Fabrikasjon av 1-D fotoniske krystaller hulrom på en nanofiber Bruke femtosecond laser-indusert ablasjon
Summary
Vi presenterer en protokoll for å fabrikkere en-D fotoniske krystaller hulrom på Subwavelength diameter silika fibre (optiske nanofibre) med femtosecond laser-indusert ablasjon.
Abstract
Vi presenterer en protokoll for å fabrikkere en-D fotoniske krystaller (PhC) hulrom på Subwavelength diameter koniske optiske fibre, optiske nanofibers, ved hjelp av femtosecond laser-indusert ablasjon. Vi viser at tusenvis av periodiske nano kratere er fabrikkert på en optisk nanofiber ved bestråling med bare en enkelt femtosecond laser puls. For en typisk prøve, periodiske nano kratere med en periode på 350 nm og med diameter gradvis varierende fra 50 – er 250 nm over en lengde på 1 mm fabrikkert på en nanofiber med diameter rundt 450-550 nm. En sentral del av en slik nanofabrication er at nanofiber i seg selv fungerer som en sylindrisk linse og fokuserer femtosecond laserstråle på sin skygge overflaten. Videre gjør den single-shot fabrikasjon det immun mot mekaniske ustabiliteter og andre fabrikasjon feil. Slike periodiske nano kratere på nanofiber, fungere som en 1-D PhC og aktivere sterk og bredbånd refleksjon og samtidig opprettholde den høye overføring ut av stopband. Vi presenterer også en metode for å kontrollere profilen på nano-krateret array å dikte apodized og feilutløst PHC hulrom på nanofiber. Den sterke innesperring av feltet, både tverrgående og langsgående, i nanofiber-baserte PHC hulrom og effektiv integrasjon til fibernett, kan åpne nye muligheter for nanophotonic programmer og quantum informatikk.
Introduction
Sterk innesperring av lys i nanophotonic enheter har åpnet nye grenser i optisk vitenskap. Moderne Nanofabrication teknologi har aktivert fabrikasjon av 1-D og 2-D fotoniske krystaller (PhC) hulrom for nye prospekter i laser 1, sensing 2 og optiske bryterapplikasjoner 3. Dessuten har sterkt lys-saken samhandling i disse PHC hulrom åpnet nye veier for quantum informatikk fire. Bortsett fra PHC hulrom, har Plasmonic nanocavities også vist lovende prospekter 5, 6, 7. Men grensesnitt slike hulrom til fiberbasert kommunikasjonsnettverk er fortsatt en utfordring.
I de senere årene, koniske enkeltmodus optisk fiber med Subwavelength diameter, kjent som optisk nanofiber, har dukket opp som en lovende nanophotonic enhet. På grunn av den sterketverrgående innesperring av nanofiber styrt felt og evnen til å kommunisere med det omgivende medium, blir nanofiber allment tilpasset og undersøkt for ulike anvendelser nanophotonic 8. Bortsett fra det, er det også sterkt etterforsket og implementert for quantum manipulering av lys og materie 9. Effektiv kobling av utslipp fra kvante-emittere som, single / par laserkjølte atomer og enkelt kvanteprikker, inn i nanofiber ledede modi er blitt undersøkt og påvist 10, 11, 12, 13, 14, 15. Lyset-sak interaksjon på nanofiber kan forbedres betydelig ved å implementere PhC hulrom struktur på nanofiber 16, 17.
Den viktigste fordelen for sUCH et system er den fiber-in-line-teknologi som lett kan integreres i kommunikasjonsnettverk. Lystransmisjon på 99,95% gjennom den avsmalnende nanofiber er vist 18. Imidlertid er det nanofiber overføring svært utsatt for støv og forurensning. Derfor er fabrikasjon av PhC struktur på nanofiber bruk av konvensjonell nanofabrication teknikken ikke veldig fruktbart. Selv om hulrom fabrikasjon på nanofiber ved hjelp av Fokusert Ion Beam (FIB) fresing er vist 19, 20, den optiske kvalitet og reproduserbarhet er ikke så høy.
I denne videoen protokollen, presenterer vi en nylig demonstrerte 21, 22 teknikk for å dikte PHC hulrom på nanofiber bruker femtosecond laser ablasjon. De fabrikasjoner utføres ved å skape et to-stråle interferensmønster av femtosekundområdet laseren på nanofiber og irradiating en enkelt femtosecond laser puls. Den lensing Effekten av nanofiber spiller en viktig rolle i gjennomførbarheten av slike teknikker, skaper ablasjon kratere på skyggen overflaten av nanofiber. For en typisk prøve, periodiske nano kratere med en periode på 350 nm og med diameter gradvis varierende fra 50 – er 250 nm over en lengde på 1 mm fabrikkert på en nanofiber med diameter rundt 450-550 nm. Slike periodiske nano kratere på nanofiber, fungere som en 1-D PhC. Vi presenterer også en metode for å kontrollere profilen på nano-krateret array å dikte apodized og feilutløst PHC hulrom på nanofiber.
Et viktig aspekt ved en slik nanofabrication er alle optiske fabrikasjon, slik at høy optisk kvalitet kan opprettholdes. Dessuten er fremstillingen utføres ved bestråling av bare en enkelt femtosecond laserpuls, slik at den teknikk som immun mot mekanisk ustabilitet og andre fabrikasjonsfeil. Også dette gjør in-house produksjon av PhC nanofiber hulrom, slik at sannsynligheten for forurensning kan minimeres. Denne protokollen er ment å hjelpe andre implementere og tilpasse denne nye typen nanofabrication teknikk.
Figur 1a viser skjematisk diagram av fremstillingsoppsett. Detaljene for fabrikasjon installasjon og justering prosedyrer diskutert i 21, 22. En femtosecond laser med bølgelengde 400 nm sentrum og fs 120 pulsbredde er innfallende på en fasemaske. Fasen maske deler femtosecond laserstråle på 0 og ± 1 bestillinger. En bjelke blokk blir brukt til å blokkere 0-orden bjelke. De innfellbare speil symmetrisk recombine ± 1 bestillinger på nanofiber posisjon, for å skape et interferensmønster. Stigningen av fasemasken er 700 nm, slik at interferensmønsteret har en stigning (Λ G) på 350 nm. Den sylindriske linse fokuserer femtosecond laserstråle langs nanofiber. Bjelken størrelse på tvers av (Y-aksen)og langs (Z-aksen) til nanofiber er 60 um og 5,6 mm, henholdsvis. Den koniske fiberen er montert på en holder er utstyrt med piezo-aktuator (PZT) for strekking av fiberen. En toppdekselet med glassplate brukes til å beskytte den nanofiber fra støv. Holderen med konisk fiber er festet på en fabrikasjon benk utstyrt med oversettelse (XYZ) og rotasjon (θ) stadier. Den θ-trinns tillater rotasjon av nanofiber prøven i YZ-planet. The X-stadiet kan også kontrollere vinkler langs XY og XZ-planet. En CCD-kamera er plassert i en avstand på 20 cm fra nanofiber og i en vinkel på 45 ° i XY-planet for å overvåke nanofiber stilling. Alle forsøkene er utført inne i en ren messe utstyrt med HEPA (High-effektivitet partikkel arrestere) filtre for å oppnå støvfritt miljø. Støvfrie tilstand er viktig å opprettholde overføring av nanofiber.
Figur 1b viser skjematisk de optiske målinger. Under fremstilling, blir de optiske egenskaper kort overvåket ved å lansere en (bølgelengdeområde: 700-900 nm) bredbånd-koplet fiber lyskilde inn i den koniske fiberen og måling av spekteret av det utsendte og det reflekterte lys ved hjelp av høyoppløselig spektrum analysator. En avstembar CW laserkilde blir brukt til å løse riktig hulromsmodi og for å måle den absolutte hulrom overføring.
Vi presenterer protokollen for fremstilling og karakterisering. Protokollen seksjon er delt i tre underseksjoner, nanofiber bearbeiding, femtosecond laser fabrikasjon og karakterisering av de fabrikkerte prøvene.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den lensing Effekten av nanofiber spiller en viktig rolle ved fremstilling teknikk, for derved å skape nano-kratere på skyggen overflaten av nanofiber (vist i figur 2). Den lensing Effekten av nanofiber gjør også fremstillingsprosessen robust overfor noen mekaniske ustabilitet i tverretningen (Y-aksen). Dessuten, på grunn av enkeltskudds bestråling, ustabiliteten langs de andre akser ikke påvirker fremstillingen som bestrålingstiden er bare 120 fs (dvs. pulsbredde). Som et resultat, er …
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).
