フェムト秒レーザー誘起アブレーションを用いたナノファイバー上の1次元フォトニック結晶共振器の作製
Summary
我々は、フェムト秒レーザー誘起アブレーションを使用して、サブ波長直径のシリカファイバ（光ナノファイバー）の1-Dフォトニック結晶空洞を製造するためのプロトコルを提示します。
Abstract
我々は、フェムト秒レーザー誘起アブレーションを使用して、サブ波長直径テーパ光ファイバ、光ナノファイバー、上の1次元フォトニック結晶（PhCを）空洞を製造するためのプロトコルを提示します。我々は、周期的なナノクレータの数千がただ1つのフェムト秒レーザーパルスを照射して、光ナノファイバー上に作製されることを示しています。代表的なサンプルについて、350nmの周期で徐々に50から変化する直径を有する周期的なナノクレーター – 550 NM – 1mmの長さにわたって250 nmの450の周りに直径ナノファイバー上に製造されます。このようなナノファブリケーションの重要な側面は、ナノファイバー自体は、シリンドリカルレンズとして機能し、その影の表面にフェムト秒レーザー光の焦点を合わせることです。また、シングルショット製作は機械的不安定性および他の製造欠陥にそれが免疫になります。ナノファイバー上のような定期的なナノクレーターは、1-D PhCをとして作用し、阻止域のうち、高い透過率を維持しながら、強力な、ブロードバンド反射を有効にします。また、ナノファイバーにアポダイズと欠陥によって誘発されるPhCをキャビティを製造するためにナノクレーター配列のプロファイルを制御するための方法を提示します。フィールドの強い閉じ込め、横方向と縦方向の両方は、ナノファイバーベースのPhCをキャビティおよびファイバネットワークへの効率的な統合で、ナノフォトニックアプリケーションや量子情報科学の新たな可能性を開くことができます。
Introduction
ナノフォトニックデバイスの光の強い閉じ込めは、光科学の新たなフロンティアをオープンしました。現代のナノ加工技術は、1レイジング 2を感知し、光スイッチング用途3で1次元および2次元フォトニック結晶（PhCを）新たな展望のための空洞の製作を有効にしています。また、これらのPhCを空洞に強い光と物質の相互作用は、量子情報科学4のための新しい道を開きました。別にPhCをキャビティから、プラズモニックナノ共振器はまた、有望な見込み客5、6、7を示しています。しかし、ファイバベースの通信ネットワークにこのような空洞をインターフェースすることは課題です。
近年では、光ナノファイバーとして知られているサブ波長直径テーパシングルモード光ファイバは、有望なナノフォトニックデバイスとして浮上しています。強いのためにナノファイバーガイド付きフィールドと周囲の媒体と相互作用する能力の横方向の閉じ込めは、ナノファイバーは広く適応し、様々なナノフォトニック用途8に向けて研究されています。それとは別に、それはまた、強力に調査した光の量子操作を実施し、9問題です。ナノファイバー導波モードへのような量子発光体、単一/少数のレーザー冷却原子および単一量子ドットからの発光の効率的な結合を検討し、10、11、12、13、14、15に示されています。ナノファイバーの光-物質相互作用は有意にナノファイバー16、17にPhCをキャビティ構造を実装することによって改善することができます。
sのための重要な利点UCHシステムは、容易に、通信ネットワークに統合することができ、ファイバ・イン・ライン技術です。テーパナノファイバーを通じて99.95％の光透過率は18実証されています。しかし、ナノファイバー伝送は、ほこりや汚れに非常に敏感です。従って、従来の微細加工技術を用いてナノ繊維にPhCを構造体の製造は非常に実りありません。集束イオンビーム（FIB）ミリングを用いたナノファイバーの空洞製作は19、20、実証されているが、光学品質および再現性は、高くありません。
このビデオプロトコルでは、フェムト秒レーザーアブレーションを用いたナノファイバーのPhCを空洞を製造する最近実証21,22技術を提示します。捏造は、ナノファイバーとIRRADにフェムト秒レーザーの二光束干渉パターンを作成することにより行われます単一のフェムト秒レーザーパルスをiating。ナノファイバのレンズ効果は、ナノファイバーの影の表面にアブレーションクレーターを作成する、このような技術の実現可能性に重要な役割を果たしています。代表的なサンプルについて、350nmの周期で徐々に50から変化する直径を有する周期的なナノクレーター – 550 NM – 1mmの長さにわたって250 nmの450の周りに直径ナノファイバー上に製造されます。ナノファイバー上のような定期的なナノクレーターは、1-D PhCをとして機能します。また、ナノファイバーにアポダイズと欠陥によって誘発されるPhCをキャビティを製造するためにナノクレーター配列のプロファイルを制御するための方法を提示します。
高い光学的品質を維持することができるように、そのようなナノファブリケーションの重要な態様は、すべての光造形です。さらに、製造は、機械的不安定性および他の製造欠陥に技術の免疫を行う、ただ1つのフェムト秒レーザーパルスを照射することによって行われます。また、これはPhCをナノの社内生産を可能に汚染の可能性を最小限に抑えることができるように、ファイバ共振器。このプロトコルは、他の人は微細加工技術のこの新しいタイプを実装し、適応させるためのものです。
図1aは、製造のセットアップの概略図を示します。製造セットアップ及びアライメント手順の詳細については、21、22に記載されています。 400 nmの中心波長、120フェムト秒のパルス幅を有するフェムト秒レーザは、位相マスク上に入射します。位相マスクは、0と±1次までにフェムト秒レーザービームを分割します。ビームブロックは0次光を遮断するために使用されます。折りたたみミラーは対称的に干渉パターンを作成するために、ナノファイバーの位置で±1オーダーを再結合します。位相マスクのピッチは700nmであるので、干渉縞は、350nmのピッチ（ΛG）を有しています。シリンドリカルレンズは、ナノファイバーに沿ってフェムト秒レーザー光の焦点を合わせます。両端のビームサイズ（Y軸）及び（Z軸）に沿ったナノ繊維は、それぞれ60μmで5.6 mmです。テーパ状繊維は、繊維を延伸するための圧電アクチュエータ（PZT）を備えたホルダーに取り付けられています。ガラス板とトップカバーは、埃からナノファイバーを保護するために使用されます。先細のファイバとホルダーは、翻訳（XYZ）と回転（θ）のステージを備えた製造ベンチに固定されています。 θステージは、YZ面におけるナノファイバーサンプルの回転を可能にします。 XステージもXY-とXZ平面に沿って傾斜角を制御することができます。 CCDカメラは、ナノ繊維から20cmの距離で、およびナノファイバーの位置を監視するためのXY平面内で45°の角度で配置されています。全ての実験は、無塵の条件を達成するためにHEPA（高効率粒子拘束）フィルターを備えたクリーンブース内で実行されています。無塵の条件は、ナノファイバーの透過性を維持することが不可欠です。
図1（b）は光学測定の概略を示しています。テーパファイバにファイバ結合光源と高分解能スペクトルアナライザを使用して送信し、反射光のスペクトルを測定する： – 製造中、光学的性質を簡単ブロードバンド（900から700nmの波長範囲）を起動することによって監視されます。波長可変CWレーザ光源を適切にキャビティモードを解決するために絶対空洞伝達を測定するために使用されます。
私たちは、製造および特徴付けのためのプロトコルを提示します。プロトコルセクションは、3つのサブセクション、作製した試料のナノファイバーの準備、フェムト秒レーザーの製造および特性評価に分かれています。
Protocol
Representative Results
Discussion
ナノファイバのレンズ効果は、（ 図2に示されている）、それによりナノファイバーの影の表面にナノクレーターを作成する製造技術において重要な役割を果たしています。ナノファイバのレンズ効果はまた、横方向（Y軸）の任意の機械的な不安定性に強固な製造プロセスを行います。照射時間はわずか120 fsの（ すなわちパルス幅）であるとして、また、単発照射により?…
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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