Fabricação e caracterização de polímeros desordenados fibras ópticas para Transverse Anderson localização da Luz

Summary

Nós desenvolver e caracterizar uma fibra ótica de polímero desordenado que usa transversal localização Anderson como um novo mecanismo guia de onda. Esta fibra microestruturada pode transportar uma viga pequena localizada com um raio que é comparável com o raio do feixe de fibras ópticas convencionais.

Abstract

Nós desenvolver e caracterizar uma fibra ótica de polímero desordenado que usa transversal localização Anderson como um novo mecanismo guia de onda. A fibra óptica de polímero desenvolvido é composto de 80.000 filamentos de poli (metacrilato de metilo) (PMMA) e poliestireno (PS), que são misturadas aleatoriamente e desenhada dentro de uma secção transversal da fibra óptica quadrado com uma largura de 250 um de lado. Inicialmente, cada fio é de 200 m de diâmetro e 8 cm de comprimento. Durante o processo de mistura dos cordões de fibra originais, as fibras atravessam uns sobre os outros, no entanto, uma grande proporção de estiramento, que garante o perfil do índice de refracção é invariável ao longo do comprimento da fibra para várias dezenas de centímetros. A grande diferença de índice de refracção de 0,1 entre os sítios desordenados resulta num feixe de raio pequeno localizada que é comparável com o raio do feixe de fibras ópticas convencionais. A luz de entrada é lançado a partir de uma fibra óptica monomodo padrão usando o método butt-acoplamento ea near-campo do feixe de fibras de saída é desordenado fotografada usando uma objectiva de 40x e uma câmara CCD. O diâmetro do feixe de saída está de acordo com os resultados esperados a partir das simulações numéricas. A fibra óptica desordenada apresentada neste trabalho é a primeira implementação no nível do dispositivo de 2D Anderson localização e, potencialmente, pode ser usado para sistemas de comunicação óptica de curta distância de transporte e imagem.

Introduction

Em um trabalho teórico por PW Anderson ^1, demonstrou-se que, na presença de um distúrbio no sistema electrónico de quantum, pára o processo de difusão e estados electrónicos localizada desenvolver. Localização de Anderson é um fenómeno de onda que também pode ocorrer por ondas clássicas tais como a luz. Uma vez que a previsão teórica de localização de Anderson em óptica ^2,3, tem havido muitos esforços para realizar esse fenômeno experimentalmente com ondas eletromagnéticas ^4,5. No entanto, tem sido muito difícil de alcançar um forte localização porque as secções transversais de espalhamento ópticos são muitas vezes demasiado pequena, devido ao baixo índice de refracção contrário da maioria dos materiais ópticos. Em 1989, De Raedt et ai. ⁶ mostraram que é possível observar a localização Anderson em um sistema óptico desordenada quase bidimensional com baixo índice de refracção contrastes. Eles mostraram que a desordem se está confinada ao plano transversal de uma escoraagating onda num meio longitudinalmente invariável, o feixe pode ficar confinada a uma pequena região na direcção transversal, devido a uma forte dispersão transversal. Transverse Anderson localização foi observada pela primeira vez em guias de onda bidimensionais que foram criadas usando os padrões de interferência em um cristal foto-refrativo ^7. Sílica fundida é outro meio que foi utilizado para a observação da localização transversal Anderson ^8,9, guias de onda, onde desordenadas são escritos usando pulsos femtosecond ao longo da amostra. A diferença de índice de refracção de sítios desordenados nos sistemas acima mencionados são da ordem de 10 ^-4, de modo que o raio de localização é muito grande. Além disso, os guias de ondas típicas não são geralmente mais do que alguns centímetros e, portanto, eles podem não ser práticas para aplicações de onda guiada. Ressalta-se que a observação de transversal Anderson localização em um guia de ondas desordenado unidimensional foi relatado anteriormente no Ref ^10.

A fibra óptica desenvolvida aqui tem várias vantagens em relação às realizações anteriores de localização transversal Anderson para aplicações de onda guiada ^11,12. Em primeiro lugar, a grande diferença de refracção de 0,1 entre os sítios desordem dos resultados de fibra em um pequeno feixe localizada comparável com o raio do feixe de fibras ópticas regulares. Em segundo lugar, o polímero desordenada da fibra óptica pode ser feito muito mais tempo do que os guias de ondas desordenadas escritas externamente em cristais fotorrefrativos ou sílica fundida. Pudemos observar transversal localização de Anderson em uma de 60 cm de comprimento de fibra ^11. Em terceiro lugar, o polímero desordenado de fibra óptica é flexível, tornando-o prático para aplicações em nível de dispositivo do mundo real que dependem do transporte de ondas de luz em fibras ^13.

Para a fabricação da fibra óptica desordenada, 40.000 fios de PMMA e 40.000 fios de PS foram aleatoriamente mista, onde cada stre era de 8 polegadas de comprimento e 250 um de diâmetro. Os cordões misturados aleatoriamente, foram reunidos em um pré-molde de secção quadrada com um lado de largura de cerca de 2,5 polegadas. A pré-forma foi então desenhada para uma fibra óptica de quadrado com uma largura lateral de cerca de 250 mM (Figura 1). A fim de misturar aleatoriamente os cordões de fibra originais, que se espalhar uma camada de fios de fibra de PMMA sobre uma grande mesa, adicionou-se uma camada de fios de fibra de PS, e em seguida misturou-aleatoriamente em conjunto. O procedimento foi repetido muitas vezes até uma boa mistura aleatória foi obtida.

Foi utilizado um microscópio eletrônico de varredura (MEV) para a imagem do perfil de índice de refração da fibra óptica polímero desordenado. Técnicas de clivagem regulares, tais como a utilização de uma lâmina afiada aquecida não pode ser utilizado para preparar as amostras de fibras para a imagem SEM da extremidade da fibra para traçar o seu perfil de índice de refracção, a lâmina de dano, porque a morfologia da extremidade da fibra. Polir a fibra tem um impacto prejudicial sobre semelhante the qualidade da extremidade da fibra. A fim de preparar amostras de alta qualidade para a imagem de SEM, que cada fibra submerso em nitrogênio líquido por alguns minutos e, em seguida, quebrou a fibra, se feitos em amostras de fibras suficientes, este método resulta em algumas boas peças de fibra (em torno de 15% de sucesso rate) com alta qualidade e suave superfícies finais para a imagem SEM. Utilizou-se uma solução a 70% de álcool etílico a 60 ° C durante cerca de 3 minutos para dissolver os sítios de PMMA na extremidade da fibra, maior tempo de exposição pode desintegrar-se toda a extremidade da fibra. Em seguida, as amostras revestidas com Au / Pd e os colocou na câmara de SEM. O zumbido em imagem SEM da fibra óptica polímero desordenada é mostrado na Figura 2. Os sites de cinza claro são PS e os locais escuros são PMMA. A largura total da imagem é de 24 mM, onde os tamanhos menores características nesta imagem são ~ 0,9 mM, correspondentes aos tamanhos de locais individuais dos cordões de fibra, após o processo de sorteio.

A fim de characterize as propriedades de guia de onda da fibra óptica desordenado, utilizou-se um laser de He-Ne 633 nm no comprimento de onda. O laser He-Ne é acoplado a um único modo SMF630hp fibra óptica com um diâmetro de cerca de 4 um, o qual é então acoplado a extremidade-a fibra óptica polímero desordenada usando uma fase de alta precisão motorizado campo de modo. A saída é, então, trabalhada em uma câmera CCD profiler feixe usando uma objetiva de 40X.

No primeiro conjunto de experiências, nós escolhemos 20 amostras diferentes de fibra desordenados, cada 5 cm de comprimento, o comprimento de 5 cm foi escolhido para coincidir com o comprimento de propagação nos simulações numéricas. As simulações numéricas da fibra desordenada são geralmente muito demorado, mesmo em um cluster de computação de alto desempenho com 1100 elementos. O pleno localização Anderson transversal para o comprimento de onda de 633 nm só acontece depois de cerca de 2,5 cm de propagação ^11,12, por isso, decidimos que o comprimento de 5 cm é suficiente para os nossos propósitos. Devido à stocnatureza hastic da localização Anderson, precisamos repetir ambos os experimentos e as simulações para 100 realizações, a fim de recolher estatísticas suficientes para comparar os valores experimentais e numéricos do diâmetro do feixe. Na prática, 100 medições diferentes são obtidos tomando cinco medições separadas espacialmente em cada uma das 20 amostras diferentes de fibras desordenadas.

É relativamente difícil preparar as fibras ópticas para medições de polímero desordenados, em comparação com fibras ópticas de vidro. Por exemplo, não se pode utilizar a clivagem avançados e ferramentas de polimento e técnicas que são bem desenvolvidas para a fibra à base de sílica padrão. Um procedimento aperfeiçoado para clivar e polimento fibras ópticas poliméricas tem sido relatada por Abdi et ^{al, 14,.} Usamos os seus métodos com algumas modificações menores para preparar os nossos amostras de fibras. A fim de clivar um polímero desordenada de fibra óptica, uma curva de X-Acto lâmina é aquecida a 65 °: C, e a fibra a 37 ° C. A ponta da fibra é alinhada com uma superfície de corte de modo a que, de um corte perpendicular limpa pode ser feita. A lâmina é colocada no lado da fibra, e rapidamente enrolado transversalmente. Todo o processo de clivagem deve ser feito tão rápido quanto possível para assegurar que as temperaturas da lâmina e de fibras não mudam consideravelmente. Após a clivagem da fibra e inspeccionar lo sob um microscópio óptico, a extremidade da fibra é polida utilizando folhas que dobram fibra standard (0,3 mM Thorlabs LFG03P de óxido de alumínio de papel de lustro) para assegurar que quaisquer imperfeições menores são removidos. Para polir a extremidade da fibra, que é realizada com um par de pinças com uma pinça, segurando a fibra de aproximadamente 1,5 mm da face de extremidade ser polido. A fibra é desenhada sobre o papel no longa-inch figura-8 em forma de caminhos, aproximadamente oito vezes. Polir os resultados de fibra em bordas mais suaves como inspecionados sob o microscópio óptico. Além disso, facilita o acoplamento de polimento adequado a um locazado no local da fibra, que por sua vez reduz a atenuação tanto no acoplamento e também à distância inicial antes do ponto de propagação localizada é formada.

Usamos uma câmera CCD feixe profiler para a imagem da intensidade do feixe de saída. O perfil de intensidade de campo próximo foi capturado usando uma objetiva de 40X. A fim de encontrar os limites da fibra, que o CCD saturado, aumentando a potência da luz recebida a partir da fibra SMF630hp. Após detectar o perfil de intensidade do feixe localizada com respeito às fronteiras, definimos o CCD viga de perfil para a opção de auto-exposição. Utilizou-se a imagem do perfil de intensidade para o cálculo do raio do feixe eficaz. A fim de eliminar o efeito do ruído ambiente, que calibrado nosso procedimento de processamento de imagem para garantir que obtemos o diâmetro esperado do feixe de fibras SMF630hp. O valor médio medido do raio do feixe e suas variações ao redor do valor médio estão bem de acordo com o numesimulações Rical, como mostrado na Ref. ^11. O perfil do feixe de saída, em fibra de polímero resulta claramente uma mudança na posição do feixe incidente, como mostrado na Refs. ^11,12,13.

Um estudo detalhado do impacto dos parâmetros de projeto, tais como o tamanho do site transtorno eo comprimento de onda incidente sobre o raio do feixe do feixe localizada foi apresentado em Refs. ^12,15.

Protocol

1. Fabricação de um desordenado Polymer Optical Fiber Espalhe cerca de 200 das fitas de PMMA sobre uma mesa e espalhar o mesmo número de fios de PS no topo do PMMA. Misturar e embalar os fios. Repita este procedimento até 40 mil fios de PMMA são misturados de forma aleatória com 40.000 fios de PS. Montar os fios misturados de forma aleatória para um pré-molde quadrado com uma largura lateral de cerca de 2,5 polegadas. Desenhar a pré-forma de uma fibra óptica, com um diâmetro de …

Representative Results

A imagem SEM da fibra polido é mostrado na Figura 1. A imagem de SEM da Figura 1 mostra que, para a maioria das regiões da ponta da fibra, a qualidade polonês é bom. A imagem de SEM das amostras de fibra com as suas extremidades dissolvidos em solução de álcool etílico, a Figura 2, mostra os locais de PMMA em sítios escuros e PS em cores cinzentas. A imagem de SEM na Figura 2 é ampliado em uma largura de 24 mM da fibra. Para a imagem MEV, as a…

Discussion

No processo de sorteio de fibras, o perfil do índice de refracção não permanece estável durante mais do que um metro, tanto por causa dos cross-overs de cordões de fibra originais e também por causa das variações do diâmetro da fibra no processo de sorteio. Esperamos que um processo de sorteio mais estável vai ajudar a fabricar uma fibra óptica que é invariante sobre o comprimento das fibras mais longas em comparação com o relatado aqui.

Na preparação de uma amostra para a i…

Materials

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