Fabricage van 1-D Photonic Crystal Cavity op een Nanovezel behulp Femtoseconde Laser-geïnduceerde Ablation
Summary
We presenteren een protocol voor het vervaardigen van 1-D fotonisch kristal holtes op subwavelength diameter silica vezels (optisch nanovezels) met behulp van femtoseconde-laser-geïnduceerde ablatie.
Abstract
We presenteren een protocol voor het vervaardigen van 1-D Photonic Crystal (PhC) holtes op subwavelength-diameter taps toelopende optische vezels, optische nanovezels, met behulp van femtoseconde-laser-geïnduceerde ablatie. We laten zien dat duizenden periodieke nano-kraters worden vervaardigd op een optische nanovezel door bestraling met slechts één femtoseconde laserpuls. Voor een typisch monster periodieke nano-kraters met een periode van 350 nm en een diameter geleidelijk variërend van 50 – 250 nm worden over een lengte van 1 mm vervaardigd op een nanovezel met diameter ongeveer 450 – 550 nm. Een belangrijk aspect van dergelijke nanofabricage dat de nanovezel zelf als een cilindrische lens en focusseert de femtoseconde laserstraal op het schaduwoppervlak. Bovendien is de single-schot fabricage maakt het immuun voor mechanische instabiliteiten en andere fabricage onvolkomenheden. Periodieke nano-kraters op nanovezel, fungeren als een 1-D PhC en maken een sterke en breedband reflectie met behoud van de hoge transmissie uit de stopband. We stellen ook een werkwijze om het profiel van de nano-krater matrix besturen geapodiseerd en defect geïnduceerde PhC holten fabriceren op de nanovezel. De sterke opsluiting van het veld, zowel transversale en longitudinale, in de nanovezel gebaseerde PhC holtes en de efficiënte integratie van de glasvezelnetwerken, kan nieuwe mogelijkheden voor nanofotonische toepassingen en quantum information science openen.
Introduction
Sterke opsluiting van licht in nanofotonische apparaten heeft nieuwe grenzen geopend in optische wetenschap. Moderne nanofabricage technologieën hebben ingeschakeld fabricage van 1-D en 2-D Photonic Crystal (PhC) holtes voor nieuwe perspectieven in lasermedium 1, 2 sensing en optische switching toepassingen 3. Bovendien heeft een sterke licht-materie interactie in deze PhC holtes nieuwe wegen geopend voor de quantum information science 4. Naast PhC holten hebben plasmon nanocavities ook veelbelovende vooruitzichten 5, 6, 7. Echter, interfacing dergelijke holten glasvezel communicatienetwerk blijft een uitdaging.
De laatste jaren tapse single mode optische vezel met een diameter kleiner dan de golflengte, bekend als optische nanovezel, is uitgegroeid tot een veelbelovende nanofotonische apparaat. Door de sterkedwars opsluiting van de nanovezel geleide veld en het vermogen tot interactie met het omgevende medium, wordt de nanovezel algemeen aangepast en onderzocht voor verschillende toepassingen nanofotonische 8. Daarnaast wordt ook sterk onderzocht en toegepast voor quantum manipulatie van licht en materie 9. Efficiënte koppeling van emissie van quantum emitters zoals enkel / paar laser-gekoelde atomen en single quantum dots, in de nanovezel geleide modi is onderzocht en aangetoond 10, 11, 12, 13, 14, 15. Het licht-materie interactie op nanovezel kan aanzienlijk worden verbeterd door het uitvoeren PhC holtestructuur op de nanovezel 16, 17.
Het belangrijkste voordeel voor sUCH systeem is de vezel-in-line-techniek die gemakkelijk kan worden geïntegreerd communicatienetwerk. Lichtdoorlatendheid van 99,95% door het tapse nanovezel aangetoond 18. De nanovezel transmissie is zeer gevoelig voor stof en vervuiling. Daarom fabricage PHC structuur op nanovezel gebruik van conventionele nanofabricage techniek is niet erg vruchtbaar. Hoewel holte fabricage op nanovezel gebruik gefocusseerde ionenbundel (FIB) het malen aangetoond 19, 20, de optische kwaliteit en reproduceerbaarheid is niet zo hoog.
In deze video protocol presenteren we een recent aangetoond 21, 22 techniek PhC holten fabriceren op nanovezel gebruik femtoseconde laser ablatie. De constructies worden uitgevoerd door het creëren van een twee-beam interferentiepatroon van de femtoseconde laser op de nanovezel en irradiating een femtoseconde laserpuls. De lenzen effect van de nanovezel speelt een belangrijke rol bij de haalbaarheid van deze technieken maken ablatie kraters op de schaduw oppervlak van de nanovezel. Voor een typisch monster periodieke nano-kraters met een periode van 350 nm en een diameter geleidelijk variërend van 50 – 250 nm worden over een lengte van 1 mm vervaardigd op een nanovezel met diameter ongeveer 450 – 550 nm. Periodieke nano-kraters op nanovezel, fungeren als een 1-D PhC. We stellen ook een werkwijze om het profiel van de nano-krater matrix besturen geapodiseerd en defect geïnduceerde PhC holten fabriceren op de nanovezel.
Een belangrijk aspect van deze nanofabricage het alle optische vervaardiging, zodat hoge optische kwaliteit kan worden gehandhaafd. Bovendien wordt de fabricage uitgevoerd door de bestraling van slechts één femtoseconde laserpuls, waardoor de techniek ongevoelig voor mechanische instabiliteiten en andere onvolkomenheden fabricage. Ook maakt dit mogelijk in-house productie PHC nanovezel holte zodanig dat de kans op besmetting kan worden geminimaliseerd. Dit protocol is bedoeld om anderen te helpen implementeren en dit nieuwe type nanofabricage techniek aan te passen.
Figuur 1a toont het schema van de fabricage installatie. De details van de procedures fabricage installatie en uitlijning worden in 21, 22. A femtoseconde laser met 400 nm centrale golflengte en 120 fs pulsbreedte invalt op een fasemasker. De fasemasker splitst de femtoseconde laserbundel bij 0 en ± 1 orden. Een bundelblokkering wordt gebruikt om de 0-orde bundel blokkeert. De inklapbare spiegels symmetrisch recombineren de ± 1-orders aan de nanovezel positie, om een interferentiepatroon te creëren. De toonhoogte van de fase-masker is 700 nm, zodat het interferentiepatroon heeft een pitch (Λ G) van 350 nm. De cilindrische lens focusseert de femtoseconde laserbundel langs de nanovezel. De bundelgrootte in (Y-as)en langs (Z-as) de nanovezel is 60 urn en 5,6 mm werden. De tapse vezel is gemonteerd op een houder met piëzo actuator (PZT) voor het strekken van de vezel. Een deksel met glazen plaat wordt gebruikt om de nanovezel tegen stof te beschermen. De houder met de taps toelopende vezel is gefixeerd op een verzinsel bankje uitgerust met vertaling (XYZ) en rotatie (θ) fasen. De θ-stage maakt rotatie van de nanovezel monster in het YZ-vlak. De X-stage kunt ook de kantelhoeken langs XY en XZ-vlak. Een CCD camera geplaatst op een afstand van 20 cm van de nanovezel en onder een hoek van 45 ° in het XY-vlak aan de nanovezel positiemonitor. Alle experimenten worden uitgevoerd in een schone cabine met HEPA (High Efficiency Particulate arrestatie) filters om stofvrij te bereiken. Stofvrije toestand is essentieel voor de overdracht van de nanovezel handhaven.
Figuur 1lb toont het schema van de optische metingen. Tijdens fabricage worden de optische eigenschappen kort gevolgd door de lancering van een breedband (golflengte: 700-900 nm) gevezelde lichtbron in de tapse vezel en het meten van het spectrum van het doorgelaten en gereflecteerd licht met behulp van hoge resolutie spectrum analyzer. Een afstembare CW laserbron wordt gebruikt om de holte modes goed op te lossen en de absolute holte transmissie meten.
We presenteren het protocol voor de fabricatie en karakterisatie. Het gedeelte protocol is verdeeld in drie paragrafen, nanovezel voorbereiding, femtoseconde laser fabricage en karakterisering van de verzonnen monsters.
Protocol
Representative Results
Discussion
De lenzen effect van de nanovezel speelt een belangrijke rol in de fabricagetechniek, waarbij nano-kraters op de schaduw oppervlak van de nanovezel maken (zie figuur 2). De lenzen effect van de nanovezel maakt het fabricageproces bestand tegen mechanische instabiliteiten in de dwarsrichting (Y-as). Bovendien, als gevolg van enkele-shot bestraling, de instabiliteit langs de andere assen hebben geen invloed op de fabricatie als de bestraling is slechts 120 fs (dwz pulse breedte). Als gevolg hierv…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the Japan Science and Technology Agency (JST) through the Strategic Innovation Program. KPN acknowledges support from a grant-in-aid for scientific research (Grant no. 15H05462) from the Japan Society for the Promotion of Science (JSPS).
Materials
| Femtosecond Laser | Coherent Inc. | Libra HE | |
| Phase Mask | Ibsen Photonics | Custom Made | |
| Optial Nanofiber Manufacturing Equipment | Ishihara Sangyo | ONME | |
| ADC Card | PicoTech | ADC-24 | |
| Single mode fiber | Fujikura | FutureGuide-SM | |
| Broadband source | NKT Photonics | SuperK EXTREME | |
| CW Tunable Laser | Coherent Inc. | MBR-110 | |
| Spectrum analyser (Transmission spectrum) | Thermo Fisher Scientific | Nicolet 8700 | |
| Spectrum analyser (Reflection spectrum) | Ocean Optics | QE65000 | |
| CCD Camera | Thorlabs | DCC1545M | |
| Power Meter | Thorlabs | D3MM | |
| Pt-Coater | Vacuum Device Inc. | MSP-1S | |
| Scanning Electron Microscope | Keyence | VE-9800 | |
| UV Curable Epoxy | NTT-AT | AT8105 | |
| Photodiode | ThorLabs | PDA 36A-EC | |
| Clean room wipe | TExWipe | TX-404 | |
| Fiber coating stripper | NTT-AT | Fiber nippers 250 μm | |
| Cover glass | Matsunami Glass IND,LTD | NEO micro cover glass 0.12-0.17 mm | |
| PZT | NOLIAC | NAC 2011-H20 | |
| Cylindrical lens stage | NewPort | M-481-A | |
| Y,Z stages | Chuo Precision Industrial Co., LTD. | LD-149-C7 | |
| Rotation stage | SIGMA KOKI | KSPB-1026MH | |
| Z-stage(1), Z-stage(2) | NewPort | M-460P | |
| Fiber coating stripper | NTT-AT | Fiber nippers 250 μm |
References
- Painter, O. J., et al. Two-Dimensional Photonic Band-Gap Defect Mode Laser. Science. 284, 1819-1821 (1999).
- Loncar, M., Scherer, A., Qiu, Y. Photonic crystal laser sources for chemical detection. Appl. Phys. Lett. 82, 4648 (2003).
- Tanabe, T., Notomi, M., Mitsugi, S., Shinya, A., Kuramochi, E. All-optical switches on a silicon chip realized using photonic crystal nanocavities. Appl. Phys. Lett. 87, 151112 (2005).
- Yoshie, T., et al. Vacuum Rabi splitting with a single quantum dot in a photonic crystal nanocavity. Nature. 432, 200-203 (2004).
- Akimov, A. V., et al. Generation of single optical plasmons in metallic nanowires coupled to quantum dots. Nature. 450, 402-406 (2007).
- Noginov, M. A., et al. Demonstration of a spaser-based nanolaser. Nature. 460, 1110-1112 (2009).
- Zhang, X. Y., Zhang, T., Hu, A., Song, Y. J., Duley, W. W. Controllable plasmonic antennas with ultra narrow bandwidth based on silver nano-flags. Appl. Phys. Lett. 101, 153118 (2012).
- Tong, L., Zi, F., Guo, X., Lou, J. Optical microfibers and nanofibers: A tutorial. Opt. Comm. 285, 4641-4647 (2012).
- Morrissey, M. J., et al. Spectroscopy, manipulation and trapping of neutral atoms, molecules, and other particles using optical nanofibers: A review. Sensors. 13, 10449-10481 (2013).
- Kien, F. L., Dutta Gupta, S., Balykin, V. I., Hakuta, K. Spontaneous emission of a cesium atom near a nanofiber: Efficient coupling of light to guided modes. Phys. Rev. A. 72, 032509 (2005).
- Nayak, K. P., Melentiev, P. N., Morinaga, M., Kien, F. L., Balykin, V. I., Hakuta, K. Optical nanofiber as an efficient tool for manipulating and probing atomic fluorescence. Opt. Express. 15, 5431-5438 (2007).
- Nayak, K. P., Hakuta, K. Single atoms on an optical nanofiber. New J. Phys. 10, 053003 (2008).
- Nayak, K. P., Kien, F. L., Morinaga, M., Hakuta, K. Antibunching and bunching of photons in resonance fluorescence from a few atoms into guided modes of an optical nanofiber. Phys. Rev. A. 79, 021801 (2009).
- Yalla, R., Nayak, K. P., Hakuta, K. Fluorescence photon measurements from single quantum dots on an optical nanofiber. Opt. Express. 20, 2932-2941 (2012).
- Yalla, R., Kien, F. L., Morinaga, M., Hakuta, K. Efficient Channeling of Fluorescence Photons from Single Quantum Dots into Guided Modes of Optical Nanofiber. Phys. Rev. Lett. 109, 063602 (2012).
- Kien, F. L., Hakuta, K. Cavity-enhanced channeling of emission from an atom into a nanofiber. Phys. Rev. A. 80, 053826 (2009).
- Kato, S., Aoki, T. Strong coupling between a trapped single atom and an all-fiber cavity. Phys. Rev. Lett. 115, 093603 (2015).
- Hoffman, J. E., et al. Ultrahigh transmission optical nanofibers. AIP Advances. 4, 067124 (2014).
- Nayak, K. P., et al. Cavity formation on an optical nanofiber using focused ion beam milling technique. Opt. Express. 19, 14040-14050 (2011).
- Kien, F. L., Nayak, K. P., Hakuta, K. Nanofibers with Bragg gratings from equidistant holes. J. Modern Opt. 59, 274-286 (2012).
- Nayak, K. P., Hakuta, K. Photonic crystal formation on optical nanofibers using femtosecond laser ablation technique. Opt. Express. 21, 2480-2490 (2013).
- Nayak, K. P., Zhang, P., Hakuta, K. Optical nanofiber-based photonic crystal cavity. Opt. Lett. 39, 232-235 (2014).
- Becker, M., et al. Fiber Bragg grating inscription combining DUV sub-picosecond laser pulses and two-beam interferometry. Opt. Express. 16, 19169-19178 (2008).
