Herstellung und Charakterisierung von Disordered Optische Polymerfasern für Quer Anderson Localization of Light

Summary

Wir entwickeln und charakterisieren eine ungeordnete Polymer Optical Fiber, die quer Anderson-Lokalisierung verwendet als neuartige Wellenleiter-Mechanismus. Diese mikrostrukturierten Faser kann eine kleine lokalisierte Strahl mit einem Radius, der vergleichbar mit dem Strahlradius von herkömmlichen optischen Fasern transportieren.

Abstract

Wir entwickeln und charakterisieren eine ungeordnete Polymer Optical Fiber, die quer Anderson-Lokalisierung verwendet als neuartige Wellenleiter-Mechanismus. Das entwickelte polymere optische Faser von 80.000 Litzen von Poly (methylmethacrylat) (PMMA) und Polystyrol (PS), die zufällig gemischt sind, ausgenommen in einem quadratischen Querschnitt optischen Faser mit einer seitlichen Breite von 250 um besteht. Anfangs ist jeder Strang 200 um im Durchmesser und 8 cm lang. Beim Mischvorgang der ursprünglichen Faserstränge kreuzen sich die Fasern übereinander, jedoch gewährleistet eine große Streckverhältnis dass das Brechungsindexprofil invariant entlang der Länge der Faser mehrere zehn Zentimeter beträgt. Die große Brechungsindexdifferenz von 0,1 zwischen den ungeordneten Stellen führt zu einer kleinen lokalisierten Strahlradius, die vergleichbar mit der Strahlradius von herkömmlichen optischen Fasern ist. Die Eingabe Licht wird von einem Standard-Single-Mode-Glasfaser mit dem Hintern-Kopplung-Methode und die nea gestartetr-Feld Ausgangsstrahl von der ungeordneten Faser abgebildet wird unter Verwendung eines 40X-Objektiv und eine CCD-Kamera. Der Ausgang Strahldurchmesser stimmt gut mit den erwarteten Ergebnissen aus den numerischen Simulationen. Die ungeordneten optischen Faser in dieser Arbeit vorgestellten ist das erste Gerät-Ebene die Umsetzung von 2D-Anderson-Lokalisierung und kann potenziell für Bild Transport und Kurzstrecken-optischen Kommunikationssystemen verwendet werden.

Introduction

In einer theoretischen Arbeit von PW Anderson ¹ wurde gezeigt, dass in Gegenwart von Störungen in einem Quanten-Elektronik entwickeln die Diffusion stoppt dieser lokalisierten elektronischen Zuständen. Anderson-Lokalisierung ist eine Welle Phänomen, das auch für klassische Wellen wie Licht auftreten können. Da die theoretische Vorhersage Anderson-Lokalisierung in der Optik ^2,3, wurden viele Anstrengungen, dieses Phänomen zu erkennen experimentell mit elektromagnetischen Wellen ^4,5. Es ist jedoch sehr schwierig gewesen, starke Lokalisierung erreichen, weil die optischen Streuquerschnitten oft zu klein aufgrund der geringen Brechungsindex Kontrast meisten optischen Materialien. 1989 zeigte De Raedt et al. ^6, dass es möglich ist, die Anderson-Lokalisierung in einem quasi-zweidimensionalen ungeordneten optisches System mit niedrigem Brechungsindex Kontraste zu beobachten. Sie zeigten, dass, wenn die Störung in der Querebene eines Gegenstandes beschränkt istpropagierenden Welle in einer Längsrichtung invariant Medium kann der Strahl beschränkt bleiben auf einen kleinen Bereich in der Querrichtung durch starke transversale Streuung. Quer Anderson-Lokalisierung wurde in zweidimensionalen Wellenleiter, die mit Interferenzmuster in einem photorefraktiven Kristall ⁷ erstellt wurden beobachtet. Quarzglas ist das andere Medium, das zur Beobachtung der quer Anderson-Lokalisierung ^8,9, wobei ungeordneten Wellenleiter geschrieben mit Femtosekunden-Pulsen entlang der Probe verwendet wurde. Die Brechungsindexdifferenz des ungeordneten Stellen in den oben genannten Systemen liegen in der Größenordnung von 10 ^-4, so dass die Lokalisierung Radius ist recht groß. Darüber hinaus sind die typischen Wellenleiter in der Regel nicht länger als einige Zentimeter, daher können sie nicht praktisch für geführten Wellen Anwendungen. Wir weisen darauf hin, dass die Beobachtung von Quer-Anderson-Lokalisierung in einem eindimensionalen ungeordneten Wellenleiter früher in Re wurde berichtet,f ^10.

Die optische Faser entwickelt hier hat mehrere Vorteile gegenüber den bisherigen Realisierungen quer Anderson-Lokalisierung für geführten Wellen Anwendungen ^11,12. Zuerst wird der große Unterschied Brechungsindex von 0,1 zwischen den Seiten Störung der Faser führt zu einer kleinen lokalisierten Strahl vergleichbar mit dem Strahlradius der regelmäßigen optischen Fasern. Zweitens kann das Polymer ungeordnet Lichtleitfaser viel länger als die ungeordneten Wellenleiter außen in photorefraktiven Kristallen oder Quarzglas geschrieben werden. Wir konnten quer Anderson-Lokalisierung in einem 60 cm langen Faser ¹¹ zu beobachten. Drittens ist das Polymer ungeordneten optischen Faser flexibel, so dass es praktisch für realen Welt Device-Level-Anwendungen, die auf den Transport von Lichtwellen in Fasern ¹³ verlassen.

Um die ungeordneten optischen Faser herzustellen, wurden 40.000 Litzen von PMMA und 40.000 Stränge PS zufällig gemischt, wobei jeder strund war 8 cm lang und 250 um im Durchmesser. Die zufällig gemischten Stränge wurden in einem quadratischen Querschnitt Vorform mit einer Seite-Breite von etwa 2,5 Zoll montiert. Die Vorform wurde dann auf einem quadratischen optischen Faser mit einer seitlichen Breite von etwa 250 um (Fig. 1) gezogen. Um zufällig mischen die ursprünglichen Faserbündel, verbreiten wir eine Schicht von PMMA-Stränge auf einem großen Tisch, zusätzliche Ebene der PS-Stränge, und dann nach dem Zufallsprinzip gemischt sie zusammen. Die Prozedur wurde mehrmals wiederholt, bis eine gute Zufallszahlen Mischung erhalten wurde.

Wir verwendeten ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) zum Abbilden des Brechungsindexprofil der ungeordneten optischen Polymerfasern. Regelmäßige Spaltung Techniken wie mit einem scharfen beheizten Klinge kann verwendet werden, um die Faser Proben für die REM-Abbildung der Faserenden ihre Brechungsindexprofil Karte herzustellen, weil die Klinge Schäden die Morphologie des Faserende. Polieren der Faser eine ähnliche nachteilige Auswirkungen auf the Qualität des Faserende. Um qualitativ hochwertige Proben für die REM-Bildgebung bereiten wir jede Faser in flüssigem Stickstoff für mehrere Minuten unter Wasser und dann brach die Faser; wenn auf genügend Ballaststoffe Proben durchgeführt, die Ergebnisse dieser Methode in ein paar gute Stücke Faser (rund 15% Erfolg Rate) mit sehr hoher Qualität und glatte Oberflächen Ende für die SEM-Bildgebung. Dann verwendet ein 70% Ethylalkohol-Lösung bei 60 ° C für etwa 3 min auf der PMMA-Stellen auf dem Faserende lösen, längere Belichtung kann das ganze Faserende zerfallen. Wir haben dann die Proben mit Au / Pd beschichtet und legte sie in die Kammer SEM. Die vergrößerten REM-Aufnahme der ungeordneten Polymer Optical Fiber ist in Abbildung 2 dargestellt. Die hellgrauen Seiten sind PS und die dunklen Seiten sind PMMA. Die Gesamtbreite des Bildes ist 24 um, wo die kleinsten Strukturgrößen in diesem Bild sind ~ 0,9 um, entsprechend den einzelnen Standort Größen der Faserbündel, nach der Auslosung Prozess.

Um characterize die Wellenleitereigenschaften der ungeordneten optischen Faser, verwendeten wir ein He-Ne-Laser mit 633 nm Wellenlänge. Die He-Ne-Laser mit einer einzigen Mode SMF630hp optische Faser mit einem Modenfelddurchmesser von etwa 4 um, die dann an die ungeordneten polymeren optischen Faser unter Verwendung eines hochpräzisen motorisierten Tisch gekoppelten stumpf verbunden. Der Ausgang wird dann auf einer CCD-Kamera Strahlprofilierer mit einem 40X-Objektiv abgebildet wird.

In der ersten Reihe von Experimenten haben wir uns 20 verschiedene Proben ungeordneten Fasern, die jeweils 5 cm lang, das 5 cm Länge wurde gewählt, um die Ausbreitung Länge im numerischen Simulation entsprechen. Die numerischen Simulationen der ungeordneten Fasern sind in der Regel sehr zeitaufwendig, auch auf einem High Performance Computing Cluster mit 1.100 Elementen. Der vollständige quer Anderson-Lokalisierung für die Wellenlänge von 633 nm passiert erst nach ca. 2,5 cm Ausbreitungsrichtung ^11,12, daher haben wir beschlossen, dass die 5-cm Länge ausreichend für unsere Zwecke. Aufgrund der stochastic Natur des Anderson-Lokalisierung, mussten wir sowohl die Experimente und die Simulationen für 100 Realisierungen zu wiederholen, um eine ausreichende Statistik zu sammeln, um die experimentellen und numerischen Werte des durchschnittlichen Strahldurchmesser vergleichen. In der Praxis werden 100 verschiedene Messungen, indem fünf räumlich voneinander getrennte Messungen an jedem der 20 verschiedenen ungeordneten Faser entnommenen Proben.

Es ist ziemlich schwierig, die ungeordneten optischen Polymerfasern zur Messung vorzubereiten, verglichen mit optischen Glasfasern. Zum Beispiel, kann man nicht die erweiterte Spaltung und Polieren Werkzeuge und Techniken, die für Standard-Silica-basierte Faser gut entwickelt. Ein verfeinertes Verfahren zur Spaltung und Polieren optischer Polymerfasern wurde von Abdi et al berichtet ^14;. Wir nutzten ihre Methoden mit einigen geringfügigen Änderungen an unseren Faserproben vorzubereiten. Zur Abspaltung eines Polymers ungeordneten optischen Faser ist eine gekrümmte X-Acto Klinge auf 65 °, C, und die Faser bis 37 ° C. Die Spitze der Faser auf einer Schneidfläche so ausgerichtet, dass eine saubere, senkrechtem Schnitt vorgenommen werden kann. Die Klinge ist an der Seite der Faser angeordnet und sehr zügig über. Das gesamte Verfahren soll Spaltung so schnell wie möglich durchzuführen, um sicherzustellen, dass die Temperaturen der Klinge und Faser nicht wesentlich verändern. Nach der Spaltung der Faser und Inspektion unter einem optischen Mikroskop wird die Faser Ende poliert mit Standard-Faser Läppen Blatt (0,3 um Thorlabs LFG03P Aluminiumoxid-Poliermittel Papier), um sicherzustellen, dass alle kleine Unvollkommenheiten entfernt werden. Um das Faserende zu polieren, wird es in einer Pinzette mit der Pinzette Halten der Faser etwa 1,5 mm von der Stirnseite poliert wird gehalten. Die Faser wird über das Papier in ein Inch lang gezogene Zahl-8-förmigen Pfade, etwa achtmal. Das Polieren der Faser ergibt glattere Kanten unter dem optischen Mikroskop untersucht. Darüber hinaus erleichtert Polieren richtige Kopplung an einem StandortLized Ort in der Faser, die wiederum die Dämpfung sowohl in der Kupplung und auch in der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung Abstand vor der lokalisierten Stelle gebildet wird.

Wir verwendeten eine CCD-Kamera Beam Profiler, um Bild die Ausgabe Strahlintensität. Nahfeld-Intensitätsprofil erfasst wurde unter Verwendung eines 40X-Objektiv. Um die Grenzen der Faser zu finden, gesättigt wir die CCD indem die Leistung des einfallenden Lichts aus der Faser SMF630hp. Nach dem Erfassen des Intensitätsprofils des lokalisierten Strahls in Bezug auf die Grenzen setzen wir den CCD Strahlprofilierer der Belichtungsautomatik Option. Wir haben das Bild von der Intensität Profil, um die effektive Strahlradius berechnen. Um die Wirkung der Umgebungsgeräusche zu entfernen, wir Bildverarbeitungsprozedur kalibriert, um sicherzustellen, dass wir die erwarteten Strahldurchmesser des SMF630hp Faser zu erhalten. Die durchschnittliche gemessene Wert der Strahlradius und seine Variationen um den Mittelwert stimmen gut mit den numerische Simulationen, wie in Lit. gezeigt. ^11. Der Ausgang Strahlprofil in die Polymerfaser eindeutig folgt eine Änderung in der Position des einfallenden Strahls, wie in Lit. gezeigt. ^11,12,13.

Eine umfassende Studie über die Auswirkungen der Design-Parameter wie die Störung vor Ort Größen und der einfallenden Wellenlänge auf der Strahlradius der lokalisierten Strahl wurde in Refs vorgestellt. ^12,15.

Protocol

1. Herstellen einer ungeordneten Polymer Optical Fiber Verteilt über 200 der PMMA-Stränge auf einem Tisch ausgebreitet und die gleiche Anzahl von PS-Stränge auf der Oberseite des PMMA. Mischen und verpacken Sie die Stränge. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis 40.000 Stränge PMMA zufällig mit 40.000 PS Stränge miteinander vermischt werden. Montieren Sie die zufällig gemischt Stränge in ein Quadrat mit einer Seitenlänge Vorform Breite von etwa 2,5 Zoll. Zeichnen der Vorform in eine…

Representative Results

Die REM-Aufnahme der polierten Faser ist in Abbildung 1 dargestellt. Die REM-Aufnahme in Abbildung 1 zeigt, dass für die meisten Regionen der Faser Spitze, die Qualität ist gut polieren. Die REM-Aufnahme der Faserproben mit ihren Enden in Ethylalkohollösung, Bild 2, zeigt die PMMA gelöst Websites in den dunklen und PS Websites in grauen Farben. Die REM-Aufnahme in Abbildung 2 liegt auf einem 24 um Breite der Faser erkennen. Für SEM Bebilderung werd…

Discussion

In der Faserzieheinheit Verfahren erst Brechungsindexprofil bleiben nicht mehr als einem Meter konstant, sowohl wegen der Überkreuzungen der ursprünglichen Faserstränge und auch wegen der Schwankungen des Faserdurchmessers in dem Ziehverfahren. Wir erwarten, dass ein stabiler Ziehprozess wird dazu beitragen, eine optische Faser, die invariant ist über längere Faserlängen im Vergleich zu hier berichteten herzustellen.

Bei der Herstellung einer Probe für die SEM Bildgebung der Faser Spi…

Materials

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