Fabricação de 1-D cristal fotônico cavidade em um nanofibras com ablação induzida por laser femtosegundo
Summary
Nós apresentamos um protocolo para a fabricação de cavidades de cristal fotônico 1-D em fibras de sílica de diâmetro subwavelength (nanofibras ópticos) usando a ablação induzida por laser de femtossegundos.
Abstract
Nós apresentamos um protocolo para a fabricação de 1-D cristal fotônico (APS) cavidades em subwavelength de diâmetro fibras ópticas afiladas, nanofibras ópticos, usando a ablação induzida por laser de femtossegundos. Mostramos que milhares de nano-crateras periódicas são fabricados em uma nanofibras óptica por irradiação com apenas um único pulso de laser de femtossegundos. Para uma amostra típica, periódicos nano-crateras com um período de 350 nm e com um diâmetro variando gradualmente 50-250 nm ao longo de um comprimento de 1 mm são fabricados sobre um nanofibras com diâmetro em torno de 450-550 nm. Um aspecto fundamental de um tal nanofabrication é que o próprio nanofibras actua como uma lente cilíndrica e foca o feixe de laser femtosegundo na sua superfície sombra. Além disso, a fabricação de um único tiro torna imune a instabilidades mecânicas e outras imperfeições de fabricação. Esses nano-crateras periódicos sobre nanofibras, agir como um 1-D CSP e permitir a reflexão forte e de banda larga, mantendo a alta transmissão para fora da faixa de rejeição. Nós também apresentamos um método para controlar o perfil da matriz de nano-cratera para fabricar cavidades PHC apodizada e induzida por defeitos na nanofibras. A forte confinamento do campo, tanto transversal e longitudinal, nas cavidades com base na APS nanofibras ea integração eficiente para as redes de fibra, pode abrir novas possibilidades para aplicações nanophotonic e ciência da informação quântica.
Introduction
confinamento forte de luz em dispositivos nanophotonic abriu novas fronteiras da ciência óptica. Tecnologias de nanofabricação modernas têm permitido a fabricação de 1-D e 2-D cristal fotônico (APS) cavidades para novas perspectivas no lasing 1, sentindo 2 e aplicações de comutação óptica 3. Além disso, a forte interação da luz com a matéria nestas cavidades APS, abriu novos caminhos para a ciência da informação quântica 4. Além de cavidades APS, nanocavidades plasmonic também mostraram perspectivas promissoras 5, 6, 7. No entanto, a interface dessas cavidades para rede de comunicação à base de fibras permanece um desafio.
Nos últimos anos, de modo único de fibra óptica afunilada com um diâmetro subwavelength, conhecido como nanofibras óptico, emergiu como um dispositivo nanophotonic promissora. Devido à forteconfinamento transversal do campo de nanofibras guiado e a capacidade de interagir com o meio circundante, o nanofibras é amplamente investigados e adaptada para várias aplicações nanophotonic 8. Além disso, ele também é fortemente investigada e implementada para a manipulação quântica da luz e da matéria 9. Acoplamento eficiente de emissão dos emissores quântica como, único alguns átomos / refrigerado a laser e pontos quânticos individuais, para os modos de nanofibras guiada tem sido estudado e demonstrado 10, 11, 12, 13, 14, 15. A interação da luz com a matéria em nanofibras pode ser significativamente melhorada através da implementação de estrutura de cavidade PhC na nanofibras 16, 17.
A vantagem chave para suito um sistema é a tecnologia de fibra em-linha que pode ser facilmente integrado a rede de comunicação. Transmissão de luz de 99,95% através da nanofibras cônico tem sido demonstrada 18. No entanto, a transmissão de nanofibras é extremamente susceptível a poeira e contaminação. Portanto, a fabricação da estrutura PhC em nanofibras utilizando a técnica de nanofabricação convencional não é muito proveitosa. Embora fabricação cavidade em nanofibras de moagem usando Focused Ion Beam (FIB) foi demonstrada 19, 20, a qualidade óptica e reprodutibilidade não é tão elevado.
Neste protocolo de vídeo, apresentamos uma técnica de 21, 22 recentemente demonstrado para fabricar cavidades APS em nanofibras usando ablação a laser de femtossegundos. As formações são realizadas através da criação de um padrão de interferência de dois feixes de laser femtosegundo no nanofibras e IRRADiating um único pulso de laser de femtossegundos. O efeito lensing do nanofibras desempenha um papel importante na viabilidade de tais técnicas, criando crateras de ablação na superfície da sombra do nanofibras. Para uma amostra típica, periódicos nano-crateras com um período de 350 nm e com um diâmetro variando gradualmente 50-250 nm ao longo de um comprimento de 1 mm são fabricados sobre um nanofibras com diâmetro em torno de 450-550 nm. Esses nano-crateras periódicos sobre nanofibras, agir como um 1-D APS. Nós também apresentamos um método para controlar o perfil da matriz de nano-cratera para fabricar cavidades PHC apodizada e induzida por defeitos na nanofibras.
Um aspecto chave de tais nanofabrication é a fabricação de todos os isómeros ópticos, de modo que a alta qualidade óptica pode ser mantida. Além disso, a fabricação é feita por irradiação de apenas um único pulso de laser femtosegundo, tornando a técnica imunológica a instabilidades mecânicas e outras imperfeições de fabrico. Além disso, este permite a produção in-house da APS nanocavidade de fibra de modo a que a probabilidade de contaminação pode ser minimizada. Este protocolo destina-se a ajudar os outros a implementar e adaptar este novo tipo de técnica de nanofabricação.
A Figura 1a mostra o diagrama esquemático da instalação de fabrico. Os detalhes dos procedimentos de configuração fabricação e alinhamento são discutidos em 21, 22. Um laser de femtosegundo com 400 nm de comprimento de onda do centro e 120 fs largura de pulso é incidente em uma máscara de fase. A máscara de fase divide o feixe de laser femtosegundo em a 0 e ± 1 ordens. Um bloco de feixe é usado para bloquear o feixe de 0-fim. Os espelhos rebatíveis simetricamente recombinar os ± 1-encomendas na posição de nanofibras, para criar um padrão de interferência. O passo da máscara de fase é de 700 nm, de modo que o padrão de interferência tem um passo (Λ L) de 350 nm. A lente cilíndrica foca o feixe de laser femtosegundo ao longo da nanofibras. O tamanho do feixe entre (eixo Y)e ao longo (eixo Z) do nanofibras é de 60 um e 5,6 mm, respectivamente. A fibra cónica está montado sobre um suporte equipado com piezo actuador (PZT) para esticar a fibra. Uma tampa de topo com a placa de vidro é usado para proteger o nanofibras a partir de pó. O titular com a fibra cônico é fixo em um banco de fabricação equipado com tradução (XYZ) e estágios de rotação (θ). O θ-fase permite a rotação da amostra de nanofibras no plano yz. O X-estágio também pode controlar os ângulos de inclinação ao longo XY e XZ-avião. Uma câmara CCD é colocada a uma distância de 20 cm do nanofibras e a um ângulo de 45 ° no plano XY para monitorizar a posição de nanofibras. Todos os experimentos são realizados dentro de uma cabine limpo equipado com filtros HEPA (High Efficiency Particulate prender) para alcançar condições livre de poeira. condição de livre de poeira é essencial para manter a transmissão do nanofibras.
figura 1b mostra o esquema das medições ópticas. Durante o fabrico, as propriedades ópticas são brevemente monitorizada através do lançamento de uma banda larga (gama de comprimento de onda: 700-900 nm) fonte de luz acoplado à fibra para a fibra cónica e medindo o espectro da luz transmitida e reflectida utilizando analisador de espectro de alta resolução. A fonte de laser CW sintonizável é usado para resolver adequadamente os modos de cavidade e para medir a transmissão cavidade absoluta.
Nós apresentamos o protocolo para a fabricação e caracterização. A seção de protocolo é dividido em três subseções, preparação de nanofibras, femtosegundo de fabricação a laser e caracterização das amostras fabricadas.
Protocol
Representative Results
Discussion
O efeito lensing do nanofibras desempenha um papel importante na técnica de fabricação, criando assim nano-crateras na superfície da sombra do nanofibras (mostrado na Figura 2). O efeito lensing do nanofibras também faz com que o processo de fabricação robusta para quaisquer instabilidades mecânicas na direcção transversal (eixo Y). Além disso, devido à irradiação de um único tiro, as instabilidades junto dos outros eixos não afectam a fabricação como o tempo de irradiação é de apen…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
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