Fabrication de 1-D Cristal Photonique Cavity sur un nanofibres utilisant Ablation laser femtoseconde induite
Summary
Nous présentons un protocole de fabrication de 1-D cavités à cristaux photoniques sur des fibres de silice de diamètre Subwavelength (des nanofibres optiques) en utilisant femtoseconde ablation induite par laser.
Abstract
Nous présentons un protocole de fabrication de 1-D Cristal Photonique (PhC) cavités sur Subwavelength diamètre des fibres optiques effilées, nanofibres optiques, en utilisant femtoseconde ablation induite par laser. Nous montrons que des milliers de nano-cratères périodiques sont fabriqués sur une nanofibre optique en irradiant avec juste une impulsion laser femtoseconde unique. Pour un exemple typique, les nano-cratères périodiques avec une période de 350 nm et ayant un diamètre variant progressivement de 50 à 250 nm sur une longueur de 1 mm sont fabriqués sur une nanofibres avec un diamètre d'environ 450 – 550 nm. Un aspect important d'un tel nanofabrication est que la nanofibre lui-même agit comme une lentille cylindrique focalise le faisceau laser femtoseconde sur sa surface d'ombre. En outre, la fabrication à un coup, il est à l'abri des instabilités mécaniques et autres imperfections de fabrication. Ces nano-cratères périodiques sur nanofibres, agissent comme un 1-D PhC et permettent une réflexion forte et à large bande tout en maintenant la haute transmission sur la bande d'arrêt. Nous présentons également une méthode pour contrôler le profil de la matrice de nano-cratère pour fabriquer des cavités PhC apodisées et induite par défaut sur la nanofibre. Le fort confinement du champ, à la fois transversale et longitudinale, dans les cavités PhC à base de nanofibres et l'intégration efficace des réseaux de fibre optique, peut ouvrir de nouvelles possibilités pour les applications nanophotoniques et information quantique.
Introduction
Forte confinement de la lumière dans les dispositifs nanophotoniques a ouvert de nouvelles frontières en science optique. Technologies de nanofabrication modernes ont permis la fabrication de 1-D et 2-D Cristal Photonique (PhC) cavités pour de nouvelles perspectives en 1 effet laser, détection 2 et les applications de commutation optique 3. En outre, une forte interaction lumière-matière dans ces cavités PhC a ouvert de nouvelles voies pour l' information quantique 4. En dehors des cavités PhC, nanocavités plasmoniques ont également montré des perspectives prometteuses 5, 6, 7. Cependant, l'interfaçage de telles cavités à un réseau de communication à base de fibres reste un défi.
Ces dernières années, la fibre optique monomode conique avec un diamètre de Subwavelength, connu sous le nom de nanofibres optique, a émergé comme un dispositif nanophotonique prometteur. En raison de la fortele confinement transversal du champ de nanofibres guidée et la capacité d'interagir avec le milieu environnant, la nanofibre est largement étudiée et adaptée pour diverses applications nanophotoniques 8. En dehors de cela, il est également fortement étudié et mis en œuvre pour la manipulation quantique de la lumière et de la matière 9. Un couplage efficace de l' émission à partir des émetteurs quantiques tels que , quelques atomes uniques / refroidis par laser et des points quantiques individuels, dans les modes de nanofibres guidée a été étudiée et a démontré 10, 11, 12, 13, 14, 15. L'interaction lumière-matière sur nanofibres peut être considérablement améliorée par la mise en œuvre la structure de la cavité PhC sur le nanofibres 16, 17.
L'avantage clé pour sette un système est la technologie de fibre optique en ligne qui peut être facilement intégré au réseau de communication. Transmission de la lumière de 99,95% par le nanofibres conique a été démontrée 18. Cependant, la transmission de nanofibres est extrêmement sensible à la poussière et la contamination. Par conséquent, la fabrication de la structure PhC sur nanofibres en utilisant la technique de nanofabrication classique est pas très fructueuse. Bien que la cavité de fabrication sur nanofibres en utilisant Focused Ion Beam (FIB) fraisage a été démontrée 19, 20, la qualité optique et la reproductibilité est pas aussi élevé.
Dans ce protocole vidéo, nous présentons un récemment démontré 21, 22 technique pour fabriquer des cavités PhC sur nanofibres en utilisant ablation laser femtoseconde. Les fabrications sont réalisées en créant un motif d'interférence à deux faisceaux du laser femtoseconde sur la nanofibre et IRRADiating une impulsion laser femtoseconde unique. L'effet de lentille de la nanofibre joue un rôle important dans la faisabilité de ces techniques, en créant des cratères d'ablation sur la surface de l'ombre de la nanofibre. Pour un exemple typique, les nano-cratères périodiques avec une période de 350 nm et ayant un diamètre variant progressivement de 50 à 250 nm sur une longueur de 1 mm sont fabriqués sur une nanofibres avec un diamètre d'environ 450 – 550 nm. Ces nano-cratères périodiques sur nanofibres, agissent comme un 1-D PhC. Nous présentons également une méthode pour contrôler le profil de la matrice de nano-cratère pour fabriquer des cavités PhC apodisées et induite par défaut sur la nanofibre.
Un aspect clé de cette nanofabrication est la fabrication tout optique, de sorte que la qualité optique élevée peut être maintenue. En outre, la fabrication est effectuée par l'irradiation d'une simple impulsion laser femtoseconde unique, ce qui rend le système immunitaire à des instabilités mécaniques et autres imperfections de fabrication. Aussi ce qui permet la production interne de PhC nanola cavité de la fibre de telle sorte que la probabilité de contamination peut être réduit au minimum. Ce protocole est destiné à aider les autres à mettre en œuvre et d'adapter ce nouveau type de technique de nanofabrication.
La figure 1a montre le schéma de principe de l'installation de fabrication. Les détails des procédures de configuration de fabrication et d' alignement sont discutés dans 21, 22. Laser femtoseconde à 400 nm de longueur d'onde centrale de 120 fs et la largeur d'impulsion est incidente sur un masque de phase. Le masque de phase se divise le faisceau laser femtoseconde à 0 et ± 1 ordres. Un bloc de faisceau est utilisé pour bloquer le faisceau d'ordre 0. Les rétroviseurs rabattables recombinent symétriquement ± 1-commandes à la position de nanofibres, pour créer un motif d'interférence. Le pas du masque de phase est de 700 nm, de sorte que le motif d'interférence présente un pas (Λ G) de 350 nm. La lentille cylindrique focalise le faisceau laser femtoseconde sur la nanofibre. La taille du faisceau à travers (axe Y)et le long (axe Z), la nanofibre est de 60 pm et 5,6 mm, respectivement. La fibre conique est montée sur un support muni d'actionneur piézo-électrique (PZT) pour étirer la fibre. Un couvercle supérieur avec plaque de verre est utilisé pour protéger le nanofibres de la poussière. Le titulaire avec la fibre conique est fixé sur un banc de fabrication équipé de traduction (XYZ) et rotation (θ) étapes. La θ-étape permet la rotation de l'échantillon de nanofibres dans le plan YZ. Le X-étape peut également contrôler les angles d'inclinaison le long XY- et XZ. Une caméra CCD est placée à une distance de 20 cm de la nanofibre et à un angle de 45 ° dans le plan XY pour surveiller la position de nanofibres. Toutes les expériences sont effectuées à l'intérieur d'une cabine propre équipée HEPA (de blocage de particules à haute efficacité) filtres pour obtenir des conditions sans poussière. état sans poussière est essentielle pour maintenir la transmission de la nanofibre.
Figure 1b montre le schéma des mesures optiques. Lors de la fabrication, les propriétés optiques sont brièvement suivis par le lancement d'une large bande (plage de longueur d'onde: 700-900 nm) source lumineuse à fibre couplée dans la fibre conique et mesurer le spectre de la lumière transmise et réfléchie en utilisant un analyseur de spectre à haute résolution. Une source laser accordable en ondes entretenues est utilisé pour résoudre correctement les modes de cavité et pour mesurer la transmission de la cavité absolue.
Nous présentons le protocole pour la fabrication et la caractérisation. La section de protocole est divisé en trois sous-sections, préparation de nanofibres, femtoseconde fabrication laser et de caractérisation des échantillons fabriqués.
Protocol
Representative Results
Discussion
L'effet de lentille de la nanofibre joue un rôle important dans la technique de fabrication, en créant ainsi des nano-cratères sur la surface d'ombre de la nanofibre (représentée sur la figure 2). L'effet de lentille de la nanofibre rend également le procédé de fabrication robuste à tous les instabilités mécaniques dans la direction transversale (axe Y). En outre, en raison de l' irradiation à un coup, les instabilités le long des autres axes ne modifient pas la fabrication …
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 |
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