Tillverkning av en-D fotoniska kristaller hålighet på en nanofiber Använda femtosecond laser-inducerad Ablation
Summary
Vi presenterar ett protokoll för att tillverka en-D fotoniska kristaller hål på subwavelength diameter kiseldioxidfibrer (optiska Nano) med femtosecond laser-inducerad ablation.
Abstract
Vi presenterar ett protokoll för att tillverka en-D fotoniska kristaller (PHC) hålrum på subwavelength diameter avsmalnande optiska fibrer, optiska nano, med hjälp femtosecond laser-inducerad ablation. Vi visar att tusentals periodiska nano kratrar tillverkas på en optisk nanofiber genom bestrålning med bara en enda femtosecond laserpuls. För ett typiskt prov, periodiska nano kratrar med en period på 350 nm och med en diameter gradvis varierar från 50 – är 250 nm över en längd av 1 mm tillverkas på en nanofiber med diametern cirka 450 – 550 nm. En viktig aspekt av en sådan nanofabrikation är att nanofiber själv fungerar som en cylindrisk lins och fokuserar femtosecond laserstråle på sin skugga yta. Dessutom gör enkelskott tillverkning det immuna mot mekaniska instabiliteter och andra tillverknings brister. Sådana periodiska nano kratrar på nanofiber, fungera som en 1-D PhC och möjliggöra stark och bredbands reflexion medan det höga transmissions upprätthållande av stoppbandet. Vi presenterar också en metod för att styra profilen för den nano-kratern array för att fabricera apodized och defekt inducerad PHC hålrum på nanofiber. Den starka inneslutning av området, både tvärgående och längsgående, i nanofiber-baserade PHC håligheter och effektiv integration till fibernät, kan öppna nya möjligheter för nanofotoniska applikationer och Kvantinformation.
Introduction
Stark inneslutning av ljus i nanofotoniska anordningar har öppnat nya gränser i optisk vetenskap. Modern nanofabrikation teknik har gjort det möjligt tillverkning av en-D och 2-D fotoniska kristaller (PhC) håligheter för nya möjligheter i laser 1 avkänning 2 och optiska omkopplingstillämpningar 3. Dessutom har starkt ljus-materia interaktion i dessa PHC håligheter öppnat nya vägar för Kvantinformation 4. Bortsett från PHC håligheter, har plasmoniska nanocavities också visat lovande framtidsutsikter 5, 6, 7. Men gränssnitt håligheterna till fiberbaserade kommunikationsnät är fortfarande en utmaning.
Under de senaste åren, avsmalnande single-mode optisk fiber med subwavelength diameter, känd som optisk nanofiber, har framträtt som en lovande nanofotoniska enhet. Grund av den starkainneslutning i tvärled av nanofiber guidad fältet och förmåga att samverka med det omgivande mediet, är nanofiber allmänt anpassas och undersökte för olika nanofotoniska applikationer 8. Bortsett från detta är det också starkt utreds och genomförs för kvant manipulering av ljus och materia 9. Effektiv koppling av utsläpp från kvantutsläpps liknande, enkel / några laserkylda atomer och enskilda kvantprickar, in i nanofiber guidade lägen har studerats och visat 10, 11, 12, 13, 14, 15. Ljus materia interaktion på nanofiber kan förbättras avsevärt genom att genomföra PhC hålighet struktur på nanofiber 16, 17.
Den viktigaste fördelen för such ett system är fiber-in-line-teknik, som lätt kan integreras till kommunikationsnätet. Ljusgenomsläpp av 99,95% genom den avsmalnande nanofiber har visats 18. Dock är nanofiber överföring extremt känsliga för damm och smuts. Därför är tillverkningen av PhC struktur på nanofiber med konventionell nanotekniken inte mycket givande. Även hålighet tillverkning på nanofiber med hjälp av fokuserad jonstråle (FIB) fräsning har visats 19, 20, den optiska kvaliteten och reproducerbarhet är inte så hög.
I den här videon protokoll, presenterar vi en nyligen visat 21, 22 teknik för att tillverka PHC håligheter på nanofiber med hjälp femtosecond laser ablation. De påhitt utförs genom att skapa en två-beam interferensmönster av femtosecond laser på nanofiber och irradiating en enda femtosecond laserpuls. Linseffekten av nanofiber spelar en viktig roll i genomförbarheten av sådana tekniker, vilket skapar ablation kratrar på den skugga ytan av nanofiber. För ett typiskt prov, periodiska nano kratrar med en period på 350 nm och med en diameter gradvis varierar från 50 – är 250 nm över en längd av 1 mm tillverkas på en nanofiber med diametern cirka 450 – 550 nm. Sådana periodiska nano kratrar på nanofiber, fungerar som en 1-D PhC. Vi presenterar också en metod för att styra profilen för den nano-kratern array för att fabricera apodized och defekt inducerad PHC hålrum på nanofiber.
En viktig aspekt av en sådan nanofabrikation är alla optiska tillverkning, så att man kan bibehållen hög optisk kvalitet. Dessutom är tillverkningen sker genom bestrålning av bara en enda femtosecond laserpuls, vilket gör tekniken immun mot mekaniska instabiliteter och andra tillverknings brister. Även detta gör egen tillverkning av PhC nanofiber hålighet så att sannolikheten för kontaminering kan minimeras. Detta protokoll är avsett att hjälpa andra att genomföra och anpassa denna nya typ av nanotekniken.
I figur 1a visas schematiskt diagram av tillverknings setup. Detaljerna i tillverknings installation och inriktnings procedurer diskuteras i 21, 22. En femtosecond laser med 400 nm centrumvåglängd och 120 fs pulsbredd infaller på en fas mask. Fasmaskeringen delar femtosecond laserstråle in 0 och ± 1 order. En stråle block används för att blockera 0-ordningens strålknippe. De fällbara speglar symmetriskt rekombinera ± 1-order på nanofiber position för att skapa ett interferensmönster. Stigningen hos den fasmasken är 700 nm, så att interferensmönstret har en stigning (Λ G) av 350 nm. Den cylindriska lins fokuserar femtosecond laserstrålen längs nanofiber. Strålen storlek över (Y-axeln)och längs (Z-axeln) i nanofiber är 60 | j, m och 5,6 mm, respektive. Den avsmalnande fibern är monterad på en hållare utrustad med piezo ställdon (PZT) för sträckning av fibern. En övre luckan med glasplatta används för att skydda den nanofibrer från damm. Hållaren med den avsmalnande fibern är fäst på en tillverknings bänk utrustad med översättning (XYZ) och rotation (θ) steg. Den θ steg tillåter rotation av nanofiber provet i YZ-planet. X-steget kan också styra lutningsvinklar längs XY och XZ-planet. En CCD-kamera är placerad på ett avstånd av 20 cm från nanofiber och med en vinkel av 45 ° i XY-planet för att övervaka nanofibrer position. Alla experiment utförs i en ren monter utrustad med HEPA (Högeffektiv partikel arrestera) filter för att uppnå dammfria förhållanden. Dammfritt tillstånd är väsentligt att upprätthålla överföringen av nanofiber.
Figur 1b visar schematiska av de optiska mätningarna. Under tillverkning, är de optiska egenskaperna i korthet övervakas genom att lansera en bredband (våglängdsområde: 700-900 nm) fiber-kopplade ljuskälla in den avsmalnande fibern och mäta spektrumet för den transmitterade och reflekterade ljuset med användning av högupplösande spektrumanalysator. En avstämbar CW laserkälla används för att korrekt lösa de kavitetsmoder och för att mäta den absoluta kaviteten överföring.
Vi presenterar protokollet för tillverkning och karakterisering. Avsnittet protokollet är indelat i tre underavdelningar, förberedelse nanofiber, femtosecond laser tillverkning och karakterisering av de tillverkade proven.
Protocol
Representative Results
Discussion
Linseffekten av nanofiber spelar en viktig roll i tillverkningstekniken, och därigenom skapa nano kratrar på skuggan ytan av nanofiber (visad i figur 2). Linseffekten av nanofiber gör också tillverkningsprocessen robust mot eventuella mekaniska instabiliteter i den tvärgående riktningen (Y-axeln). Dessutom, på grund av enkelskott bestrålning, de instabiliteter längs de andra axlarna inte påverkar tillverkningen som bestrålningstiden är bara 120 fs (dvs pulsbredd). Som ett resultat, …
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).
