Fabrication et caractérisation des polymères désordonnés fibres optiques pour Transverse localisation d'Anderson de la lumière

Dans un ouvrage théorique par PW Anderson ^1, il a été montré qu'en présence de désordre dans un système électronique quantique, les arrêts de processus de diffusion et les états électroniques localisés se développent. Localisation d'Anderson est un phénomène d'onde qui peuvent également se produire pour les ondes classiques tels que la lumière. Depuis la prédiction théorique de la localisation d'Anderson dans l'optique ^{de 2,3,} il ya eu beaucoup d'efforts pour réaliser ce phénomène expérimentalement avec des ondes électromagnétiques ^4,5. Cependant, il a été très difficile d'obtenir la localisation forte parce que les sections efficaces de diffusion optiques sont souvent trop petits en raison du faible contraste d'indice de réfraction de la plupart des matériaux optiques. En 1989, De Raedt et al. ⁶ a montré qu'il est possible d'observer la localisation d'Anderson dans un système optique désordonné quasi-bidimensionnel avec de faibles contrastes d'indice de réfraction. Ils ont montré que si la maladie est confinée au plan transversal d'un propagating onde dans un milieu longitudinalement invariante, le faisceau peut rester confinée à une petite région dans la direction transversale, en raison de la forte dispersion transversale. Transversal localisation d'Anderson a été observée pour la première guides d'ondes bidimensionnelles qui ont été créés en utilisant des dessins d'interférence dans un cristal photoréfractif ^7. Silice fondue est l'autre moyen qui a été utilisé pour l'observation des transversal localisation d'Anderson ^8,9, où des guides d'ondes désordonnés sont écrits en utilisant des impulsions femtosecondes long de l'échantillon. La différence d'indice de réfraction de sites désordonnés dans les systèmes mentionnés ci-dessus sont de l'ordre de 10 ^-4, de sorte que le rayon de localisation est assez grand. En outre, les guides d'ondes typiques sont généralement pas plus de quelques centimètres, par conséquent, ils peuvent ne pas être pratique pour des applications ondes guidées. Nous rappelons que l'observation de la transversale localisation d'Anderson dans un guide d'onde désordonné unidimensionnel a été signalé plus tôt dans Ref ^10.

La fibre optique développé ici présente plusieurs avantages par rapport aux réalisations antérieures du transversale localisation d'Anderson pour les applications ondes guidées ^11,12. Tout d'abord, la grande différence de réfraction de 0,1 entre les sites de trouble des résultats de la fibre dans un petit faisceau localisé comparable au rayon du faisceau de fibres optiques ordinaires. Deuxièmement, la fibre optique polymère désordonné peut être fait beaucoup plus longtemps que les guides écrits désordonnés extérieur en cristaux photoréfractives ou en silice fondue. Nous avons pu observer transversale localisation d'Anderson dans un 60 cm de longueur de fibre ^11. Troisièmement, la fibre optique polymère désordonnée est souple, ce qui rend pratique pour les applications du périphérique au niveau monde réel qui comptent sur ​​le transport des ondes lumineuses dans les fibres ^13.

Pour fabriquer la fibre optique désordonnée, 40.000 brins de PMMA et 40.000 brins de PS étaient au hasard mixte, où chaque stret était de 8 pouces de long et 250 m de diamètre. Les brins de manière aléatoire mixtes ont été assemblés dans une section transversale de préforme carrée avec un côté en largeur de l'ordre de 2,5 pouces. La préforme a ensuite été attirée sur un fibre optique carrée avec une largeur latérale d'environ 250 um (figure 1). Afin de mélanger aléatoirement les brins de fibres d'origine, nous étaler une couche de brins de fibres PMMA sur une grande table, ajouté une couche de brins de fibre PS, puis mélangées aléatoirement ensemble. La procédure a été répétée plusieurs fois jusqu'à l'obtention d'un bon mélange aléatoire.

Nous avons utilisé un microscope électronique à balayage (SEM) à l'image de profil de l'indice de réfraction de la fibre optique polymère désordonnée. Techniques de clivage réguliers tels que l'aide d'une lame chauffée forte ne peuvent pas être utilisés pour préparer les échantillons de fibres pour l'imagerie SEM de l'extrémité de la fibre de cartographier son profil d'indice de réfraction, parce que les dommages de la lame de la morphologie de l'extrémité de la fibre. Polissage de la fibre a un impact négatif similaire sur ee la qualité de l'extrémité de la fibre. Afin de préparer les échantillons de haute qualité pour l'imagerie SEM, nous submerge chaque fibre dans l'azote liquide pendant quelques minutes et puis cassé la fibre, si elle est effectuée sur des échantillons de fibres assez, cette méthode conduit à quelques bons morceaux de fibres (autour de réussite de 15% taux) avec des surfaces d'extrémité de haute qualité et très lisse pour l'imagerie SEM. Nous avons ensuite utilisé une solution à 70% d'alcool éthylique à 60 ° C pendant environ 3 minutes pour dissoudre les sites de PMMA sur l'extrémité de la fibre, une exposition plus longue peut se désintégrer toute l'extrémité de la fibre. Nous enduit ensuite les échantillons avec Au / Pd et les a placés dans la chambre SEM. Le zoom-in image MEB de la fibre optique polymère désordonnée est représenté en figure 2. Les sites de gris clairs sont PS et les sites obscurs sont PMMA. La largeur totale de l'image est de 24 um, où les plus petites tailles caractéristiques de cette image sont ~ 0,9 um, ce qui correspond à la taille de chaque site, des brins de fibre, après que le processus de tirage au sort.

Afin de caracRize les propriétés de guide d'onde de la fibre optique en désordre, nous avons utilisé un laser He-Ne à 633 nm longueur d'onde. Le laser He-Ne est couplé à un SMF630hp fibre optique monomode avec un diamètre de champ de mode d'environ 4 um, qui est alors en butée-couplé à la fibre optique polymère désordonnée en utilisant un étage de haute précision motorisé. La sortie est ensuite imagée sur une caméra CCD profileur poutre à l'aide d'un objectif 40X.

Dans la première série d'expériences, nous avons choisi 20 échantillons de fibres désordonnées différents, chacun de 5 cm de long, la longueur de 5 cm a été choisi pour correspondre à la longueur de propagation dans nos simulations numériques. Les simulations numériques de la fibre désordonnée sont généralement très coûteuse en temps, même sur un cluster de calcul haute performance avec 1100 éléments. La localisation complète Anderson transversale pour la longueur d'onde de 633 nm ne survient qu'après environ 2,5 cm de propagation ^11,12; par conséquent, nous avons décidé que la longueur de 5 cm est suffisant pour nos besoins. En raison de la stocnature hastic de la localisation d'Anderson, il nous fallait répéter les deux expériences et les simulations pour 100 réalisations, afin de recueillir suffisamment de statistiques pour comparer les valeurs expérimentales et numériques du diamètre moyen du faisceau. Dans la pratique, 100 mesures différentes sont obtenues en prenant cinq mesures séparées dans l'espace sur chacun des 20 échantillons de fibres désordonnées différentes.

Il est assez difficile de préparer des fibres optiques polymères désordonnés pour la mesure, par rapport aux fibres optiques en verre. Par exemple, on ne peut pas utiliser le clivage de pointe et des outils et des techniques de polissage qui sont bien développées pour fibre standard à base de silice. Une procédure raffiné pour le clivage et le polissage des fibres optiques polymères a été rapporté par Abdi et al ^14;. Nous avons utilisé leurs méthodes avec quelques modifications mineures afin de préparer nos échantillons de fibres. Pour séparer une fibre optique polymère désordonnée, une lame X-Acto courbe est chauffé à 65 °, C, et la fibre à 37 ° C. La pointe de la fibre est alignée sur une surface de coupe de telle sorte qu'une coupe nette et perpendiculaire peut être faite. La lame est placée sur le côté de la fibre, et est rapidement roulé à travers. Le procédé de clivage ensemble doit être effectuée aussi rapidement que possible pour que les températures de la lame et les fibres ne changent considérablement. Après clivage de la fibre et l'inspecter sous un microscope optique, l'extrémité de la fibre est polie à l'aide des feuilles clapotis de fibres standard (0,3 um Thorlabs LFG03P Aluminium Papier de polissage à l'oxyde) pour s'assurer que toutes les imperfections mineures sont enlevées. Pour polir l'extrémité de la fibre, il est maintenu dans une paire de pincettes avec les pinces de maintien de la fibre d'environ 1,5 mm de la face d'extrémité étant polie. La fibre est attirée sur le papier en-un pouce de long en forme de 8 en forme de parcours, soit environ huit fois. Polir les résultats de fibres dans bords lisses comme inspecté au microscope optique. En outre, le polissage facilite bon couplage à un emplacementtache lisée dans la fibre, ce qui réduit à la fois l'atténuation dans le couplage et aussi dans la distance de propagation initiale avant l'endroit localisé est formé.

Nous avons utilisé une caméra CCD faisceau profiler à l'image de l'intensité du faisceau de sortie. Le profil d'intensité en champ proche a été capturé à l'aide d'un objectif 40X. Afin de trouver les limites de la fibre, on saturé le CCD en augmentant la puissance de la lumière entrante provenant de la fibre de SMF630hp. Après la détection du profil d'intensité du faisceau localisé par rapport aux limites, nous avons mis le CCD profileur de faisceau pour l'option auto-exposition. Nous avons utilisé l'image du profil d'intensité afin de calculer le rayon de faisceau efficace. Afin d'éliminer l'effet du bruit ambiant, nous avons calibré notre procédure de traitement d'image afin de s'assurer que nous obtenons le diamètre du faisceau attendue de la fibre de SMF630hp. La valeur de mesure moyenne du rayon du faisceau et de ses variations autour de la valeur moyenne, en bon accord avec la NUMEsimulations riques, comme le montre Ref. ^11. Le profil de faisceau de sortie dans la fibre polymère résulte clairement un changement dans la position du faisceau incident comme indiqué dans les références. ^11,12,13.

Une étude complète de l'impact des paramètres de conception tels que les dimensions du site de désordre et de la longueur d'onde incidente sur le rayon du faisceau du faisceau localisée a été présenté dans les références. ^12,15.