ライトの横アンダーソン局在のために無秩序ポリマー光ファイバの作製と評価
Summary
我々は、新規導波メカニズムとして横アンダーソン局在を使用無秩序ポリマー光ファイバを開発し、特徴づける。この微細構造光ファイバは、従来の光ファイバのビーム半径に匹敵する半径の小さなローカライズビームを輸送することができる。
Abstract
我々は、新規導波メカニズムとして横アンダーソン局在を使用無秩序ポリマー光ファイバを開発し、特徴づける。開発されたポリマー光ファイバをランダムに混合し、250μmの側幅正方形の断面光ファイバに線引きされているポリ（メチルメタクリレート）（PMMA）、ポリスチレン（PS）の80,000ストランドで構成されている。最初は、それぞれの鎖は、長径と8インチで200μmである。元の繊維ストランドの混合プロセスの間に、繊維が互いにクロスオーバーしたが、大きな延伸比は、屈折率プロファイルは、数十センチのためにファイバの長さに沿って不変であることを保証する。従来の光ファイバのビーム半径に匹敵する小さな局所的なビーム半径で無秩序部位結果の間0.1の大きな屈折率差。入力された光は突合せ結合方式とNEAを使用して、標準のシングルモード光ファイバから起動さ不規則ファイバからのr-フィールド出力ビームは、40X対物レンズとCCDカメラを用いて撮像される。出力ビーム径は数値シミュレーションから予想される結果とよく一致している。この研究で示さ不規則光ファイバは、2Dアンダーソン局在の最初のデバイスレベルの実装であり、潜在的に画像輸送および短距離光通信システムに使用することができる。
Introduction
PWアンダーソン1による理論的研究では、量子電子システム内の障害の存在下で、拡散プロセスが停止し、局所的な電子状態を開発することが示された。アンダーソン局在も光などの古典的な波が発生する可能性があります波動現象である。光学2,3におけるアンダーソン局在の理論的な予測なので、4,5電磁波を実験的にこの現象を実現するために多くの努力がなされている。光散乱断面積が最も光学材料の低屈折率コントラストのために頻繁には小さすぎるので、それは強力な局在化を達成することが非常に困難であった。 1989年に、デRaedt ら 6は、低屈折率コントラストを有する準2次元無秩序光学系においてアンダーソン局在を観察することが可能であることを示した。彼らは、障害が支柱の横断面に限定されている場合はことを示した縦方向に不変培地で波をagating、ビームは強い横散乱による横方向に小さな領域に閉じ込められたままできます。横アンダーソン局在は、まずフォトリフラクティブ結晶7における干渉パターンを使用して作成された二次元光導波路で観察された。石英ガラスは無秩序導波路はサンプルに沿って、フェムト秒パルスを用いて書かれている横方向のアンダーソン局在8,9、の観察に用いられてきた他の媒体です。上述したシステムにおける不規則部位の屈折率差が10 -4のオーダーであるので、ローカライゼーション半径が非常に大きい。さらに、典型的な導波路は、通常数センチより長いではありませんので、彼らは導波アプリケーション用に実用的ではないかもしれない。私たちは、一次元無秩序導波路における横アンダーソン局在の観察、以前再で報告されたことを指摘F 10。
ここで開発された光ファイバは、導波アプリケーション11,12用横アンダーソン局在の以前の実現に比べていくつかの利点があります。まず、規則的な光ファイバのビーム半径と同程度の小さな局所的なビームファイバー結果の障害部位の間0.1の屈折率差が大きい。第二に、ポリマー無秩序な光ファイバがはるかに長いリフラクティブ結晶または溶融シリカに外部から書き込む無秩序波路より行うことができます。私たちは、60 cmの長繊維11の横アンダーソン局在を観察することができました。第三に、ポリマー無秩序光ファイバは、ファイバ13の光の波の輸送に依存している現実世界のデバイスレベルのアプリケーションのための、それが実用的な作り、柔軟性があります。
、乱れた光ファイバを製造するPMMAの40,000ストランドとPSの40,000ストランドがランダムに混在していた、どこにそれぞれSTRためにと直径8インチの長さと250であった。ランダムに混合ストランドは、約2.5インチの側幅正方形断面プリフォームに組み立てた。プリフォームは、その後、約250μm（ 図1）側の幅が正方形の光ファイバに描かれた。ランダムに元の繊維ストランドを混合するために、我々は、大規模なテーブルの上にPMMA繊維ストランドの層を広めるPS繊維ストランドの層を加えた後、ランダムにそれらを一緒に混合した。良好なランダム混合物が得られるまで手順を何度も繰り返した。
我々は、無秩序なポリマー光ファイバの画像屈折率プロファイルを走査型電子顕微鏡（SEM）を使用した。ブレードが損傷ファイバ端部の形態をので、このような鋭利な刃を用いて加熱されたとして正規劈開手法は、その屈折率プロファイルをマッピングするためにファイバ端部のSEM撮像用ファイバのサンプルを調製するために使用することができない。繊維を研磨すると、目の上に同じような有害な影響を与えているファイバ端の電子品質。 SEMイメージングのための高品質の試料を調製するために、我々は数分間液体窒素で各繊維を沈めた後、繊維を壊し、十分な繊維サンプルで行われている場合、15％の成功の周りにいくつかの良い繊維片（このメソッドの結果率）SEM撮像のための非常に高品質で滑らかな端面を有する。私たちは、その後60℃70％のエチルアルコール溶液を使用した°の繊維の端にPMMAサイトを溶解するために約3分間、長い露光全体ファイバ端を分解することができます。次に、金/パラジウムでコーティングしたサンプルをSEM室内にそれらを置いた。ズームインした不規則なポリマー光ファイバのSEM像を図2に示されている。ライトグレーのサイトはPSであり、ダークサイトはPMMAである。画像の幅の合計は、このイメージの最小特徴サイズは繊維ストランドの個々のサイトの大きさに対応する〜0.9μmで、描画処理の後である24μmで。
ます特性にするために乱れた光ファイバの導波特性をRIZE、私たちは、633 nmの波長でのHe-Neレーザーを使用していました。ヘリウムネオンレーザ次いで、高精度な電動ステージを使用して不規則なポリマー光ファイバに突き合わせ結合される約4μmのモードフィールド径を有するシングルモードSMF630hp光ファイバに結合されている。出力は、40X対物レンズを用いてCCDカメラのビームプロファイラ上に結像される。
最初の実験では、20種類の不規則繊維サンプル、それぞれ5-cmの長さを選んだ。5 cmの長さは、我々の数値シミュレーションにおける伝搬長さに合うように選ばれた。無秩序繊維の数値シミュレーションでも1,100の要素を持つ、高性能コンピューティング·クラスタ上で、一般的には非常に時間がかかるです。 633nmの波長のための完全な横アンダーソン局在のみ伝播11,12の約2.5 cmの後に発生するので、我々は5センチの長さが我々の目的のために十分であることを決定した。 STOCのためアンダーソン局在のhastic性質は、我々は、平均ビーム径の実験と数値を比較するために十分な統計情報を収集するために、100実現するための実験とシミュレーションの両方を繰り返す必要があった。実際には、100種類の測定は、20の異なる不規則繊維試料の各々に5空間的に分離さ測定を行うことによって得られる。
これは、ガラス光ファイバと比較して、測定のために不規則なポリマー光ファイバを製造するためにかなり困難である。たとえば、1は、標準的なシリカ系繊維のためによく開発され、高度な切断及び研磨ツールと技術を使用することはできません。ポリマー光ファイバを切断し、研磨するための洗練された手順は、アブディらによって報告されている14、。当社は繊維試料を調製するために、いくつかのマイナーな修正を加えて、そのメソッドを使用していました。劈開ポリマー不規則光ファイバするために、湾曲したX-ACTOブレードを65℃に加熱する、C、および37°Cファイバ。きれい、垂直切断を行うことができるように、ファイバの先端が切断面上に整列される。ブレードは、ファイバの側に配置され、かつ迅速に渡って巻かれる。全体劈開プロセスは、ブレードおよび繊維の温度が大きく変化しないように、できるだけ速く行われるべきである。繊維を切断し、光学顕微鏡下でそれを検査した後、ファイバー端が軽微な欠陥が削除されていることを確実にするために標準ファイバラッピングシート（0.3μmのソーラボLFG03P酸化アルミニウム研磨紙）を使用して研磨される。ファイバ端部を研磨するためには、約1.5mm離れて研磨される端面から光ファイバを保持するピンセットをピンセットで保持される。繊維は、1インチの長い8の字型のパス、約8倍で紙の上に描かれています。光学顕微鏡で検査としてスムーズエッジ中の繊維の結果を研磨。また、研磨はLOCAへの適切な結合を促進する局所的なスポットを形成する前に、順番に結合や、初期伝搬距離の両方の減衰を低減する繊維でlizedスポット。
我々は、画像出力ビーム強度にCCDカメラビームプロファイラを使用していました。近接場強度プロファイル40X対物レンズを用いて撮影された。繊維の境界を見つけるために、我々はSMF630hpファイバからの入射光のパワーを増加させることによってCCDを飽和させた。境界に関してローカライズビームの強度プロファイルを検出した後、我々は自動露出オプションにCCDビームプロファイラを設定します。我々は、有効ビーム径を計算するために、強度分布の画像を用いる。周囲ノイズの影響を除去するために、我々はSMF630hp繊維の予想ビーム径を得ることを保証するために、画像処理手順を較正し。平均値の周りにビーム半径とそのバリエーションの平均測定値はヌメとよく一致ricalシミュレーションは、として文献11に示すように。ポリマー繊維で出力ビームのプロファイルは明らか文献に示すように、入射ビームの位置変化に追従。11,12,13。
このような局所的な光のビーム半径上の障害部位サイズと入射波長として設計パラメータの影響の包括的な研究は、文献に発表された。12,15は 。
Protocol
Representative Results
Discussion
ファイバ線引き工程において、屈折率プロファイルがあるため、元の繊維ストランドのクロスオーバーのために、また、延伸過程における繊維径の変化の両方メートル以上に一定のままではありません。我々は、より安定した描画処理はここで報告に比べ長い繊維長にわたって不変である光ファイバを製造するために役立つことを期待しています。
ファイバー先端のSEM?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、国立科学財団からの助成金番号1029547でサポートされています。著者らは、初期の繊維セグメントおよび最終的な光ファイバの再描画を提供するためのパラダイムオプティクス社よりDJウェルカーを確認したいと思います。著者はまた、スティーブン·ハードキャッスルとSEMイメージング用ヘザーA.オーウェンを認める。
Materials
| poly (methyl methacrylate) (PMMA) | |||
| polystyrene (PS) | |||
| 70% ethyl alcohol solution at 65 °C |
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