Fabricación y Caracterización de Polímeros desordenados Fibras ópticas para Transversal Anderson Localización de Luz

Summary

Desarrollamos y caracterizar un trastorno de polímero de fibra óptica que utiliza transversal localización de Anderson como un mecanismo de guía de ondas novela. Esta fibra microestructurada puede transportar un pequeño haz localizado con un radio que es comparable con el radio del haz de fibras ópticas convencionales.

Abstract

Desarrollamos y caracterizar un trastorno de polímero de fibra óptica que utiliza transversal localización de Anderson como un mecanismo de guía de ondas novela. El polímero de fibra óptica desarrollado se compone de 80.000 filamentos de poli (metacrilato de metilo) (PMMA) y poliestireno (PS) que se mezclan y arrastrados a una sección transversal de la fibra óptica cuadrado con una anchura lateral de 250 micras al azar. Inicialmente, cada filamento es de 200 m de diámetro y 8 pulgadas de largo. Durante el proceso de mezcla de los cordones de fibras originales, las fibras se cruzan entre sí, sin embargo, una gran proporción de estirado garantiza que el perfil de índice de refracción es invariante a lo largo de la longitud de la fibra durante varias decenas de centímetros. La gran diferencia de índice de refracción de 0,1 entre los sitios desordenados resultados en un pequeño radio del haz localizado que es comparable con el radio del haz de fibras ópticas convencionales. La luz de entrada se pone en marcha a partir de una fibra óptica de modo único estándar por el método de acoplamiento a tope y el neahaz de salida r-campo de la fibra desordenada se forma la imagen utilizando un objetivo de 40x y una cámara CCD. El diámetro del haz de salida está de acuerdo con los resultados esperados de las simulaciones numéricas. La fibra óptica trastornos se presentan en este trabajo es la primera implementación a nivel de dispositivo de 2D localización de Anderson, y potencialmente se puede utilizar para los sistemas de comunicación óptica de corta distancia de transporte y la imagen.

Introduction

En un trabajo teórico de PW Anderson ^1, se demostró que en la presencia de un trastorno en el sistema electrónico cuántica, se detiene el proceso de difusión y los estados electrónicos localizada desarrollan. Localización de Anderson es un fenómeno ondulatorio que también puede producirse por ondas clásicas, como la luz. Dado que la predicción teórica de la localización de Anderson en la óptica ^2,3, ha habido muchos esfuerzos para realizar este fenómeno experimentalmente con ondas electromagnéticas ^4,5. Sin embargo, ha sido muy difícil de lograr fuerte localización debido a que las secciones transversales de dispersión ópticos son a menudo demasiado pequeña debido a la baja diferencia de índice de refracción de la mayoría de los materiales ópticos. En 1989, De Raedt et al. ⁶ demostró que es posible observar la localización Anderson en un sistema óptico desordenada cuasi-bidimensional con contrastes de bajo índice de refracción. Ellos mostraron que si el trastorno se limita al plano transversal de un puntalagating de onda en un medio longitudinalmente invariante, el haz puede permanecer confinada a una pequeña región en la dirección transversal debido a la fuerte dispersión transversal. Transversal localización de Anderson se observó por primera vez en guías de onda en dos dimensiones que se crearon utilizando patrones de interferencia en un cristal foto-refractiva ^7. La sílice fundida es el otro medio que se ha utilizado para la observación transversal de la localización de Anderson ^8,9, donde guías de ondas desordenadas se escriben utilizando pulsos de femtosegundos a lo largo de la muestra. La diferencia de índice de refracción de sitios desordenados en los sistemas mencionados anteriormente son del orden de 10 ^-4, por lo que el radio de la localización es bastante grande. Además, las guías de onda típicas no son por lo general más de varios centímetros, por lo tanto, pueden no ser práctico para aplicaciones de onda guiada. Se señala que la observación transversal de localización de Anderson en una guía de onda desordenado unidimensional se informó anteriormente en Ref ^10.

La fibra óptica desarrollado aquí tiene varias ventajas sobre las realizaciones anteriores de Anderson transversal localización para aplicaciones de onda guiada ^11,12. En primer lugar, la gran diferencia de refracción de 0,1 entre los sitios de trastorno de los resultados de fibra en un pequeño haz localizada comparable con el radio del haz de fibras ópticas regulares. En segundo lugar, el polímero desordenado de fibra óptica puede ser mucho más largo que las guías de ondas desordenadas escritas externamente en cristales fotorrefractivas o sílice fundida. Pudimos observar transversal localización de Anderson en un 60 cm de longitud de fibra ^11. En tercer lugar, el polímero desordenado de fibra óptica es flexible, por lo que es práctica para las aplicaciones a nivel de dispositivos del mundo real que se basan en el transporte de las ondas de luz en fibras ^13.

Con el fin de fabricar la fibra óptica desordenada, 40000 hebras de PMMA y 40.000 filamentos de PS fueron mezclados al azar, donde cada stry fue de 8 pulgadas de largo y 250 m de diámetro. Los hilos mezclados al azar se ensamblan en una sección transversal preforma cuadrado con un lado-anchura de aproximadamente 2,5 pulgadas. A continuación, la preforma se extrae a una fibra óptica cuadrada con un ancho de banda de alrededor de 250 micras (Figura 1). Para mezclar aleatoriamente las hebras de fibra originales, extendemos una capa de hilos de fibra de PMMA en una mesa grande, agregamos una capa de hilos de fibra de PS, y luego las mezclamos aleatoriamente juntos. El procedimiento se repitió varias veces hasta que se obtuvo una buena mezcla aleatoria.

Se utilizó un microscopio electrónico de barrido (SEM) para la imagen del perfil del índice de refracción del polímero desordenado de fibra óptica. Técnicas de escisión regular, tales como el uso de una cuchilla calentada agudo no se pueden utilizar para preparar las muestras de fibra para la formación de imágenes SEM de la extremo de la fibra para mapear su perfil de índice de refracción, debido a daños de la hoja de la morfología del extremo de la fibra. Pulido de la fibra tiene un efecto perjudicial similar sobre thcalidad e del extremo de la fibra. Para preparar muestras de alta calidad para la formación de imágenes SEM, nos sumergimos cada fibra en nitrógeno líquido durante varios minutos y luego se rompió la fibra, si se hace sobre muestras suficientes de fibra, este método da como resultado unas piezas de fibra de buenas (alrededor éxito 15% rate) con superficies de gama muy alta calidad y sin problemas para la formación de imágenes SEM. A continuación, utiliza un 70% de acetato de solución de alcohol a 60 ° C durante aproximadamente 3 minutos para disolver los sitios de PMMA en el extremo de la fibra; exposición más larga puede desintegrar todo el extremo de la fibra. A continuación, las muestras recubiertos con Au / Pd y los colocó en la cámara de SEM. El zoom en la imagen SEM de la desordenada polímero de fibra óptica se muestra en la Figura 2. Los sitios son de color gris claro PS y los sitios oscuros son PMMA. La anchura total de la imagen es de 24 micras, donde las características de tamaño mínimo en esta imagen son ~ 0,9 micras, que corresponden a los tamaños de sitios individuales de las hebras de fibra, después del proceso de sorteo.

Con el fin de caracRize las propiedades de guía de onda de la fibra óptica desordenada, se utilizó un láser de He-Ne a 633 nm de longitud de onda. El láser de He-Ne está acoplado a un único modo de SMF630hp de fibra óptica con un diámetro del campo modal de alrededor de 4 micras, que luego se acoplan a tope-el polímero desordenado de fibra óptica utilizando una etapa de alta precisión motorizado. La salida se forma la imagen a continuación en una cámara CCD de perfiles de haz utilizando un objetivo de 40X.

En la primera serie de experimentos, se optó por 20 muestras de fibras desordenadas diferentes, cada largos de 5 cm, la longitud de 5 cm fue elegido para que coincida con la longitud de propagación en nuestras simulaciones numéricas. Las simulaciones numéricas de la fibra trastornos son generalmente consume mucho tiempo, incluso en un clúster de computación de alto rendimiento con 1100 elementos. La localización de Anderson transversal completa de la longitud de onda de 633 nm ocurre sólo después de unos 2,5 cm de la propagación de ^11,12, por lo tanto, se decidió que la longitud de 5 cm es suficiente para nuestros propósitos. Debido a la stochastic la naturaleza de la localización Anderson, que necesita para repetir tanto los experimentos y las simulaciones de 100 realizaciones, con el fin de recopilar estadísticas suficientes para comparar los valores experimentales y numéricos del diámetro medio del haz. En la práctica, 100 mediciones diferentes se obtienen tomando cinco mediciones espacialmente separados en cada una de las 20 muestras de fibras desordenadas diferentes.

Es bastante difícil de preparar las fibras ópticas de polímero desordenado de mediciones, en comparación con fibras ópticas de vidrio. Por ejemplo, no se puede utilizar la escisión avanzada y herramientas de pulido y técnicas que están bien desarrollados para la fibra a base de sílice estándar. Un procedimiento de refinado para la escisión y pulido de fibras ópticas de polímero ha sido informado por el Abdi et al ^14;. Usamos sus métodos con algunas modificaciones menores para preparar nuestras muestras de fibra. Con el fin de escindir un polímero desordenado de fibra óptica, una hoja curvada de X-Acto se calienta a 65 °; C, y la fibra a 37 ° C. La punta de la fibra se alinea en una superficie de corte de manera que un corte perpendicular limpio se puede hacer. La hoja se coloca en el lado de la fibra, y rápidamente se puso a través. El proceso de escisión todo debe hacerse tan rápido como sea posible para asegurar que las temperaturas de la hoja y la fibra no cambian considerablemente. Después de escisión de la fibra y la inspección bajo un microscopio óptico, el extremo de la fibra se pule utilizando hojas de lapeado de fibra estándar (0,3 m Thorlabs LFG03P papel de aluminio óxido de pulido) para asegurar que las imperfecciones menores se eliminan. Para pulir el extremo de la fibra, se llevó a cabo en un par de pinzas con las pinzas que sujetan la fibra de aproximadamente 1,5 mm de la superficie frontal es pulida. La fibra se dibuja sobre el papel de una pulgada de largo en forma de 8 en forma de caminos, aproximadamente ocho veces. Pulir los resultados de fibra en los bordes más suaves como a una inspección al microscopio óptico. Por otra parte, facilita la limpieza de acoplamiento adecuado a una ubicaciónpunto lizado en la fibra, que a su vez reduce la atenuación tanto en el acoplamiento y también en la distancia inicial de propagación antes de que se formó el punto localizado.

Se utilizó una cámara de perfiles haz CCD de imagen de la intensidad del haz de salida. El perfil de intensidad de campo cercano fue capturado utilizando un objetivo de 40X. Con el fin de encontrar los límites de la fibra, que saturó el CCD mediante el aumento de la potencia de la luz entrante de la fibra SMF630hp. Después de detectar el perfil de intensidad del haz localizado con respecto a los límites, se establece el haz de perfilador CCD para la opción de auto-exposición. Se utilizó la imagen del perfil de intensidad con el fin de calcular el radio del haz efectivo. Con el fin de eliminar el efecto del ruido ambiental, que calibrado nuestro procedimiento de procesamiento de imágenes para garantizar que se obtiene el diámetro del haz esperado de la fibra SMF630hp. El valor promedio medido de la radio del haz y sus variaciones en torno al valor promedio de acuerdo bien con el numesimulaciones tricos, como se muestra en la Ref.. ^11. El perfil de haz de salida en la fibra de polímero se deduce claramente un cambio en la posición del haz incidente, como se muestra en las Refs. ^11,12,13.

Un estudio exhaustivo del impacto de los parámetros de diseño tales como el sitio tamaños desorden y la longitud de onda incidente en el radio del haz del rayo localizada se presentó en las referencias. ^12,15.

Protocol

1. Fabricación de una desordenada fibra óptica de polímero Esparza alrededor de 200 de los hilos de PMMA sobre una mesa y difundir el mismo número de hebras de PS en la parte superior de la PMMA. Mezclar y rehacer los hilos. Repita este procedimiento hasta 40.000 líneas de PMMA se mezclan al azar, con 40.000 líneas de PS. Montar los hilos mezclados al azar en una preforma cuadrada con un ancho de banda de alrededor de 2,5 pulgadas. Dibujar la preforma en una fibra óptica con un diá…

Representative Results

La imagen SEM de la fibra de pulido se muestra en la Figura 1. La imagen de SEM en la Figura 1 muestra que, para la mayoría de las regiones de la punta de la fibra, la calidad de uñas es buena. La imagen SEM de las muestras de fibras con sus extremos disueltos en solución de alcohol etílico, la figura 2, muestra los sitios de PMMA en sitios oscuros y PS en colores grises. La imagen de SEM en la Figura 2 está ampliada en un ancho de 24 micras de la …

Discussion

En el proceso de estiramiento de fibras, el perfil de índice de refracción no se mantiene constante durante más de un metro, tanto a causa de los cruzamientos de las hebras de fibra de originales y también debido a las variaciones del diámetro de la fibra en el proceso de sorteo. Esperamos que un proceso de sorteo más estable contribuirá a fabricar una fibra óptica que es invariable en longitudes de fibras más largas en comparación con los reportados aquí.

En la preparación de un…

Materials

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