 섬유 끝을 연마, 그것은 끝 얼굴이 연마되는 약 1.5 mm 떨어져 섬유를 들고 핀셋 핀셋에서 개최됩니다. 섬유는 1 인치 길이의 용지에 그려진 그림-8 모양의 경로, 약 8 시간이. 광학 현미경 검사로 부드러운 가장자리의 섬유 결과를 연마. 또한, 연마 로카에 적절한 결합을 용이하게지역화 자리가 형성되기 전에 다시 커플 링과도 초기 전파 거리를 모두 감쇠를 줄일 섬유에 lized 자리.

우리는 이미지 출력 빔의 강도에 CCD 카메라 빔 프로파일 러를 사용했다. 니어 필드 강도 프로파일은 40X 목표를 사용하여 촬영 하였다. 섬유의 경계를 찾기 위해, 우리는 SMF630hp 섬유에서 들어오는 빛의 힘을 증가시켜 CCD 포화. 경계와 관련하여 지역화 된 빔의 강도 프로파일을 감지하면, 우리는 자동 노출 옵션으로 CCD 빔 프로파일을 설정합니다. 우리는 효과적인 빔 반경을 계산하기 위해 강도 프로파일의 이미지를 사용했습니다. 주변 잡음의 영향을 제거하기 위하여는, 우리는 우리가 SMF630hp 섬유의 예상 빔 직경을 얻을 수 있도록하기 위해 이미지 처리 절차를 보정. 평균 값 주변의 빔 반경의 차이의 평균 측정 값은 누메와 잘 일치rical 시뮬레이션과 같은 참조에 표시. ^11. 참고 문헌 같이 고분자 섬유 출력 빔 프로파일 명확하게 입사 빔의 위치 변화를 따릅니다. ^{11,12,13합니다.}

같은 지역화 된 빔의 빔 반경 장애 사이트 크기와 사건의 파장으로 설계 변수의 영향의 포괄적 인 연구는 참고 문헌에 제시 하였다. ^12,15가.

Protocol

1. 무질서 폴리머 광섬유를 제조 테이블에 PMMA 가닥의 약 200 확산과 PMMA의 상단에 PS 가닥의 같은 수의 확산. 혼합 가닥을 재 포장. PMMA 40,000 가닥 무작위 PS 40,000 가닥과 혼합 될 때까지이 절차를 반복합니다. 약 2.5 인치의 측면 폭 광장 프리폼에 무작위로 혼합 가닥을 조립합니다. 250 ㎛의 직경을 가진 광섬유에 프리폼을 그립니다. 프리폼들은 표준 절차 16을 사용하여…

Representative Results

광택 섬유의 SEM 이미지는 그림 1에 표시됩니다. 섬유 팁의 대부분의 지역을 위해, 폴란드어 품질이 좋은, 그 그림 1의 SEM 이미지. 에틸 알코올 용액, 그림 2에 녹이고 그 끝 섬유 시료의 SEM 이미지는 회색 색상 어두운 PS 사이트의 PMMA 사이트를 보여줍니다. 그림 2의 SEM 이미지는 섬유의 24 μm의 폭에로 확대된다. SEM 이미징, 섬유 샘플 AU / 팔라듐의 10 …

Discussion

섬유 그리기 과정에서 굴절률 프로파일은 모두 있기 때문에 원래의 섬유 가닥의 크로스 오버의도 때문에 추첨 과정에서 섬유 직경의 변형, 미터 이상 일정하게 유지되지 않습니다. 우리는 안정 공법 여기보고와 비교 긴 섬유 길이에 불변 광 섬유를 제조하는 데 도움이 될 것으로 기대합니다.

섬유 팁의 SEM 이미지에 대한 샘플을 준비하고, 우리는 샘플이 충분히 긴 시간 (2 ~ 3 …

Materials

poly (methyl methacrylate) (PMMA)
polystyrene (PS)
70% ethyl alcohol solution at 65 °C