Fabbricazione e caratterizzazione di polimeri disordinati fibre ottiche per la Trasversale localizzazione di Anderson di Luce

Summary

Sviluppiamo e caratterizzare una fibra ottica polimerica disordinata che utilizza trasversale localizzazione Anderson come un meccanismo waveguiding romanzo. Questa fibra microstrutturata può trasportare un piccolo fascio localizzato con un raggio che è paragonabile al raggio del fascio di fibre ottiche convenzionali.

Abstract

Sviluppiamo e caratterizzare una fibra ottica polimerica disordinata che utilizza trasversale localizzazione Anderson come un meccanismo waveguiding romanzo. La fibra ottica polimerica sviluppato è composto di 80.000 filamenti di poli (metilmetacrilato) (PMMA) e polistirene (PS), che sono mescolati e trascinati in una sezione trasversale di fibra ottica quadrato con un lato di larghezza 250 pm casualmente. Inizialmente, ogni filo è di 200 micron di diametro e 8 centimetri di lunghezza. Durante il processo di miscelazione dei fili in fibra originali, le fibre si incrociano tra loro, tuttavia, un grande rapporto di stiro garantisce che il profilo di indice di rifrazione è invariante lungo la lunghezza della fibra per parecchie decine di centimetri. La grande differenza dell'indice di rifrazione di 0,1 tra i siti disordinati risultati in un piccolo raggio fascio localizzato che è paragonabile al raggio del fascio di fibre ottiche convenzionali. La luce di ingresso viene lanciato da una fibra standard di singolo modo ottico con il metodo testa a testa di accoppiamento e la near-field fascio in uscita dalla fibra disordinata viene ripreso con un obiettivo 40X e una camera CCD. Il diametro del raggio di uscita ben si accorda con i risultati attesi dalle simulazioni numeriche. La fibra ottica disordinata presentato in questo lavoro è la prima implementazione a livello di dispositivo di localizzazione di Anderson in 2D, e può potenzialmente essere utilizzato per il trasporto delle immagini e sistemi di comunicazione ottica a corto raggio.

Introduction

In un lavoro teorico di PW Anderson ^1, è stato dimostrato che in presenza di disordine in un sistema elettronico quantistico, si ferma il processo di diffusione e stati elettronici localizzati sviluppano. Anderson localizzazione è un fenomeno ondulatorio che può verificarsi anche per onde classiche come luce. Poiché la previsione teorica di localizzazione di Anderson in ottica ^2,3, ci sono stati molti sforzi per realizzare questo fenomeno sperimentalmente con onde elettromagnetiche ^4,5. Tuttavia, è stato molto difficile ottenere una forte localizzazione perché le sezioni trasversali di scattering ottiche sono spesso troppo piccole per il contrasto basso indice di rifrazione della maggior parte dei materiali ottici. Nel 1989, De Raedt et al. ⁶ hanno mostrato che è possibile osservare la localizzazione Anderson in un sistema ottico disordinato quasi-bidimensionale con contrasti bassi di indice di rifrazione. Essi hanno dimostrato che se il disturbo è confinata al piano trasversale di un puntelloagating onda in un mezzo longitudinalmente invariante, il fascio può rimanere confinato in una piccola regione in direzione trasversale a causa della forte dispersione trasversale. Trasversale localizzazione di Anderson è stato osservato in guide d'onda bidimensionali che sono stati creati utilizzando modelli di interferenza in un cristallo foto-refrattiva ^7. Silice fusa è l'altro mezzo che è stato utilizzato per l'osservazione di localizzazione trasversale Anderson ^8,9, dove disordinati guide d'onda vengono scritti con impulsi a femtosecondi lungo il campione. La differenza dell'indice di rifrazione di siti disordinati nei suddetti sistemi sono dell'ordine di 10 ^-4, quindi il raggio di localizzazione è piuttosto grande. Inoltre, le guide d'onda tipiche non sono di solito più lungo di qualche centimetro, pertanto, non può essere pratico per le applicazioni di guida d'onda. Si evidenzia che l'osservazione di traverso la localizzazione di Anderson in una guida d'onda unidimensionale disordinata stato riferito in precedenza in Ref ^10.

La fibra ottica sviluppata qui ha diversi vantaggi rispetto alle precedenti realizzazioni di traverso localizzazione Anderson per applicazioni guidata di onde ^11,12. Prima, la grande differenza di rifrazione 0,1 tra i siti disordine dei risultati fibre in un piccolo fascio localizzato paragonabile al raggio del fascio di fibre ottiche regolare. In secondo luogo, la fibra ottica polimerica disordinata può essere reso molto più lungo delle guide d'onda disordinati scritti esternamente in cristalli fotorifrattivi o silice fusa. Siamo stati in grado di osservare trasversale localizzazione di Anderson in un 60-cm-fibra lunga ^11. In terzo luogo, la fibra ottica polimerica disordinato è flessibile, rendendo più pratico per le applicazioni reali dispositivo di livello mondiale che si basano sul trasporto di onde di luce in fibre ^13.

Per fabbricare la fibra ottica disordinata, 40.000 fili di PMMA e 40.000 fili di PS erano casualmente mista, in cui ogni stred era lunga 8 centimetri di lunghezza e 250 micron di diametro. I filamenti casualmente miste sono stati assemblati in un quadrato di sezione preforma con un lato-larghezza di circa 2,5 pollici. La preforma è stato poi elaborato ad una fibra ottica quadrato con un lato di larghezza di circa 250 micron (Figura 1). Al fine di mescolare in modo casuale i fili in fibra originali, diffondiamo uno strato di PMMA filamenti in fibra su un grande tavolo, aggiunto uno strato di filamenti di fibra di PS, e poi li misti a caso insieme. La procedura è stata ripetuta molte volte fino ad ottenere una buona miscela casuale.

Abbiamo utilizzato un microscopio elettronico a scansione (SEM) per l'immagine del profilo d'indice di rifrazione della fibra ottica polimerica disordinata. Tecniche cleaving regolari come usando una lama tagliente riscaldata non possono essere utilizzati per preparare i campioni di fibre per la formazione immagine SEM di fine fibra di mappare suo profilo dell'indice di rifrazione, perché la lama danneggi la morfologia della fibra finale. Lucidatura della fibra ha un impatto negativo simile sulla °qualità e della fine della fibra. Per preparare i campioni di alta qualità per la formazione immagine SEM, siamo sommersi ogni fibra in azoto liquido per alcuni minuti e poi si è rotto la fibra, se fatto su campioni di fibre sufficienti, questo metodo si traduce in un paio di pezzi in fibra di buoni (circa il 15% di successo rate) con superfici di fascia molto alta qualità e liscia per la formazione immagine SEM. Abbiamo poi utilizzato un 70% di soluzione di alcool etilico a 60 ° C per circa 3 minuti per sciogliere i siti PMMA all'estremità della fibra; esposizione più lunga può disintegrare l'intera estremità della fibra. Abbiamo poi rivestito i campioni con Au / Pd e li mise nella camera di SEM. La zoomata Immagine SEM della fibra disordinata polimero ottico è mostrato in Figura 2. I siti sono grigio chiaro PS ed i siti scuri sono in PMMA. La larghezza totale dell'immagine è di 24 micron, dove le più piccole caratteristiche dimensioni in questa immagine sono ~ 0.9 micron, corrispondenti alle singole dimensioni del sito dei filamenti di fibra, dopo il processo di estrazione.

Al fine di caratteRize le proprietà di guida d'onda della fibra ottica disordinata, abbiamo utilizzato un laser He-Ne a 633 nm di lunghezza d'onda. Il laser He-Ne è accoppiata ad un singolo modo SMF630hp fibra ottica con un diametro del campo modalità di circa 4 micron, che viene poi Butt-accoppiati alla fibra ottica polimerica disordinata utilizzando uno stadio ad alta precisione motorizzato. L'uscita viene poi ripreso in una telecamera CCD beam profiler utilizzando un obiettivo 40X.

Nella prima serie di esperimenti, abbiamo scelto 20 differenti campioni di fibre disordinate, ogni 5 cm di lunghezza, la lunghezza di 5 cm è stato scelto in base alla lunghezza di propagazione nelle nostre simulazioni numeriche. Le simulazioni numeriche della fibra disordinata sono in genere richiede molto tempo, anche su un cluster di calcolo ad alte prestazioni con 1.100 elementi. La piena trasversale localizzazione Anderson per la lunghezza d'onda di 633 nm avviene solo dopo circa 2,5 cm di propagazione ^11,12, quindi, abbiamo deciso che la lunghezza di 5 cm è sufficiente per i nostri scopi. A causa della stocnatura hastic della localizzazione Anderson, abbiamo bisogno di ripetere entrambi gli esperimenti e le simulazioni per 100 realizzazioni, al fine di raccogliere dati statistici sufficienti per confrontare i valori sperimentali e numerici del diametro medio raggio. In pratica, 100 misure differenti sono ottenuti prendendo cinque misurazioni separate spazialmente su ciascuno dei 20 diversi campioni di fibre disordinati.

È abbastanza difficile preparare le fibre ottiche polimeriche disordinati per misure, rispetto a fibre ottiche di vetro. Ad esempio, non si può usare la congiunzione avanzate e strumenti di lucidatura e le tecniche che sono ben sviluppati per la fibra a base di silice standard. Una procedura raffinato per la scissione e la lucidatura fibre ottiche polimeriche è stata riportata da Abdi et al ^14,. Abbiamo usato i loro metodi con qualche piccola modifica per preparare i nostri campioni di fibre. Per aderire una fibra ottica polimerica disordinata, una curva lama di un taglierino viene riscaldata a 65 °, C, e la fibra a 37 ° C. La punta della fibra è allineata su una superficie di taglio in modo che un taglio perpendicolare può essere fatto. La lama è posizionato sul lato della fibra, e rapidamente rotolò. L'intero processo di sfaldatura dovrebbe essere fatto il più velocemente possibile per garantire che le temperature della lama e la fibra non cambiano notevolmente. Dopo fendendo la fibra e ispezionarlo al microscopio ottico, l'estremità della fibra è lucidato con fogli di lappatura della fibra standard (0,3 micron Thorlabs LFG03P ossido di alluminio lucidatura Paper) per garantire che eventuali piccole imperfezioni sono rimossi. Per lucidare l'estremità della fibra, si è svolta in un paio di pinzette con le pinze che tengono la fibra a circa 1,5 mm dalla superficie frontale di essere lucido. La fibra viene disegnata la carta nel lungo un pollice figura-8-shaped percorsi, circa otto volte. Lucidatura i risultati in fibra di bordi più regolari ad ispezione al microscopio ottico. Inoltre, la lucidatura facilita accoppiamento corretto di un locamacchia lizzata nella fibra, che a sua volta riduce l'attenuazione sia nel giunto e anche nella distanza di propagazione iniziale prima localizzato il punto è formato.

Abbiamo usato una telecamera CCD fascio profiler di immagine l'intensità del fascio di uscita. Il profilo di intensità di campo vicino è stata catturata con un obiettivo 40X. Per trovare i confini della fibra, abbiamo saturato il CCD aumentando la potenza della luce in arrivo dalla fibra SMF630hp. Dopo aver rilevato il profilo di intensità del fascio localizzato rispetto ai confini, abbiamo impostato il CCD fascio Profiler per l'opzione auto-esposizione. Abbiamo usato l'immagine del profilo di intensità per calcolare il raggio del fascio effettivo. Al fine di eliminare l'effetto del rumore ambientale, abbiamo calibrato nostra procedura di elaborazione dell'immagine per garantire che si ottiene il diametro del fascio atteso della fibra SMF630hp. Il valore medio misurato del raggio trave e le sue variazioni intorno al valore medio concorda bene con il numesimulazioni mochimico, come mostrato in rif. ^11. Il profilo del fascio di uscita nella fibra polimerica segue chiaramente un cambiamento nella posizione del fascio incidente come mostrato in Refs. ^11,12,13.

Un ampio studio dell'impatto dei parametri di progetto, quali le dimensioni del sito disordine e la lunghezza d'onda incidente sul raggio del fascio del fascio localizzato è stata presentata in Refs. ^12,15.

Protocol

1. Realizzazione di un Disordine fibra ottica polimerica Diffondere circa 200 dei trefoli PMMA su un tavolo e diffondere lo stesso numero di trefoli PS sopra il PMMA. Mescolare e riempire i filamenti. Ripetere questa procedura fino a 40.000 fili di PMMA sono mescolati in modo casuale con 40.000 fili di PS. Montare i fili a caso misti in una preforma quadrata con un lato larghezza di circa 2,5 pollici. Disegnare la preforma in una fibra ottica con un diametro di 250 pm. La preforma viene di…

Representative Results

L'immagine SEM della fibra lucidato è mostrato in Figura 1. L'immagine SEM in Figura 1 mostra che, per la maggior parte delle regioni di punta della fibra, la qualità polacca è buona. L'immagine SEM dei campioni di fibre con le loro estremità disciolti in soluzione di alcool etilico, la Figura 2, mostra i siti di PMMA in siti scure e PS in sfumature di grigio. L'immagine SEM di Figura 2 è ingrandita su una larghezza di 24 micron del…

Discussion

Nel processo di estrazione della fibra, il profilo dell'indice di rifrazione non rimane costante per più di un metro, sia per gli incroci dei fili in fibra originali e anche a causa delle variazioni del diametro delle fibre nel processo di estrazione. Ci aspettiamo che un processo di estrazione più stabile contribuisce a fabbricare una fibra ottica che è invariante su lunghezze di fibra più lunghi rispetto a quello riportato qui.

Nel preparare un campione per la formazione immagine S…

Materials

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