ייצור ואפיון של סיבים אופטיים הפרעות פולימר ללוקליזציה רוחבית אנדרסון אור
Summary
אנו מפתחים ולאפיין סיב אופטי פולימר הפרעות המשתמש לוקליזציה אנדרסון רוחבית כמנגנון waveguiding רומן. סיבי microstructured זה יכול להעביר קרן מקומית קטנה עם רדיוס כי ניתן להשוות את רדיוס האלומה של סיבים אופטיים קונבנציונליים.
Abstract
אנו מפתחים ולאפיין סיב אופטי פולימר הפרעות המשתמש לוקליזציה אנדרסון רוחבית כמנגנון waveguiding רומן. הסיבים אופטיים שפותחו הפולימר מורכב מ80,000 גדילים של פולי (מתיל) (PMMA) ופוליסטירן (PS) כי הם מעורבים באופן אקראי ונמשכים לתוך סיבי חתך מרובעים אופטיים עם רוחב צד של 250 מיקרומטר. בתחילה, כל גדיל הוא 200 מיקרומטר בקוטר 8 אינץ ארוך. במהלך תהליך הערבוב של קווצות הסיבים המקוריות, הסיבים לחצות אחד את השני, עם זאת, תיקו יחס גדול מבטיח שהפרופיל מקדם השבירה הוא השמורה לאורכו של הסיב לכמה עשרות סנטימטרים. ההבדל הגדול מקדמים שבירה של 0.1 בין תוצאות האתרים מסודרות ברדיוס אלומה מקומי קטן שניתן להשוות את רדיוס האלומה של סיבים אופטיים קונבנציונליים. אור הקלט שוגר מסיב בודד סטנדרטי מצב אופטי תוך שימוש בשיטת התחת הצימוד וניאהקרן פלט R-שדה מסיבי ההפרעות היא הדמיה באמצעות מטרת 40X ומצלמת CCD. קוטר אלומת הפלט מסכים גם עם התוצאות הצפויות מהסימולציות נומריות. הסיב האופטי ההפרעות מוצגים בעבודה זו הוא יישום התקן ברמה הראשונה של לוקליזציה אנדרסון 2D, ויכול באופן פוטנציאלי לשמש לתחבורת תמונות ומערכות תקשורת אופטית קצרים לגרור.
Introduction
בעבודה תיאורטית על ידי PW אנדרסון 1, הוכיח כי בנוכחות של הפרעה במערכת אלקטרונית קוונטים, ייפסק תהליך דיפוזיה והמצבים אלקטרוניים מקומיים להתפתח. לוקליזציה אנדרסון היא תופעת גל שיכול להתרחש גם לגלים הקלסיים כגון אור. מאז את התחזית התיאורטית של לוקליזציה אנדרסון באופטיקה 2,3, היו מאמצים רבים להבין את התופעה הזאת בניסוי עם גלים אלקטרומגנטיים 4,5. עם זאת, זה כבר קשה מאוד להשיג לוקליזציה חזקה בגלל חתכי רוחב הפיזור האופטיים הם בדרך כלל קטנים מדי בשל ניגוד מקדם השבירה הנמוך של רוב החומרים אופטיים. בשנת 1989, דה Raedt et al. 6 הראו כי ניתן לקיים את לוקליזציה אנדרסון במערכת אופטית הפרעות עין דו ממדים עם ניגודים שבירים נמוכים. הם הראו שאם ההפרעה מוגבלת למישור הרוחבי של אבזרagating גל במדיום longitudinally בלתי משתנה, הקרן יכולה להישאר מרותק לאזור קטן בכיוון הרוחבי בשל פיזור רוחבי חזק. לוקליזציה אנדרסון רוחבית נצפתה לראשונה בגלבו דו ממדים שנוצרו על ידי שימוש בתבניות התאבכות בגביש צילום שבירה 7. סיליקה התמזגו היא מדיום האחר שהיה בשימוש כבר התצפית של רוחבי לוקליזציה אנדרסון 8,9, שם גלבו מסודרים נכתבים באמצעות פולסים פמטו לאורך המדגם. ההבדל מקדם השבירה של אתרים מסודרים במערכות שהוזכרו לעיל הוא בסדר גודל של 10 -4, ולכן רדיוס הלוקליזציה הוא די גדול. בנוסף, בגלבו הטיפוסי הם בדרך כלל לא יותר מכמה סנטימטרים, ולכן, הם לא יכולים להיות מעשיים עבור יישומים מודרכים גל. נציין כי התצפית של לוקליזציה אנדרסון רוחבית במוליך גל הפרעות חד ממדי שדווחה קודם לכן בענייןF 10.
יש סיבים אופטיים שפותחו כאן מספר יתרונות על פני המימושים הקודמים של לוקליזציה אנדרסון רוחבית עבור יישומים מודרכים גל 11,12. ראשית, הבדל השבירה הגדול של 0.1 בין אתרי הפרעה של תוצאות הסיבים בקרן מקומית קטנה דומה לרדיוס האלומה של סיבים אופטיים רגילים. שנית, סיבים אופטי פולימר ההפרעות יכולים להתבצע הרבה יותר זמן מאשר בגלבו מסודרים בכתב חיצוני לגבישי photorefractive או סיליקה התמזגו. היינו מסוגל להתבונן לוקליזציה אנדרסון רוחבית בסיבים ארוכים-60-11 ס"מ. שלישית, הסיב האופטי פולימר ההפרעות הוא גמיש, מה שהופך אותו מעשי ליישומים בעולם אמיתיים ברמת התקן המסתמכים על התחבורה של גלי אור בסיבים 13.
כדי לפברק סיב האופטי הפרעות, 40,000 גדילי PMMA ו40,000 גדילים של PS היו מעורבים באופן אקראי, שבו כל רחוהיה 8 סנטימטרים ו250 מיקרומטר בקוטר. את החוטים באופן אקראי המעורבים רוכזו לתוך preform חתך מרובע עם צד ברוחב של כ 2.5 סנטימטר. Preform היה אז נמשך לסיבים אופטיים מרובעים ברוחב צד של כ 250 מיקרומטר (איור 1). כדי לערבב אקראי את קווצות סיבים המקוריות, אנו מפזרים שכבה של סיבי גדילי PMMA על שולחן גדול, הוספנו שכבה של סיבי גדילי PS, ולאחר מכן באופן אקראי ערבבנו אותם יחד. ההליך חזר על עצמו פעמים רבות עד לקבלת תערובת אקראית טובה הושגה.
אנחנו השתמשנו במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) לתמונת הפרופיל של מקדם השבירה של הסיב אופטי הפרעות הפולימר. טכניקות ביקוע רגילות כגון באמצעות סכין מחומם חד לא יכולות לשמש להכנת דגימות הסיבים להדמית SEM של סוף הסיבים למפות הפרופיל מקדם השבירה שלו, בגלל נזקים להב המורפולוגיה של סוף הסיבים. ליטוש הסיבים יש השפעה מזיקה דומה על האיכות דואר של סוף הסיבים. על מנת להכין את הדגימות באיכות גבוהה עבור ההדמיה SEM, אנחנו שקועים כל סיבים בחנקן נוזלי למשך מספר דקות ולאחר מכן שבר את הסיבים, ואם נעשה על דגימות סיבים מספיק, תוצאות בשיטה זו בכמה חתיכות סיבים טובות (סביב 15% הצלחה שיעור) עם משטחי קצה באיכות גבוהה וחלק מאוד להדמית SEM. לאחר מכן, אנו משמשים 70% אתיל אלכוהול פתרון על 60 מעלות צלזיוס במשך כ 3 דקות כדי לפזר את אתרי PMMA בסופו של דבר הסיבים; חשיפה ארוכה יותר יכולה לפורר את סיבי הסוף כולו. לאחר מכן, אנו מצופים את הדגימות עם Au / PD והניחו אותם בחדר SEM. Zoomed-SEM בתמונה של הסיב אופטי הפרעות הפולימר מוצג באיור 2. האתרים האפורים הבהירים הם PS והאתרים הכהים הם PMMA. הרוחב הכולל של התמונה הוא 24 מיקרומטר שבו גדלי התכונות הקטנים ביותר בתמונה הם ~ 0.9 מיקרומטר, מתאימים לגדלים באתר הבודדים של גדילי הסיבים, לאחר תהליך התיקו.
כדי characteRize את מאפייני מוליך הגל של הסיב האופטי ההפרעות, השתמשנו בליזר הוא Ne-באורך גל nm 633. הוא Ne-לייזר הוא מצמידים את סיבי SMF630hp מצב יחיד אופטיים בקוטר שדה במצב של כ 4 מיקרומטר, אשר לאחר מכן התחת מצמידים את הסיב האופטי באמצעות פולימר הפרעות שלב דיוק גבוה ממונע. הפלט אז צילמו על מאבחן קורה מצלמת CCD באמצעות מטרת 40X.
בסט הראשון של ניסויים, בחרנו 20 דגימות סיבי הפרעות שונות, ארוך של 5 ס"מ כל אחד; אורך 5 סנטימטר שנבחר כדי להתאים את אורך ההתפשטות בסימולציות נומריות שלנו. הסימולציות נומריות של סיבי ההפרעות הן בדרך כלל זמן רב מאוד, אפילו באשכול מחשוב עתיר ביצועים עם 1,100 אלמנטים. לוקליזציה אנדרסון רוחבית המלאה של אורך הגל של 633 ננומטר קורה רק לאחר כ 2.5 ס"מ של התפשטות 11,12, ולכן, החליט שהאורך 5 סנטימטר הוא מספיק למטרות שלנו. בגלל stocטבע hastic של לוקליזציה אנדרסון, שהיינו צריך לחזור על שני הניסויים והסימולציות ל100 מימושים, על מנת לאסוף נתונים סטטיסטיים מספיקים כדי להשוות את הערכים מספריים של הניסוי וקוטר אלומת הממוצע. בפועל, 100 מדידות שונות מתקבלות על ידי לקיחת חמש מדידות מופרדות מרחבית על כל אחד מ20 דגימות סיבי הפרעות השונות.
זה די קשה להכין את הסיבים האופטיים למדידות מסודרים הפולימר, בהשוואה לסיבים אופטיים מזכוכית. לדוגמה, לא ניתן להשתמש בשחיטה המתקדמת וכלים וטכניקות ליטוש שמפותחים עבור סיבים מבוססי סיליקה סטנדרטית. הליך מעודן לביקוע וליטוש סיבים אופטיים פולימר כבר דווח על ידי עאבדי ואח' 14;. השתמשנו בשיטות שלהם עם כמה שינויים קלים להכנת דגימות הסיבים שלנו. כדי לבקע סיב אופטי פולימר הפרעות, להב X-acto מעוגל מחומם עד 65 מעלות, C, סיבים ועד 37 מעלות צלזיוס. הטיפ של הסיבים מיושר על משטח חיתוך כך שיכול להתבצע נקי, בניצב לחתוך. הלהב ממוקם בצד של הסיבים, והתגלגל במהירות על פני. תהליך השחיטה כולו צריך להיעשות מהר ככל האפשר על מנת להבטיח כי הטמפרטורות של הלהב והסיבים אינן משתנות במידה ניכרת. לאחר ביקוע הסיב ובוחן אותו תחת מיקרוסקופ אופטי, סוף הסיבים הוא מלוטש באמצעות מלחכים גיליונות סיבים סטנדרטיים (0.3 מיקרומטר נייר Thorlabs LFG03P אלומיניום אוקסיד פוליש) כדי לוודא שכל פגמים קלים יוסרו. כדי למרק סוף הסיבים, הוא מוחזק בפינצטה עם פינצטה מחזיקה סיבים כ -1.5 מ"מ מפן הסוף להיות מלוטשים. הסיבים נמשכים על פני נייר באחד ארוכת אינץ' דמות בצורת 8 נתיבים, בערך פי שמונה. פוליש תוצאות הסיבים בקצוות חלקים כמו תחת בדיקת מיקרוסקופ האופטי. יתר על כן, ליטוש מאפשר צימוד ראוי locaמקום lized בסיבים, אשר בתורו מפחית את הנחתה הן בצימוד וגם במרחק ההתפשטות הראשוני לפני הנקודה המקומית נוצר.
אנחנו השתמשנו מאבחן מצלמת CCD קרן לתמונה את עוצמת אלומת הפלט. פרופיל עוצמת השדה קרוב נתפס באמצעות מטרת 40X. כדי למצוא את הגבולות של הסיבים, אנחנו רוויים CCD על ידי הגדלת כוחו של האור הנכנס מסיבי SMF630hp. לאחר איתור פרופיל העצמה של הקרן המקומית ביחס לגבולות, אנו קובעים CCD הקרן למאבחן האפשרות אוטומטי החשיפה. אנחנו השתמשנו בתמונה של פרופיל העצמה על מנת לחשב את רדיוס האלומה היעיל. על מנת להסיר את ההשפעה של רעש הסביבה, אנחנו מכוילים הליך עיבוד התמונה שלנו על מנת להבטיח שנקבל את קוטר האלומה הצפוי של סיבי SMF630hp. הערך שנמדד הממוצע של רדיוס הקורה והווריאציות שלה סביב הערך הממוצע מסכים גם עם numeסימולציות rical, כפי שמוצגות במס. 11. פרופיל קרן הפלט בסיבי הפולימר ברור כדלקמן שינוי בעמדה של קורה האירוע כפי שמוצג בשופטים. 11,12,13.
מחקר מקיף על ההשפעה של הפרמטרים העיצוב כגון גדלי הפרעה באתר ואת אורך גל באירוע רדיוס הקורה של הקורה המקומי הוצג בשופטים. 12,15.
Protocol
Representative Results
Discussion
בתהליך תיקו הסיבים, הפרופיל מקדם השבירה לא יישאר קבוע במשך יותר ממטר, הן בשל צולבות תורות של קווצות הסיבים המקוריות וגם בגלל הווריאציות של קוטר הסיב בתהליך התיקו. אנו מצפים כי תהליך תיקו יציב יותר יעזור לפברק סיב אופטי שהוא מעל שמורת אורכי סיבים ארוכים יותר בהשוואה ל?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי מענק מספר 1029547 מקרן הלאומית למדע. המחברים מבקשים להודות DJ וולקר מפרדיגמה אופטיקה בע"מ למתן מגזרי הסיבים הראשוניים והשרטוט של הסיב האופטי הסופי. מחברים גם להכיר סטיבן הרדקאסל והתר א אוון להדמית SEM.
Materials
| poly (methyl methacrylate) (PMMA) | |||
| polystyrene (PS) | |||
| 70% ethyl alcohol solution at 65 °C |
References
- Anderson, P. W. Absence of diffusion in certain random lattices. Phys. Rev. 109, 1492-1505 (1958).
- John, S. Strong localization of photons in certain disordered dielectric super lattices. Phys. Rev. Lett. 58, 2486-2489 (1987).
- Anderson, P. W. The question of classical localization: a theory of white paint?. Phil. Mag. B. 52, 505-509 (1985).
- Wiersma, D. S., Bartolini, P., Lagendijk, A., Righini, R. Localization of light in a disordered medium. Nature. 390, 671-673 (1997).
- Dalichaouch, R., Armstrong, J. P., Schultz, S., Platzman, P. M., McCall, S. L. Microwave localization by two-dimensional random scattering. Nature. 354, 53-55 (1991).
- Lagendijk, A. D., de Vries, P. Transverse localization of light. Phys. Rev. Lett. 62, 47 (1989).
- Schwartz, T., Bartal, G., Fishman, S., Segev, M. Transport and Anderson localization in disordered two dimensional photonic lattices. Nature. 446, 52-55 (2007).
- Szameit, A., Kartashov, Y. V., Zeil, P., Dreisow, F., Heinrich, M., Keil, R., Nolte, S., Tunnermann, A., Vysloukh, V. A., Torner, L. Wave localization at the boundary of disordered photonic lattices. Opt. Lett. 35, 1172-1174 (2010).
- Martin, L., Giuseppe, G. D., Perez-Leij, A. a., Keil, R., Dreisow, F., Heinrich, M., Nolte, S., Szameit, A., Abouraddy, A. F., Christodoulides, D. N., Saleh, B. E. A. Anderson localization in optical waveguide arrays with off-diagonal coupling disorder. Opt. Express. 19, 13636-13646 (2011).
- Lahini, Y., Avidan, A., Pozzi, F., Sorel, M., Morandotti, R., Christodoulides, D. N., Silberberg, Y. Anderson localization and nonlinearity in one-dimensional disordered photonic lattices. Phys. Rev. Lett. 100, 013906 (2008).
- Karbasi, S., Mirr, C. R., Yarandi, P. G., Frazier, R. J., Koch, K. W., Mafi, A. Observation of transverse Anderson localization in an optical fiber. Opt. Lett. 37, 2304-2306 (2012).
- Karbasi, S., Mirr, C. R., Frazier, R. J., Yarandi, P. G., Koch, K. W., Mafi, A. Detailed investigation of the impact of the fiber design parameters on the transverse Anderson localization of light in disordered optical fibers. Opt. Express. 20, 18692-18706 (2012).
- Karbasi, S., Koch, K. W., Mafi, A. Multiple-beam propagation in an Anderson localized optical fiber. Opt. Express. 21, (2013).
- Abdi, O., Wong, K. C., Hassan, T., Peters, K. J., Kowalsky, M. J. Cleaving of solid single mode polymer optical fiber for strain sensor applications. Opt. Commun. 282, 856-861 (2009).
- Karbasi, S., Koch, K. W., Mafi, A. A modal perspective on the transverse Anderson localization of light in disordered optical lattices. arXiv. 1301.2385v1, (2013).
- Karbasi, S., Hawkins, T., Ballato, J., Koch, K. W., Mafi, A. Transverse Anderson localization in a disordered glass optical fiber. Opt. Mater. Express. 2, 1496-1503 (2012).
