La fabricación de 1-D de cristal fotónico cavidad en un nanofibras Uso de ablación inducida por láser de femtosegundo
Summary
Se presenta un protocolo para la fabricación de cavidades de cristal fotónico 1-D en fibras de sílice de diámetro sublongitud de onda (nanofibras ópticas) utilizando femtosegundo ablación inducida por láser.
Abstract
Se presenta un protocolo para la fabricación de 1-D de cristal fotónico (APS) en cavidades sublongitud de onda de diámetro fibras ópticas afiladas, nanofibras ópticas, utilizando femtosegundo ablación inducida por láser. Se demuestra que miles de periódicos nano-cráteres se fabrican en una nanofibra óptica irradiando con un solo pulso de láser de femtosegundo. Para una muestra típica, nano-cráteres periódicas con un período de 350 nm y con un diámetro que varía gradualmente desde 50 hasta 250 nm en una longitud de 1 mm se fabrican en una de nanofibras con un diámetro de alrededor de 450 a 550 nm. Un aspecto clave de la nanofabricación de este tipo es que la nanofibra en sí actúa como una lente cilíndrica y enfoca el haz láser de femtosegundo en su superficie sombra. Por otra parte, la fabricación de un solo tiro lo hace inmune a las inestabilidades mecánicas y otras imperfecciones de fabricación. Tales periódicas nano-cráteres en nanofibras, actúan como un 1-D APS y permiten la reflexión fuerte y de banda ancha mientras se mantiene la alta transmisión de la banda de parada. También se presenta un método para controlar el perfil de la matriz de nano-cráter de fabricar cavidades fotónico apodizada y defectos inducidos en la nanofibra. La fuerte confinamiento del campo, tanto transversal como longitudinal, en las cavidades de APS de nanofibras y la integración eficiente de las redes de fibra, puede abrir nuevas posibilidades para aplicaciones nanofotónicos y ciencia de la información cuántica.
Introduction
confinamiento fuerte de la luz en los dispositivos nanofotónicos ha abierto nuevas fronteras en la ciencia óptica. Tecnologías de nanofabricación modernas han permitido la fabricación de cristal fotónico 1-D y 2-D (APS) cavidades para nuevas perspectivas en la acción láser 1, 2 y detección de aplicaciones de conmutación óptica 3. Por otra parte, una fuerte interacción luz-materia en estas cavidades APS ha abierto nuevas vías para la ciencia de la información cuántica 4. Aparte de cavidades APS, nanocavidades plasmónicas también han mostrado prometedoras perspectivas 5, 6, 7. Sin embargo, la interconexión tales cavidades a la red de comunicación basada en fibra sigue siendo un reto.
En los últimos años, la fibra óptica de modo único cónico con un diámetro de sublongitud de onda, conocido como nanofibras óptico, ha surgido como un dispositivo nanofotónicos prometedor. Debido a la fuerteconfinamiento transversal del campo de nanofibras guiado y la capacidad de interactuar con el medio circundante, la nanofibra es ampliamente adaptado e investigado para varias aplicaciones nanofotónicos 8. Aparte de eso, también es fuertemente investigado e implementado para la manipulación cuántica de la luz y la materia 9. Acoplamiento eficiente de la emisión de los emisores cuántica, como pocos átomos individuales / enfriados por láser y puntos cuánticos individuales, en los modos de nanofibras guiada se ha estudiado y demostrado 10, 11, 12, 13, 14, 15. La interacción luz-materia en nanofibras puede mejorarse significativamente mediante la aplicación de estructura de la cavidad PhC en la nanofibra 16, 17.
La ventaja clave para sUCH un sistema es la tecnología de fibra-en-línea que se puede integrar fácilmente en la red de comunicación. La transmisión de luz del 99,95% a través de la nanofibra cónico ha sido demostrada 18. Sin embargo, la transmisión de nanofibras es extremadamente susceptible al polvo y contaminación. Por lo tanto, la fabricación de la estructura PhC en nanofibras utilizando la técnica de nanofabricación convencional no es muy fructífera. Aunque la fabricación de nanofibras cavidad en el uso de la molienda Focused Ion Beam (FIB) se ha demostrado 19, 20, la calidad óptica y la reproducibilidad no es tan alta.
En este protocolo de vídeo, se presenta una técnica recientemente demostrada 21, 22 cavidades para fabricar nanofibras fotónico en el uso de la ablación con láser de femtosegundo. Las fabricaciones se realizan mediante la creación de un patrón de interferencia de dos haces del láser de femtosegundo en la nanofibra y irradiating un único pulso de láser de femtosegundo. El efecto de lente de la nanofibra juega un papel importante en la viabilidad de estas técnicas, la creación de cráteres de ablación en la superficie de la sombra de nanofibras. Para una muestra típica, nano-cráteres periódicas con un período de 350 nm y con un diámetro que varía gradualmente desde 50 hasta 250 nm en una longitud de 1 mm se fabrican en una de nanofibras con un diámetro de alrededor de 450 a 550 nm. Tales periódicas nano-cráteres en nanofibras, actúan como un 1-D APS. También se presenta un método para controlar el perfil de la matriz de nano-cráter de fabricar cavidades fotónico apodizada y defectos inducidos en la nanofibra.
Un aspecto clave de tales nanofabricación es la fabricación de todo óptico, por lo que la alta calidad óptica se puede mantener. Por otra parte, la fabricación se realiza por la irradiación de un solo pulso de láser de femtosegundo, haciendo que el inmune técnica a inestabilidades mecánicas y otras imperfecciones de fabricación. También esto permite la producción propia de la APS nanocavidad de fibra de modo que la probabilidad de contaminación puede ser minimizado. Este protocolo está destinado a ayudar a los demás implementar y adaptar este nuevo tipo de técnica de nanofabricación.
La Figura 1a muestra el diagrama esquemático de la configuración de la fabricación. Los detalles de los procedimientos de configuración de la fabricación y de la alineación se discuten en 21, 22. Un láser de femtosegundos con 400 nm de longitud de onda central y 120 fs ancho de pulso es incidente en una máscara de fase. La máscara de fase divide el haz láser de femtosegundo a 0 y ± 1 órdenes. Un bloque de haz se utiliza para bloquear el haz de 0 orden. Los espejos plegables simétricamente recombinan las ± 1-pedidos en la posición de nanofibras, para crear un patrón de interferencia. El tono de la máscara de fase es de 700 Nm, por lo que el patrón de interferencia tiene un paso (Λ G) de 350 nm. La lente cilíndrica se enfoca el haz de láser de femtosegundo lo largo de la nanofibra. El tamaño del haz a través de (eje Y)y a lo largo (eje Z) de la nanofibra es 60 micras y 5,6 mm, respectivamente. La fibra cónica está montado en un soporte equipado con actuador piezoeléctrico (PZT) para estirar la fibra. Una cubierta superior con la placa de vidrio se utiliza para proteger la nanofibra de polvo. El titular de la fibra cónica se fija en un banco de fabricación equipado con la traducción (XYZ) y las etapas de rotación (θ). El θ-etapa permite la rotación de la muestra de nanofibras en el plano YZ. El X-etapa también puede controlar los ángulos de inclinación a lo largo de XY y XZ. Una cámara CCD se coloca a una distancia de 20 cm de la nanofibra y en un ángulo de 45 ° en el plano XY para controlar la posición de nanofibras. Todos los experimentos se llevan a cabo dentro de una cabina limpia equipado con filtro HEPA (High Efficiency Particulate detención) filtros para lograr condiciones libres de polvo. condición de libre de polvo es esencial para mantener la transmisión de la nanofibra.
Figura 1b muestra el esquema de las mediciones ópticas. Durante la fabricación, las propiedades ópticas son monitoreados brevemente por el lanzamiento de una banda ancha (longitud de onda: el 700 – 900 nm) de fuente de luz de fibra acoplada en la fibra cónica y medir el espectro de la luz transmitida y reflejada utilizando analizador de espectros de alta resolución. Una fuente de láser sintonizable CW se utiliza para resolver adecuadamente los modos de la cavidad y para medir la transmisión cavidad absoluta.
Se presenta el protocolo para la fabricación y caracterización. La sección del protocolo se divide en tres subsecciones, preparación de nanofibras, de fabricación láser de femtosegundo y caracterización de las muestras fabricadas.
Protocol
Representative Results
Discussion
El efecto de lente de la nanofibra juega un papel importante en la técnica de fabricación, creando de esta manera nano-cráteres en la superficie de la sombra de nanofibras (que se muestra en la Figura 2). El efecto de lente de la nanofibra también hace que el proceso de fabricación robusta para cualquier inestabilidades mecánicas en la dirección transversal (eje Y). Por otra parte, debido a la irradiación de un solo disparo, las inestabilidades a lo largo de los otros ejes no afectan a la fabric…
Declarações
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 |
Referências
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