تصنيع وتوصيف المختلين بوليمر ألياف البصرية لعرضية أندرسون توطين الضوء
Summary
ونحن في تطوير وتميز الألياف البصرية البوليمر المختلين يستخدم مستعرض أندرسون توطين كآلية waveguiding الرواية. هذه الألياف microstructured يمكن نقل شعاع المترجمة صغيرة مع نصف قطرها التي هي مماثلة لدائرة نصف قطرها شعاع من الألياف البصرية التقليدية.
Abstract
ونحن في تطوير وتميز الألياف البصرية البوليمر المختلين يستخدم مستعرض أندرسون توطين كآلية waveguiding الرواية. وتتكون الألياف البوليمر المتقدمة البصرية من 80،000 خيوط من بولي (ميتاكريليت الميثيل) (PMMA) والبوليسترين (PS) أن يتم خلط عشوائيا وتعادل في المقطع العرضي الألياف البصرية مربع مع عرض الجانب من 250 ميكرون. في البداية، كل حبلا هو 200 ميكرون في القطر و 8 بوصات طويلة. أثناء عملية الخلط من فروع الألياف الأصلي، والألياف عبور فوق بعضها البعض، ولكن نسبة كبيرة التعادل يضمن أن ملف التعريف معامل الانكسار ثابتة على طول الألياف لعدة عشرات من السنتيمترات. الفرق معامل الانكسار كبيرة من 0.1 بين النتائج مواقع المختلين في دائرة نصف قطرها صغير شعاع المترجمة التي هي مماثلة لدائرة نصف قطرها شعاع من الألياف البصرية التقليدية. يتم تشغيل ضوء المدخلات من الألياف البصرية القياسية وضع واحد باستخدام طريقة بعقب اقتران ونيايتم تصوير شعاع خرج R-حقل من الألياف المختلين باستخدام الهدف 40X وكاميرا CCD. قطر شعاع الناتج يتفق تماما مع النتائج المتوقعة من عمليات المحاكاة العددية. الألياف البصرية المختلين قدمت في هذا العمل هو أول تنفيذ على مستوى الجهاز من 2D أندرسون التعريب، ويمكن أن تستخدم لأنظمة الاتصالات البصرية لمسافات قصيرة نقل الصورة و.
Introduction
في العمل النظري من قبل PW أندرسون 1، أنه قد تبين أنه في وجود اضطراب في نظام إلكتروني الكم، توقف عملية نشر والدول الإلكترونية المترجمة تطوير. أندرسون التوطين هي ظاهرة الموجة التي يمكن أيضا أن تحدث لموجات كلاسيكية مثل الضوء. منذ التنبؤ النظري من أندرسون التعريب في مجال البصريات 2،3، كانت هناك العديد من الجهود المبذولة لتحقيق هذه الظاهرة تجريبيا مع الموجات الكهرومغناطيسية 4،5. ومع ذلك، فقد كان من الصعب جدا تحقيق توطين قوية لأن المقاطع العرضية نثر البصرية غالبا ما تكون صغيرة جدا وذلك بسبب انخفاض مؤشر الانكسار النقيض من معظم المواد البصرية. في عام 1989، وأظهر دي Raedt وآخرون. 6 أنه من الممكن لمراقبة توطين أندرسون في النظام البصري المختلين شبه ثنائية الأبعاد مع انخفاض التناقضات معامل الانكسار. وأظهر الباحثون أنه إذا كان يقتصر اضطراب في الطائرة عرضية من دعامةagating موجة في وسط ثابتة طوليا، يمكن أن تبقى شعاع محصورة في منطقة صغيرة في الاتجاه العرضي بسبب تشتت عرضية قوية. ولوحظ عرضية أندرسون التعريب الأول في الدليل الموجي ثنائي الأبعاد التي تم إنشاؤها باستخدام أنماط التدخل في بلورة الصور الانكسار 7. السيليكا تنصهر هي الوسيلة الأخرى التي استخدمت لمراقبة عرضية أندرسون توطين 8،9، حيث تتم كتابة الدليل الموجي المختلين باستخدام نبضات الفيمتو ثانية على طول العينة. الفرق معامل الانكسار من المواقع المختلين في الأنظمة المذكورة أعلاه هي على ترتيب 10 -4، وبالتالي فإن دائرة نصف قطرها التعريب هو كبير جدا. بالإضافة إلى ذلك، الدليل الموجي النموذجية هي عادة ليست أطول من عدة سنتيمترات، وبالتالي، فإنها قد لا تكون عملية لتطبيقات الموجهة الموجة. و نشير إلى أن مراقبة عرضية أندرسون التعريب في الدليل الموجي المختلين ذات بعد واحد وأفيد في وقت سابق ردF 10.
الألياف البصرية المتقدمة هنا لديها العديد من المزايا على انجازاتهم السابقة من عرضية أندرسون توطين للتطبيقات الموجهة موجة 11،12. أولا، الفرق الانكسار كبيرة من 0.1 بين المواقع اضطراب في نتائج الألياف في شعاع المترجمة صغيرة مماثلة لدائرة نصف قطرها شعاع للألياف الضوئية العادية. ثانيا، يمكن إجراء المختلين الألياف البصرية البوليمر أطول بكثير من الدليل الموجي المختلين مكتوب خارجيا إلى بلورات السيليكا تنصهر أو photorefractive. كنا قادرين على مراقبة عرضية أندرسون التعريب في الألياف بطول 60 سم 11. الثالث، والمختلين الألياف البصرية البوليمر مرنة، مما يجعل من عملية لتطبيقات حقيقية على مستوى الجهاز العالم التي تعتمد على نقل موجات الضوء في الألياف 13.
من أجل افتعال الألياف البصرية المختلين، كانت 40،000 خيوط البولى ميثيل ميثا أكريلات و40،000 خيوط PS مختلطة عشوائيا، حيث كل شارعوكان 8 بوصة طويلة و 250 ميكرون في القطر. تم تجميع خيوط مختلطة عشوائيا في مربع المقطع العرضي التشكيل مع الجانبية وعرضها حوالي 2.5 بوصة. ثم تم رسمها التشكيل إلى الألياف البصرية مربع مع عرض الجانب من حوالي 250 ميكرون (الشكل 1). من أجل خلط عشوائيا فروع الألياف الأصلي، ونحن انتشار طبقة من خيوط الألياف PMMA على جدول كبير، إضافة طبقة من خيوط الألياف PS، ثم يخلط عشوائيا بين بعضهم البعض. ويتكرر هذا الإجراء عدة مرات حتى تم الحصول على خليط عشوائي جيدة.
استخدمنا المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لصورة الملف الشخصي معامل الانكسار للألياف البصرية البوليمر المختلين. تقنيات الشق العادية مثل استخدام شفرة حادة ساخنة لا يمكن أن تستخدم لإعداد العينات من الألياف للتصوير SEM من نهاية الألياف لرسم صورتها معامل الانكسار، وذلك بسبب الأضرار النصل مورفولوجية نهاية الألياف. تلميع الألياف له تأثير ضار مماثلة على الجودة (ه) من نهاية الألياف. من أجل إعداد عينات عالية الجودة للتصوير SEM، ونحن المغمورة كل الألياف في النيتروجين السائل لعدة دقائق ثم كسر الألياف، وإذا كان القيام به على ما يكفي من عينات الألياف، نتائج هذه الطريقة في بضع قطع من الألياف الجيدة (حوالي نجاح 15٪ معدل) مع نهاية السطوح ذات الجودة العالية جدا وسلس للتصوير SEM. ثم استخدمنا 70٪ ايثيل الكحول الحل عند 60 درجة مئوية لمدة حوالي 3 دقائق لإذابة مواقع PMMA على نهاية الألياف، ويمكن التعرض لفترة أطول تتفكك نهاية الألياف بأكمله. نحن ثم المغلفة العينات مع الاتحاد الافريقي / المشتريات ووضعتها في غرفة SEM. والتكبير في SEM صورة من الألياف البصرية البوليمر المختلين هو مبين في الشكل 2. مواقع الرمادي الفاتح هي PS والمواقع المظلمة هي PMMA. عرض إجمالية للصورة هو 24 ميكرون حيث أصغر ميزات الأحجام في هذه الصورة هي ~ 0.9 ميكرون، المقابلة لأحجام موقع الفرد من فروع الألياف، بعد عملية القرعة.
من أجل شخصيتريزي خصائص الدليل الموجي من الألياف البصرية المختلين، استخدمنا الليزر هو-NE في الطول الموجي 633 نانومتر. ويقترن هو-NE الليزر لوضع واحد من الألياف البصرية SMF630hp التي يبلغ قطرها مجال وضع من حوالي 4 ميكرون، والتي يتم بعد ذلك بعقب بالإضافة إلى الألياف البصرية البوليمر المختلين باستخدام مرحلة عالية الدقة الآلية. ثم يتم تصويرها الإخراج على كاميرا CCD شعاع التعريف باستخدام الهدف 40X.
في المجموعة الأولى من التجارب، اخترنا 20 عينات مختلفة من الألياف المختلين، كل 5 سم طويلة؛ تم اختيار طول 5 سم لتتناسب مع طول الانتشار في المحاكاة العددية لدينا. عمليات المحاكاة العددية للألياف المختلين عموما تستغرق وقتا طويلا جدا، حتى على كتلة الحوسبة عالية الأداء مع 1،100 العناصر. كامل عرضية أندرسون توطين لطول الموجة من 633 نانومتر يحدث إلا بعد حوالي 2.5 سم من انتشار 11،12، وبالتالي، قررنا أن طول 5 سم ويكفي لأغراضنا. بسبب جواربطبيعة hastic من توطين أندرسون، نحن في حاجة لتكرار التجربتين والمحاكاة ل100 انجازاتهم، من أجل جمع إحصاءات كافية لمقارنة القيم التجريبية والعددية للمتوسط قطرها شعاع. في الممارسة العملية، ويتم الحصول على 100 القياسات المختلفة من خلال اتخاذ خمسة قياسات تفصل مكانيا على كل من 20 مختلفة عينات الألياف المختلين.
فمن الصعب إلى حد ما لإعداد ألياف البوليمر المختلين البصرية للقياسات، مقارنة مع ألياف الزجاج البصري. على سبيل المثال، لا يمكن للمرء استخدام الانفطار المتقدمة وتلميع الأدوات والتقنيات التي يتم متطورة لمعيار الألياف القائم على السيليكا. تم الإبلاغ عن إجراء المكرر لالشق وتلميع الألياف البصرية البوليمر بواسطة عبدي وآخرون 14؛. كنا أساليبها مع بعض التعديلات الطفيفة لإعداد عينات من الألياف لدينا. من أجل يلتصق على المختلين الألياف البصرية بوليمر، يتم تسخين منحني شفرة X-الأمازون إلى 65 درجة؛ C، والألياف إلى 37 ° C. يتم محاذاة غيض من الألياف على سطح القطع بحيث نظيفة، وقطع عمودي ويمكن إجراء. يتم وضع شفرة على الجانب من الألياف، وسرعان ما توالت عبر. وينبغي أن يتم عملية الانفطار كامل في أسرع وقت ممكن لضمان أن تكون درجات الحرارة من شفرة، والألياف لا تتغير كثيرا. بعد الشق الألياف وفحصه تحت المجهر الضوئي، ومصقول نهاية الألياف باستخدام أوراق اللف الألياف القياسية (0.3 ميكرومتر Thorlabs LFG03P الألومنيوم ورقة تلميع أكسيد) لضمان أن تتم إزالة أي عيوب طفيفة. لتلميع نهاية الألياف، ومن عقد في زوج من ملاقط مع ملاقط عقد الألياف حوالي 1.5 ملم بعيدا عن الوجه نهاية يجري مصقول. ويوجه الألياف أكثر من ورقة في بوصة واحدة طويلة الشكل-8 على شكل مسارات، ما يقرب من ثماني مرات. تلميع نتائج الألياف في حواف أكثر نعومة وتفتيشها تحت المجهر الضوئي. وعلاوة على ذلك، وتلميع يسهل اقتران مناسب في أقصر المحلىبقعة lized في الألياف، والذي بدوره يقلل من التوهين سواء في اقتران وأيضا في المسافة الانتشار الأولي قبل أن يتم تشكيل بقعة المترجمة.
استخدمنا كاميرا CCD شعاع التعريف إلى صورة كثافة شعاع الإخراج. تم القبض على الملف الشخصي شدة المجال القريب باستخدام الهدف 40X. من أجل العثور على حدود الألياف، ونحن مشبعة CCD من خلال زيادة الطاقة من ضوء واردة من الألياف SMF630hp. بعد الكشف عن البيانات الشخصية شدة شعاع المترجمة فيما يتعلق حدود، وضعنا CCD شعاع التعريف إلى الخيار التلقائي التعرض. استخدمنا صورة الملف الشخصي شدة وذلك لحساب نصف قطر شعاع فعالة. من أجل إزالة تأثير الضوضاء المحيطة، ونحن لدينا إجراء معايرة معالجة الصور لضمان أن نحصل على شعاع قطره المتوقعة من الألياف SMF630hp. متوسط القيمة المقاسة من دائرة نصف قطرها شعاع والاختلافات حول قيمة متوسط توافق بشكل جيد مع numeالمحاكاة RICAL، كما هو موضح في المرجع 11. الملف الشخصى شعاع خرج في الألياف البوليمر يلي بوضوح تغييرا في الموقف من شعاع الحادث كما هو موضح في الحكام. 11،12،13.
وقدمت دراسة شاملة لتأثير المعلمات تصميم مثل الأحجام موقع اضطراب والطول الموجي الحادث على نصف قطر شعاع من شعاع المترجمة في الحكام. 12،15.
Protocol
Representative Results
Discussion
في عملية السحب الألياف، لا يبقى الملف الشخصى معامل الانكسار المستمر لاكثر من متر، وذلك بسبب الصليب المبالغ من فروع الألياف الأصلي وأيضا بسبب الاختلافات في قطر الألياف في عملية السحب. ونحن نتوقع أن عملية السحب أكثر استقرارا سيساعد على افتعال من الألياف البصرية التي ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويدعم هذا البحث من قبل منحة رقم 1029547 من المؤسسة الوطنية للعلوم. فإن الكتاب أود أن أنوه DJ يلكر من بارادايم للبصريات وشركة لتوفير شرائح الألياف الأولي وإعادة رسم من الألياف البصرية النهائية. الكتاب أيضا أن نعترف ستيفن هاردكاسل وهيذر A. أوين لSEM التصوير.
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).
