Fabricage en karakterisering van wanordelijke polymeer optische vezels voor Transversale Anderson lokalisatie van Licht

Summary

Wij ontwikkelen en karakteriseren van een ongeordende polymeer optische vezel die dwars Anderson lokalisatie gebruikt als een roman golfgeleidend mechanisme. Dit microgestructureerde vezel kan een kleine gelokaliseerde bundel transporteren met een straal die vergelijkbaar is met de bundel straal van conventionele optische vezels.

Abstract

Wij ontwikkelen en karakteriseren van een ongeordende polymeer optische vezel die dwars Anderson lokalisatie gebruikt als een roman golfgeleidend mechanisme. De ontwikkelde polymeer optische vezel is samengesteld uit 80.000 strengen van poly (methylmethacrylaat) (PMMA) en polystyreen (PS) die willekeurig worden gemengd en getrokken in een vierkante dwarsdoorsnede optische vezel met een kant breedte van 250 pm. Aanvankelijk, elke streng is 200 micrometer in diameter en 8-centimeter lang. Tijdens het mengproces van de oorspronkelijke vezelstrengen de vezels elkaar kruisen, maar een grote strekverhouding garandeert dat de brekingsindex profiel invariant over de lengte van de vezel van enkele tientallen centimeters. Het grote verschil in brekingsindex van 0,1 tussen de ongeordende gebieden resulteert in een kleine gelokaliseerde bundel radius die vergelijkbaar is met de bundel straal van conventionele optische vezels. De ingang licht wordt gelanceerd vanaf een standaard single mode glasvezel met behulp van de methode butt-koppeling en de neauitgang r-veld beam uit de ongeordende vezel wordt afgebeeld met behulp van een 40X objectief en een CCD-camera. De output straaldiameter stemt goed overeen met de verwachte resultaten van de numerieke simulaties. De wanordelijke optische vezel die in dit werk is het eerste apparaat-level implementatie van 2D Anderson lokalisatie, en kan mogelijk worden gebruikt voor het vervoer afbeelding en korte-afstandsvluchten optische communicatiesystemen.

Introduction

In een theoretisch werk van Anderson PW ¹ werd aangetoond dat de aanwezigheid van ziekte in een quantum elektronisch systeem, het diffusieproces stopt en gelokaliseerde elektronische toestanden ontwikkelen. Anderson lokalisatie is een golf fenomeen dat ook kan optreden voor klassieke golven zoals licht. Omdat de theoretische voorspelling van Anderson lokalisatie in optica ^2,3, zijn er vele pogingen om dit verschijnsel experimenteel realiseren met elektromagnetische golven ^4,5 zijn. Er is echter zeer moeilijk om sterke lokalisatie omdat de optische verstrooiing doorsneden vaak te klein vanwege de lage brekingsindex contrast meeste optische materialen. In 1989, De Raedt et al.. ⁶ blijkt dat het mogelijk is de Anderson lokalisatie waarnemen in een quasi-tweedimensionale ongeordende optisch systeem met lage brekingsindex contrasten. Zij toonden aan dat wanneer de aandoening is beperkt tot het dwarsvlak van een propagating golf in een langsrichting invariante medium, is de stralingshoek beperkt tot een klein gebied in de dwarsrichting door sterke transversale verstrooiing blijven. Transversale Anderson lokalisatie werd voor het eerst waargenomen in tweedimensionale golfgeleiders die zijn gemaakt met interferentie patronen in een foto-refractieve kristal ^7. Fused silica is het andere medium dat is gebruikt voor de observatie van dwarse Anderson lokalisatie ^8,9, waarbij ongeordende golfgeleiders worden geschreven femtoseconde pulsen langs de sample. Het verschil in brekingsindex van verstoorde gebieden in de hierboven genoemde systemen zijn in de orde van 10 ^-4, zodat de lokalisatie radius is vrij groot. Bovendien, de typische golfgeleiders meestal niet langer dan enkele centimeters, daarom kunnen zij niet praktisch voor geleide-golf toepassingen. We wijzen erop dat de waarneming van dwarse Anderson lokalisatie in een eendimensionale wanordelijke golfgeleider eerder in Re werd gemeldf ^10.

De optische vezel hier ontwikkeld heeft verschillende voordelen ten opzichte van het voorgaande realisaties van dwarse Anderson lokalisatie voor geleide-golf applicaties ^11,12. Enerzijds het grote verschil in brekingsindex tussen de 0.1 aandoening plaatsen van de vezel resulteert in een kleine gelokaliseerde bundel vergelijkbaar met de bundel straal van gewone optische vezels. Ten tweede kan het polymeer ongeordende optische vezel veel langer dan de ongeordende golfgeleiders extern geschreven in fotorefractieve kristallen of kwartsglas gemaakt. We waren in staat om dwars Anderson lokalisatie te observeren in een 60-cm-lange vezels ^11. Ten derde, het polymeer wanordelijke glasvezel is flexibel, waardoor het praktisch voor de echte wereld device-level applicaties die afhankelijk zijn van het vervoer van lichtgolven in vezels ^13.

Om de ongeordende optische vezel fabriceren 40.000 strengen PMMA en 40.000 strengen PS werden willekeurig gemengd, waarbij elke stren was 8 centimeter lang en 250 micrometer in doorsnede. De willekeurig gemengde strengen werden geassembleerd in een vierkante dwarsdoorsnede voorvorm met een kant-breedte van ongeveer 2,5 inch. De voorvorm werd vervolgens getrokken door een vierkant optische vezel met een zijde breedte van ongeveer 250 urn (figuur 1). Om willekeurig de oorspronkelijke vezelstrengen mengen, spreiden we een laag van PMMA glasvezel strengen op een grote tafel, voegde een laagje PS vezelstrengen, en vervolgens willekeurig door elkaar hen. De procedure werd vele malen herhaald totdat een goede willekeurig mengsel werd verkregen.

We gebruikten een scanning elektronenmicroscoop (SEM) toe aan het brekingsindex profiel van de ongeordende polymeer optische vezel. Regelmatige splitsende technieken zoals met een scherp mes verwarmd kan niet worden gebruikt om de vezel monsters te bereiden op de SEM beelden van de vezel einde tot het brekingsindex profiel kaart, omdat het mes beschadigt de morfologie van de vezel einde. Polijsten van de vezel heeft een soortgelijke nadelig effect op the kwaliteit van het vezeluiteinde. Om kwalitatief hoogwaardige monsters voor te bereiden op de SEM beeldvorming, we ondergedompeld elke vezel in vloeibare stikstof gedurende enkele minuten en daarna brak de vezel; indien het wordt gedaan op voldoende vezels monsters, deze methode resulteert in een paar goede fiber stukken (ongeveer 15% succes rate) met een zeer hoge kwaliteit en gladde oppervlakken einde voor de SEM beeldvorming. Vervolgens gebruikten een 70% ethanol oplossing bij 60 ° C gedurende ongeveer 3 minuten om de PMMA sites op het vezeleinde ontbinden; langere belichtingstijd kan het gehele vezeluiteinde desintegreren. We vervolgens bekleed de monsters met Au / Pd en plaatste ze in de SEM kamer. De ingezoomd SEM beeld van de ongeordende polymeer optische vezel is getoond in figuur 2. De lichtgrijze sites zijn PS en de donkere sites zijn PMMA. De totale breedte van de afbeelding is 24 micrometer, waar de kleinste kenmerken afmetingen in deze afbeelding zijn ~ 0,9 micrometer, die overeenkomt met de individuele website afmetingen van de vezel strengen, na de loting proces.

Om Characterize de golfgeleider eigenschappen van het ongeordende optische vezel, gebruikten we een He-Ne-laser bij 633 nm golflengte. De He-Ne laser is gekoppeld met een single mode optische vezel met SMF630hp een modevelddiameter van ongeveer 4 urn, die vervolgens butt-gekoppeld aan de ongeordende polymeer optische vezel met een hoge precisie gemotoriseerde fase. De uitgang wordt dan afgebeeld op een CCD camera beam profiler met een 40X objectief.

In de eerste reeks experimenten, kozen we 20 verschillende ongeordende vezels monsters, elk 5 cm lang, de 5 cm lengte werd gekozen om de voortplantinglengte in ons numerieke simulaties passen. De numerieke simulaties van de ongeordende vezels zijn over het algemeen zeer tijdrovend, zelfs op een high performance computing cluster met 1100 elementen. De volledige dwarse Anderson lokalisatie voor de golflengte van 633 nm gebeurt pas na ongeveer 2,5 cm van de vermeerdering ^11,12, daarom hebben we besloten dat de 5-cm lengte is voldoende voor onze doeleinden. Door de stochastic aard van de Anderson lokalisatie, moesten we zowel de experimenten en simulaties herhalen 100 realisaties, teneinde voldoende statistische gegevens te verzamelen om de experimentele en numerieke waarden van de gemiddelde bundeldiameter vergelijken. In de praktijk worden 100 verschillende afmetingen verkregen door vijf ruimtelijk gescheiden metingen op elk van de 20 verschillende ongeordende vezelmonsters.

Het is nogal moeilijk om de wanordelijke polymeer optische vezels voor metingen te bereiden, in vergelijking met glazen optische vezels. Zo kan men de geavanceerde splitsende en polijsten instrumenten en technieken die goed ontwikkeld voor standaard silica-gebaseerde vezel. Een verfijnde werkwijze voor het klieven en polijsten polymere optische vezels is gemeld door Abdi et al. ^14,. We gebruikten hun werkwijzen met enkele kleine aanpassingen aan onze vezelmonsters bereiden. Om splitsen een ongeordende polymeer optische vezel, wordt een gebogen X-Acto mes verhit tot 65, C, en de vezel 37 ° C. Het uiteinde van de vezel wordt afgestemd op een snijvlak zodat een schone, loodrechte snede kan worden gemaakt. Het blad wordt op de zijkant van de vezel, en snel werd gerold. Het gehele proces splitsen moet worden gedaan zo snel mogelijk te zorgen dat de temperatuur van het blad en vezels niet aanzienlijk veranderen. Na het splitsen van de vezels en de inspectie van het onder een optische microscoop, wordt de vezel einde gepolijst met behulp van standaard glasvezel lappen vel (0,3 micrometer Thorlabs LFG03P Aluminium Oxide Polishing Paper) om ervoor te zorgen dat alle kleine oneffenheden worden verwijderd. Om het vezeluiteinde polijsten wordt gehouden in een pincet met de pincet die de vezel ongeveer 1,5 mm van het eindvlak wordt geslepen. De vezel wordt getrokken over het papier in een-inch lange figuur-8-vormige paden, ongeveer acht keer. Polijsten van de vezel resulteert in gladdere randen geïnspecteerd onder de optische microscoop. Bovendien, polijsten vergemakkelijkt juiste koppeling naar een locatieseerde spot in de vezel, die op zijn beurt vermindert de demping zowel de koppeling als in de eerste propagatie afstand voor het puntsgewijs wordt gevormd.

We gebruikten een CCD-camera beam profiler op de foto om de output bundelintensiteit. Het nabije-veld intensiteitsprofiel werd gevangen met behulp van een 40X objectief. Om de grenzen van de vezel vinden we verzadigd de CCD van de vermogens van het inkomende licht van de SMF630hp vezel. Na het detecteren van de intensiteit profiel van de gelokaliseerde ligger ten opzichte van de grenzen, zetten we de CCD straal profiler de optie automatische belichting. We gebruikten het beeld van de intensiteit profiel, om de effectieve straal radius berekenen. Om het effect van het omgevingsgeluid verwijderen we beeldverwerkingsprocedure gekalibreerd zodat we de verwachte bundeldiameter van de SMF630hp vezel verkrijgen. De gemiddelde gemeten waarde van de bundel straal en zijn variaties rond de gemiddelde waarde ook eens met de numeRical simulaties, zie ref. ^11. De uitgangsbundel profiel in de polymere vezel volgt duidelijk een verandering in de positie van de invallende bundel zie refs. ^11,12,13.

Een uitgebreide studie van de invloed van de ontwerpparameters zoals de aandoening van verschillende omvang en de invallende golflengte van de bundel radius van de gelokaliseerde bundel werd in refs. ^12,15.

Protocol

1. Vervaardigen van een Disordered Polymer Optical Fiber Verspreid over 200 van de PMMA strengen op een tafel en verspreid evenveel PS strengen bovenop de PMMA. Mix en verpak de strengen. Herhaal deze procedure tot 40.000 strengen van PMMA willekeurig worden gemengd met 40.000 bundels van PS. Monteer de willekeurig gemengde strengen in een vierkant voorvorm met een zijde breedte van ongeveer 2,5 centimeter. Trek de voorvorm tot een optische vezel met een diameter van 250 urn. De voorvorm w…

Representative Results

De SEM beeld van de gepolijste vezel wordt weergegeven in figuur 1. De SEM-beeld in figuur 1 laat zien dat, voor de meeste regio's van de vezel tip, de Poolse kwaliteit is goed. De SEM-beeld van de vezel monsters waarvan de uiteinden zijn opgelost in ethylalcohol oplossing, figuur 2, toont de PMMA locaties in donkere en PS locaties in grijze kleuren. Het SEM-beeld in figuur 2 wordt ingezoomd op een 24 um breedte van de vezel. Voor SEM beeldvorming, …

Discussion

In de vezeltrekeenheid behandeling, heeft de brekingsindex profiel niet constant meer dan een meter, zowel vanwege de cross-overs van de oorspronkelijke vezelstrengen en ook vanwege de variaties van de vezeldiameter in de verstrekwerkwijze. We verwachten dat een stabielere verstrekwerkwijze zal helpen om een ​​optische vezel die invariant langere vezels, in vergelijking met die hier gerapporteerd fabriceren.

Bij de voorbereiding van een monster voor de SEM beelden van de vezel tip, moete…

Materials

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