Изготовление 1-D фотонного кристалла резонатором на нановолокна Использование фемтосекундного лазера абляции
Summary
Мы представляем протокол для изготовления 1-D фотоннокристаллических полости от диаметра субволновых кварцевых волокон (оптические нановолокна) с использованием фемтосекундного лазера абляции.
Abstract
Мы представляем протокол для изготовления 1-D фотоннокристаллических (ПОЗ) полости на субволновых диаметра конусных оптических волокон, оптических нановолокон, с использованием фемтосекундного лазера абляции. Мы покажем, что тысячи периодических нано- кратеров изготовлены на оптическом нановолокна, облучая с помощью всего одного фемтосекундного лазерного импульса. Для типичного образца, периодические нано-кратеры с периодом 350 нм и диаметром постепенно изменяющейся от 50 – 250 нм на длине 1 мм изготавливаются на нановолокна с диаметром около 450 – 550 нм. Ключевым аспектом такого нанофабрикации является то, что само по себе нановолокна действует как цилиндрическая линза и фокусирует фемтосекундного лазерного луча на ее теневой поверхности. Кроме того, изготовление однократная делает его невосприимчивым к механическим нестабильностей и других дефектов изготовления. Такие периодические нано-кратеры на нановолокна, действуют как 1-D ПМСП и включить сильную и широкополосного отражения, сохраняя при этом высокую скорость передачи из режекции, Мы также представляем метод управления профилем массива нано-кратер для изготовления аподизированная и дефектоиндуцированной полости РНС на нановолокна. Сильное заключение поля, как поперечное и продольное, в основе нановолокон полостей и ФК-эффективной интеграции в волоконно-оптических сетей, может открыть новые возможности для нанофотоники приложений и квантовой информатики.
Introduction
Сильное удержания света в нанофотонных устройств открывает новые горизонты в оптической науке. Современные технологии позволили Nanofabrication изготовление 1-D и 2-D фотонного кристалла (РНС) полости для новых перспектив в лазерной генерации 1, 2 зондирования и оптических применений переключения 3. Кроме того, сильный свет материи взаимодействие в этих полостях ПЖС открывает новые возможности для квантовой информатики 4. Помимо полостей ФК – , плазмонных Нанопустоты также показали многообещающие перспективы 5, 6, 7. Тем не менее, взаимодействие таких полостей волокна на основе сети связи остается проблемой.
В последние годы, конический одномодовое оптическое волокно с диаметром субволновую, известный как оптический нановолокна, возникла в качестве перспективного нанофотонной устройства. Из-за сильногопоперечного удержания нановолокна руководствоваться поля и способности взаимодействовать с окружающей средой, нановолокна широко адаптирован и исследован для различных применений нанофотонных 8. Кроме того, он также сильно исследованы и реализованы для квантовой манипуляции света и материи 9. Эффективное сцепление излучения квантовых излучателей , таких как, одиночные / несколько охлажденных лазером атомов и одиночных квантовых точек, в нановолокон модах была изучена и продемонстрирована 10, 11, 12, 13, 14, 15. Взаимодействие света и вещества на нановолокна может быть значительно улучшена за счет реализации структуры полости PHC на нановолокна 16, 17.
Главное преимущество для SUCH система является технология волоконно-в-линии, которые могут быть легко интегрированы в сети связи. Светопропускание 99,95% через коническим нановолокна было продемонстрировано 18. Тем не менее, передача нановолокна чрезвычайно чувствительны к воздействию пыли и загрязнений. Таким образом, изготовление структуры РНС на нановолокна с использованием традиционной техники Nanofabrication не очень плодотворными. Хотя изготовление полости на нановолокна с использованием сфокусированного ионного пучка (FIB) фрезерование было продемонстрировано 19, 20, оптическое качество и воспроизводимость не так высока.
В этом видео – протокол, мы представляем недавно продемонстрировали 21, 22 техники изготовить РНС полостей на нановолокна с использованием фемтосекундного лазерной абляции. Измышления выполняются путем создания двухлучевой интерференционной картины фемтосекундного лазера на нановолокна и IRRADiating единого фемтосекундного лазерного импульса. Линзирования эффект нановолокна играет важную роль в реализации таких методов, создавая абляции кратеры на теневой поверхности нановолокна. Для типичного образца, периодические нано-кратеры с периодом 350 нм и диаметром постепенно изменяющейся от 50 – 250 нм на длине 1 мм изготавливаются на нановолокна с диаметром около 450 – 550 нм. Такие периодические нано-кратеры на нановолокна, действуют как 1-D РНС. Мы также представляем метод управления профилем массива нано-кратер для изготовления аподизированная и дефектоиндуцированной полости РНС на нановолокна.
Ключевым аспектом такого нанофабрикации является все оптическое производство, так что высокое оптическое качество может быть сохранен. Кроме того, изготовление осуществляется путем облучения всего одного фемтосекундного лазерного импульса, что делает технику невосприимчивым к механическим нестабильностей и других дефектов изготовления. Кроме того, это позволяет производить в доме ПМП нановолокна полости таким образом, что вероятность загрязнения могут быть сведены к минимуму. Этот протокол предназначен, чтобы помочь другим реализовать и адаптировать этот новый тип техники Nanofabrication.
На рисунке 1а показана принципиальная схема установки изготовления. Подробности процедуры установки изготовления и выравнивания обсуждаются в 21, 22. Фемтосекундного лазера с 400 нм центральной длины волны и 120 фс длительности импульса падает на фазовой маски. Фаза маска разбивает фемтосекундного лазерного луча в 0 ° и ± 1 порядков. Блок луч используется для блокировки луча 0-го порядка. Складные зеркала симметрично рекомбинировать ± 1 заказы на позиции нановолокна, чтобы создать интерференционную картину. Шаг фазовой маски составляет 700 нм, поэтому интерференционная картина имеет шаг (Λ G) 350 нм. Цилиндрическая линза фокусирует фемтосекундного лазерного луча вдоль нановолокна. Размер пучка через (Y-ось)и вдоль (Z-оси) нановолокна составляет 60 мкм и 5,6 мм, соответственно. Конусный волокно установлен на держателе, оборудованного пьезоэлектрический привод (ЦТС) для растягивания волокна. Верхняя крышка со стеклянной пластиной используется для защиты от пыли нановолокна. Держатель с коническим волокном закреплен на скамейке изготовления оборудованного с переводом (XYZ) и вращение (θ) этапов. Θ-этап позволяет вращение образца нановолокон в YZ-плоскости. X-ступень может также контролировать углы наклона вдоль XY- и XZ-плоскости. Камера CCD находится на расстоянии 20 см от нановолокна и под углом 45 ° в XY-плоскости для контроля положения нановолокон. Все эксперименты проводятся в чистом стенде, оборудованного HEPA (высокоэффективная частиц арестовывать) фильтров для достижения беспыльных условий. Пылесухость условие является существенным для поддержания передачи нановолокна.
Рисунок 1б показана схема оптических измерений. В процессе изготовления, оптические свойства кратко отслеживается запуск широкополосного (диапазон длин волн: 700 – 900 нм) Волокно связью источник света в сужающейся волокна и измерения спектра прошедшего и отраженного света с использованием высокого разрешения анализатора спектра. Перестраиваемый CW лазерный источник используется для правильного разрешения режимов полости и для измерения абсолютной передачи полости.
Мы представляем протокол для изготовления и определения характеристик. Раздел протокол разделен на три подраздела, подготовка нановолокна, лазерная изготовления фемтосекундного и характеристика изготавливаемых образцов.
Protocol
Representative Results
Discussion
Линзированием эффект нановолокна играет важную роль в технологии изготовления, создавая тем самым нано-кратеры на теневой поверхности нановолокна (показано на фиг.2). Линзирования эффект нановолокна также делает процесс изготовления надежной для любых механических нестабил…
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).
