Fabrikation af 1-D Photonic Crystal Cavity på en Nanofiber Brug Femtosekund Laser-induceret Ablation
Summary
Vi præsenterer en protokol for opdigte en-D fotoniske krystal hulrum på subwavelength diameter silica fibre (optiske nanofibre) ved hjælp af femtosekund laser-induceret ablation.
Abstract
Vi præsenterer en protokol for opdigte en-D fotoniske krystal (PhC) hulrum på subwavelength diameter koniske lysledere, nanofibre, ved hjælp af femtosekund laser-induceret ablation. Vi viser, at tusindvis af periodiske nano-kratere er fremstillet på en optisk nanofiber ved bestråling med blot et enkelt femtosekundlaser puls. For en typisk prøve, periodiske nano-kratere med en periode på 350 nm og med en diameter gradvist varierende fra 50 – er 250 nm over en længde på 1 mm fremstilles på en nanofiber med diameter ca. 450 – 550 nm. Et centralt aspekt af en sådan nanofabrikation er, at nanofiber selv fungerer som en cylindrisk linse og fokuserer femtosekund laserstråle på sin skygge overflade. Desuden single-shot fabrikation gør det immun over for mekaniske ustabilitet og andre fabrikation ufuldkommenheder. Sådanne periodiske nano-kratere på nanofiber, fungere som en 1-D PhC og muliggøre stærk og bredbånd refleksion samtidig bevare den høje transmission ud af stopbåndet. Vi præsenterer også en fremgangsmåde til at styre profilet af nano-krater matrix til fremstilling apodized og defekt-induceret PHC kaviteter på nanofiber. Den stærke indespærring af feltet, både tværgående og langsgående, i nanofiber-baserede PHC hulrum og effektiv integration til fibernet, kan åbne nye muligheder for nanofotoniske applikationer og kvanteinformationsvidenskab.
Introduction
Stærk indespærring af lys i nanofotoniske enheder har åbnet nye grænser i optisk videnskab. Moderne nanofabrikation teknologier har gjort det muligt fremstilling af 1-D og 2-D fotoniske krystal (PhC) hulrum for nye perspektiver i at udsende laserstråler 1, sensing 2 og optiske switching applikationer 3. Desuden har stærkt lys-stof vekselvirkning i disse PHC hulrum åbnet nye muligheder for kvanteinformationsvidenskab 4. Bortset fra PHC hulrum, har plasmoniske nanocavities også vist lovende udsigter 5, 6, 7. Men sammenknytning sådanne hulrum til fiberbaseret kommunikationsnetværk stadig en udfordring.
I de seneste år, tilspidsede single mode fiber med subwavelength diameter, kendt som optisk nanofiber, har vist sig som en lovende Nanophotonic enhed. På grund af den stærketværgående indeslutning af nanofiber guidet felt og evnen til at interagere med det omgivende medium, er nanofiber bredt tilpasset og undersøgt for forskellige nanofotoniske anvendelser 8. Bortset fra det, er det også stærkt undersøgt og implementeret for kvante manipulation af lys og stof 9. Effektiv kobling af emission fra kvante udledere lignende, enkelt / par laserkølede atomer og enlige quantum dots, ind i nanofiber guidede modes er blevet undersøgt og påvist 10, 11, 12, 13, 14, 15. Den lys-stof vekselvirkning på nanofiber kan forbedres betydeligt ved at gennemføre PhC hulrum struktur på nanofiber 16, 17.
Den vigtigste fordel for such et system er den fiber-in-line-teknologi, der let kan integreres til kommunikationsnetværk. Light transmission af 99,95% gennem tilspidsede nanofiber er påvist 18. Imidlertid nanofiber transmission er ekstremt modtagelige for støv og snavs. Derfor fremstilling af PhC struktur på nanofiber anvendelse af konventionel nanofabrikation teknik er ikke meget frugtbar. Selv hulrum fabrikation på nanofiber hjælp Focused Ion Beam (FIB) formaling er påvist 19, 20, den optiske kvalitet og reproducerbarhed er ikke så høj.
I denne video protokol præsenteres en nylig vist 21, 22 teknik til at fremstille PHC hulrum på nanofiber hjælp femtosekundlaser ablation. De bærende udføres ved at oprette en to-beam interferensmønster af femtosekundlaser på nanofiber og irradiating en enkelt femtosekundlaser puls. Den linsevirkning af nanofiber spiller en vigtig rolle i gennemførligheden af sådanne teknikker, skaber ablation kratere på skyggen overflade af nanofiber. For en typisk prøve, periodiske nano-kratere med en periode på 350 nm og med en diameter gradvist varierende fra 50 – er 250 nm over en længde på 1 mm fremstilles på en nanofiber med diameter ca. 450 – 550 nm. Sådanne periodiske nano-kratere på nanofiber, fungere som en 1-D PhC. Vi præsenterer også en fremgangsmåde til at styre profilet af nano-krater matrix til fremstilling apodized og defekt-induceret PHC kaviteter på nanofiber.
Et centralt aspekt af en sådan nanofabrikation er alle optiske fabrikation, således at der kan opretholdes en høj optisk kvalitet. Desuden er fremstillingen sker ved bestråling af blot en enkelt femtosekundlaser puls, hvilket gør teknikken immun over for mekaniske ustabiliteter og andre fabrikation ufuldkommenheder. Også dette gør egenproduktion af PhC nanofiber hulrum således, at sandsynligheden for forurening kan minimeres. Denne protokol er beregnet til at hjælpe andre implementere og tilpasse denne nye type nanofabrikation teknik.
Figur 1A viser skematisk diagram af fremstillingen setup. Detaljerne i procedurerne for fabrikation opsætning og tilpasning diskuteres i 21, 22. En femtosekundlaser med 400 nm center bølgelængde og 120 fs impulsbredde falder ind på en fase maske. Fasen maske opdeler femtosekund laserstråle i til 0 og ± 1 ordrer. En stråle blok anvendes til at blokere 0-ordens strålen. De sammenklappelige spejle symmetrisk rekombinere ± 1-ordrer på nanofiber position, for at skabe et interferensmønster. Stigningen af fasemasken er 700 nm, så interferensmønstret har en stigning (Λ G) på 350 nm. Den cylindriske linse fokuserer femtosekund laserstråle langs nanofiber. Strålen størrelse på tværs (Y-akse)og langs (Z-akse) i nanofiber er 60 um og 5,6 mm. Den tilspidsede fiber er monteret på en holder udstyret med piezo aktuator (PZT) til strækning af fiberen. Et topdæksel med glasplade anvendes til at beskytte den nanofiber mod støv. Holderen med den tilspidsede fiber er fastgjort på en fabrikation bænk udstyret med oversættelse (XYZ) og rotation (θ) etaper. Den θ-fase tillader drejning af nanofiber prøven i YZ-planet. X-fase kan også styre tilt vinkler langs XY- og XZ-planet. Et CCD-kamera er placeret i en afstand på 20 cm fra nanofiber og i en vinkel på 45 ° i XY-planet til at overvåge nanofiber position. Alle eksperimenter udføres inde i en ren boks udstyret med HEPA (High-efficiency partikelformet standsning) filtre til at opnå støvfrit. Støvfri tilstand er vigtigt at opretholde transmissionen af nanofiber.
figur 1B viser den skematiske af de optiske målinger. Under fremstilling er de optiske egenskaber kortvarigt overvåges ved at iværksætte en bredbåndsforbindelse (bølgelængdeområde 700 – 900 nm) fiber-koblet lyskilde i den tilspidsede fiber og måling af spektret af det transmitterede og reflekterede lys ved hjælp af højtopløsende spektrumanalysator. Afstemmelig CW laserkilde anvendes til korrekt løse de hulrum tilstande og måle den absolutte hulrum transmission.
Vi præsenterer protokollen for fremstilling og karakterisering. Protokollen sektion er opdelt i tre underafsnit, nanofiber forberedelse, femtosekund laser fremstilling og karakterisering af de fremstillede prøver.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den linsevirkning af nanofiber spiller en vigtig rolle i fremstillingsteknik, hvorved der skabes nano-kratere på skyggen overflade af nanofiber (vist i figur 2). Den linsevirkning af nanofiber også gør produktionsprocessen robust til enhver mekanisk ustabilitet i den tværgående retning (Y-aksen). Som følge af single-shot bestråling, de ustabilitet langs de andre akser ikke påvirker fremstillingen som bestråling tid er kun 120 fs (dvs. puls bredde). Som et resultat, er periodiske nanost…
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).
