Işık Enine Anderson lokalizasyonu Düzensiz Polimer Fiber Optik imalatı ve Karakterizasyonu
Summary
Biz yeni bir dalga kılavuzu mekanizması olarak enine Anderson lokalizasyonu kullanan bir düzensiz polimer fiber optik geliştirmek ve karakterize. Bu mikrostrüktürlü fiber geleneksel fiber optik ışın yarıçapı ile karşılaştırılabilir bir yarıçaplı küçük lokalize ışın taşıma yapabilirsiniz.
Abstract
Biz yeni bir dalga kılavuzu mekanizması olarak enine Anderson lokalizasyonu kullanan bir düzensiz polimer fiber optik geliştirmek ve karakterize. Geliştirilmiş polimer fiber optik rasgele karıştırılmış ve 250 um arasında bir yan genişliğe sahip bir kare kesitli optik fiber içine çekilir poli (metil metakrilat) (PMMA) ve polistiren (PS), 80,000 şeritlerin oluşmaktadır. Başlangıçta, her iplikçik uzun 200 çapı mikron ve 8-inç. Orijinal lif şeritlerin karıştırma işlemi sırasında liflerin birbirlerine üzerinde çapraz birlikte, büyük bir çekme oranını kırılma indisi profili santimetre onlarca için elyafın uzunluğu boyunca sabit olduğunu garanti eder. Bilinen bir optik elyaf demeti yarıçapı ile karşılaştırılabilir bir ışın, küçük ve yerel yarıçapı bozukluğu sitelerinin sonuçlar arasında 0.1 büyük refraktif farkı. Giriş ışık popo-bağlantı yöntemi ve nea kullanarak standart tek modlu fiber optik, çalıştığıdüzensiz elyaftan r alan çıkış ışın bir 40X objektif ve bir CCD kamera ile görüntülü. Çıktı ışın çapı sayısal simülasyonlar beklenen sonuçlar ile iyi kabul eder. Bu çalışmada sunulan bozukluğu fiber optik 2D Anderson lokalizasyonu ilk cihaz seviyesinde uygulamasıdır, ve potansiyel olarak görüntü taşıma ve kısa mesafeli optik haberleşme sistemleri için kullanılabilir.
Introduction
PW Anderson 1 teorik bir çalışmada, bir kuantum elektronik sisteminde bozukluk varlığında, difüzyon işlemi durur ve lokalize elektronik devletler geliştirmek olduğu gösterilmiştir. Anderson lokalizasyonu aynı zamanda ışık gibi klasik dalgalar oluşabilir dalgası olgudur. Optik 2,3 Anderson lokalizasyonu teorik tahmini beri, elektromanyetik dalgalar 4,5 ile deneysel olarak bu olay gerçekleştirmek için çok çaba olmuştur. Ancak, optik saçılma kesitleri en optik malzemeler düşük kırılma endeksi kontrastı nedeniyle genellikle çok küçük olduğu için güçlü lokalizasyonu elde etmek çok zor olmuştur. 1989, De Raedt ve ark. 6, düşük kırılma endeksi ile tezat bir yarı iki-boyutlu bir bozukluğu optik sistemde Anderson lokalizasyonu gözlemlemek mümkün olduğunu göstermiştir. Hastalığın bir pervane enine düzlemine sınırlı eğer gösterdiUzunlamasına bir şekilde değişmeyen orta dalga agating, kiriş kuvvetli enine saçılması nedeniyle enine yönde küçük bir bölge ile sınırlı kalabilir. Enine Anderson lokalizasyonu ilk fotoğraf kırılma kristal 7 girişime desenleri kullanılarak oluşturulan iki boyutlu dalga kılavuzlarının gözlendi. Erimiş silika düzensiz dalga kılavuzları örnek boyunca femtosaniye darbeler kullanılarak yazılır enine Anderson lokalizasyonu 8,9, gözlem için kullanılmıştır diğer ortamıdır. Yukarıda belirtilen sistemlerde bozukluğu sitelerinin kırılma indeksi farkı 10 -4 sırasına, bu nedenle lokalizasyonu yarıçapı oldukça büyüktür. Ayrıca, tipik dalga kılavuzları birkaç santimetre genellikle daha uzun değildir, bu nedenle onlar güdümlü dalga uygulamaları için pratik olmayabilir. Biz bir tek boyutlu düzensiz dalga kılavuzu içinde enine Anderson lokalizasyonu gözlem önceki Re bildirilmiştir işaretf 10.
Burada geliştirilen fiber optik güdümlü dalga uygulamaları 11,12 için enine Anderson lokalizasyonu bir önceki gerçekleşmeleri üzerinde birçok avantajı vardır. İlk olarak, normal optik elyaf demeti yarıçapı ile karşılaştırılabilir bir ışın, küçük ve yerel olarak elyaf sonuç bozukluğu siteleri arasında 0.1 büyük refraktif farkı. İkinci olarak, polimer düzensiz fiber optik daha uzun fotorefraktif kristaller ya da kaynaşık silika içine dışarıdan yazılı düzensiz dalga kılavuzu göre yapılabilir. Biz 60 cm uzunluğundaki fiber 11'de enine Anderson lokalizasyonu gözlemlemek mümkün. Üçüncü olarak, polimer düzensiz fiber optik fiberler 13 ışık dalgalarının taşıma güveniyor gerçek dünyada cihaz seviyesinde uygulamalar için pratik yapmak, esnektir.
Düzensiz fiber optik imal etmek için, PMMA 40.000 ipliklerini ve PS 40.000 lifler, rastgele karışık nerede her strve çapı 8 inç uzunluğunda ve 250 um idi. Rastgele karışık iplikler yaklaşık 2.5 inçlik bir yan genişliği olan bir kare kesitli ön formun içine monte edilmiştir. Preform daha sonra yaklaşık 250 mikron (Şekil 1) bir yan genişliği olan bir kare fiber optik için çizilmiştir. Rastgele orijinal lif demetleri karıştırmak için, biz, büyük bir masada PMMA lif demetleri bir tabaka yayılır PS lif demetleri tabakası ekledi, ve ardından rastgele birbirine karıştırılır. Iyi bir rasgele bir karışım elde edilene kadar prosedür birçok kez tekrarlanmıştır.
Biz görüntü düzensiz polimer fiber optik kırılma indeksi profiline bir taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. Bu kadar net bir ısıtılmış bir bıçak kullanarak gibi düzenli parçalama teknikleri, kırılma endeksi profili eşleştirmek için fiber ucunun SEM görüntüleme için elyaf örnekleri hazırlamak için kullanılamaz bıçak zarar fiber uç morfolojisini için. Fiber parlatma inci üzerinde benzer olumsuz etkisi vardırfiber uç e kalitesi. SEM görüntü için yüksek kaliteli örnekleri hazırlamak için, birkaç dakika süreyle sıvı nitrojen içinde, her bir fiber batırılmış ve sonra lif kırdı, bir kaç parça halinde iyi elyaf yeterli lif örnekleri üzerinde yapılması halinde, bu yöntem, sonuçlar (% 15 başarı çevresinde oranı) SEM görüntüleme için çok yüksek kaliteli ve düzgün uç yüzeyleri ile. Daha sonra lif ucunda PMMA sitelerinin çözünmesi için yaklaşık 3 dakika boyunca 60 ° C 'de bir etil alkol çözeltisi% 70 kullanılır, daha uzun maruz tüm fiber uç parçalanır. Daha sonra Au / Pd örnekleri kaplı ve SEM odasına yerleştirdiler. Yakınlaştırdığınız bozukluğu polimer fiber optik SEM görüntüsü Şekil 2 'de gösterilmiştir. Açık gri siteleri PS ve karanlık siteleri PMMA bulunmaktadır. Görüntünün toplam genişliği bu görüntüdeki en küçük özellikleri boyutları beraberlik işleminden sonra elyaf ipliklerini tek tek site boyutlarına karşılık ~ 0.9 mikron, vardır 24 mm.
Karakteristiklerini içindüzensiz fiber optik dalga kılavuzu özellikleri rize, biz 633 nm dalga boyunda bir He-Ne lazer kullanılır. He-Ne Laser sonra yüksek hassasiyetli bir motorlu tabla ile düzensiz bir polimer fiber optik için uç uca birleştirilmiştir yaklaşık 4 mikron, bir mod alan çapı olan bir tek modlu fiber optik SMF630hp akuple edilir. Çıktı sonra bir 40X objektif kullanarak bir CCD kamera kiriş profil üzerinde görüntülü.
Deneylerin ilk sette, biz 20 farklı düzensiz lif örnekleri, her 5-cm uzunluğunda seçti, 5-cm uzunluğunda bizim sayısal simülasyonları yayılma uzunluğu maç için seçildi. Düzensiz lif sayısal simülasyonları bile 1.100 elemanları ile yüksek performanslı bilgi işlem kümede, genellikle çok zaman alıcı. 633 nm dalga boyu için tam enine Anderson lokalizasyonu sadece yayılma 11,12 yaklaşık 2.5 cm sonra ne olur, bu nedenle, biz 5-cm uzunluğunda bizim amacımız için yeterli olduğunu karar verdi. Stoc nedeniyleAnderson lokalizasyonu hastic doğası, biz ortalama ışın çapı deneysel ve sayısal değerleri karşılaştırmak için yeterli istatistikleri toplamak amacıyla, 100 gerçekleşmeleri için deneyler ve simülasyonlar hem tekrar gerekiyordu. Uygulamada, 100 farklı ölçümler 20 farklı düzensiz lif numunelerinin her biri için beş ayrı uzamsal ölçümler ile elde edilir.
Bu cam optik fiberler ile karşılaştırıldığında, ölçümler için düzensiz polimer optik fiberler hazırlamak oldukça zordur. Örneğin, bir gelişmiş kesici, ve standart silika bazlı lif için iyi geliştirilmiş parlatma araçları ve teknikleri kullanamazsınız. Polimer fiber optik yarma ve parlatma için bir rafine işlemi Abdi ve arkadaşları tarafından bildirilmiştir 14;. Bizim lif örnekleri hazırlamak için bazı küçük değişiklikler ile yöntemleri kullanılır. Çatlatma bir polimer düzensiz fiber optik amacıyla, eğimli X-Acto bıçak 65 ° C'ye ısıtıldı, C, ve 37 için fiber ° F. Temiz, dik kesme yapılabilir, böylece lif ucu, bir kesme yüzeyi üzerinde hizalanır. Bıçak fiberin tarafına yerleştirilir ve hızlı bir şekilde arasında döndürülür. Tüm kesici, süreci bıçak ve lif sıcaklıkları önemli ölçüde değişmez sağlamak için mümkün olduğunca hızlı yapılmalıdır. Lif yarma ve bir optik mikroskop altında teftiş sonra, lif sonunda herhangi bir küçük kusurları kaldırılır sağlamak için standart fiber alıştırma levhalar (0.3 mikron Thorlabs LFG03P Alüminyum Oksit Polisaj Kağıt) ile parlatılır. Lif sonunda parlatmak için, bu son yüz cilalı olmaktan yaklaşık 1,5 mm uzakta fiber tutan cımbız ile bir cımbız tutulur. Fiber bir inç uzun kağıt üzerine çizilir şekil-8 şeklinde yolları, yaklaşık sekiz kez. Optik bir mikroskop altında kontrol olarak yumuşak kenarlara elyaf sonuçlar parlatma. Ayrıca, parlatma bir loca için uygun bağlantı kolaylaştırırlokalize Noktası oluşturulmadan önce sırayla bağlantı ve aynı zamanda başlangıç yayılma mesafe hem de zayıflama azaltır lif, tirilmiş bir nokta.
Biz görüntü çıkış ışık yoğunluğu için bir CCD kamera ışın profil kullanılır. Yakın-alan şiddeti profili, 40X objektif kullanılarak yakalandı. Fiberin sınırları bulmak amacıyla, SMF630hp elyaftan gelen ışığın gücünü arttırarak CCD doyurulur. Sınırları ile ilgili olarak lokalize ışın yoğunluğunu profilini tespit ettikten sonra, biz otomatik pozlama seçeneği CCD ışın profil ayarlayın. Biz etkili ışın yarıçapı hesaplamak için yoğunluk profili imajını kullanılır. Ortam gürültüsünün etkisini ortadan kaldırmak için, biz SMF630hp lif beklenen ışın çapı elde sağlamak için görüntü işleme prosedürü kalibre. Ortalama değer çevresinde kiriş yarıçapı ve varyasyonları ortalama ölçülen değer nume iyi uyuşmaktadırrical simülasyonları gibi Ref gösterildiği. 11. Refs gösterildiği gibi, polimer lif çıkış kiriş profili, olayın kirişin konumunda bir değişiklik izler. 11,12,13.
Bu lokalize demetinin ışın yarıçapı bozukluğu sitesi boyutları ve dalga boyu olarak tasarım parametrelerinin etkisini kapsamlı bir çalışma Refs sunuldu. 12,15.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fiber iĢlemdir olarak, kırılma indisi profili çünkü her ikisi de, orijinal lif şeritlerin çapraz geçişleri ve aynı zamanda, çünkü çekme işleminde elyaf çapı varyasyonları, bir metre fazla sabit kalmaz. Biz daha istikrarlı bir beraberlik süreci burada rapor ile karşılaştırıldığında daha uzun lif uzunlukları üzerinde değişmeyen bir fiber optik imal için yardımcı olacaktır bekliyoruz.
Lif ucu SEM görüntüleme için bir örnek hazırlarken, biz örnek yeter…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma, Ulusal Bilim Vakfı hibe sayısı 1029547 tarafından desteklenmektedir. Yazarlar ilk lif bölümleri ve son fiber optik çizilen sağlamak için Paradigma Optik Inc DJ Welker kabul etmek istiyorum. Yazarlar ayrıca Steven Hardcastle ve SEM görüntüleme için Heather A. Owen kabul.
Materials
| poly (methyl methacrylate) (PMMA) | |||
| polystyrene (PS) | |||
| 70% ethyl alcohol solution at 65 °C |
Referencias
- 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).
