Summary
Wir präsentieren ein Protokoll zur Herstellung von 1-D photonischer Kristall Hohlräume auf Sublambdabereich Durchmesser Quarzfasern (optische Nanofasern) unter Verwendung von Femtosekunden-Laser-induzierte Ablation.
Abstract
Wir präsentieren ein Protokoll zur Herstellung von 1-D Photonic-Kristall (PHC) Hohlräume auf Sublambdabereich Durchmesser verjüngte optische Fasern, optische Nanofasern, Femtosekunden-Laser-induzierte Ablation unter Verwendung. Wir zeigen, dass Tausende von periodischen Nano Kratern auf einem optischen Nanofaser hergestellt werden, indem sie mit nur einem Femtosekunden-Laserpuls bestrahlt wird. Für eine typische Probe, periodische Nano Kratern mit einer Periode von 350 nm und mit variierendem Durchmesser allmählich 50-250 nm über eine Länge von 1 mm auf einer Nanofaser mit einem Durchmesser hergestellt rund 450-550 nm. Ein wichtiger Aspekt einer solchen nanofabrication ist, dass die Nanofaser selbst als eine zylindrische Linse und fokussiert den Femtosekundenlaserstrahl auf seiner Schattenfläche. Darüber hinaus macht die Single-Shot-Herstellung es immun gegen mechanische Instabilitäten und andere Herstellungs Unvollkommenheiten. Solche periodischen Nano Krater auf Nanofaser, wirken als 1-D PhC und stark und Breitband-Reflexion ermöglichen, während die hohe Übertragung aus dem Sperrbereich Aufrechterhaltung. Wir stellen ebenfalls ein Verfahren, das Profil des Nano Kraters Array zu steuern apodisierte und defektinduzierten PhC Hohlräume auf der Nanofaser herzustellen. Die starke Begrenzung des Feldes sowohl Quer- und Längs in den Nanobasis PhC Hohlräume und die effiziente Integration in die Glasfasernetze, öffnen Sie können neue Möglichkeiten für nanophotonischer Anwendungen und Quanteninformationswissenschaft.
Introduction
Starke Führung von Licht in nanophotonischer Geräte hat neue Grenzen in der optischen Wissenschaft eröffnet. Moderne nanofabrication Technologien haben es ermöglicht die Herstellung von 1-D und 2-D - Photonic - Kristall (PHC) Hohlräume für neue Perspektiven in Laser 1, 2 und Erfassen optische Schaltanwendungen 3. Darüber hinaus starke Wechselwirkung Licht-Materie in diesen PhC Hohlräume hat 4 neue Wege für die Quanteninformationswissenschaft eröffnet. Neben PhC Hohlräumen, Plasmonen Nanokavitäten haben auch viel versprechende Perspektiven 5 gezeigt , 6, 7. Allerdings ist eine solche Hohlräume faserbasierten Kommunikationsnetzwerk eine Schnittstelle bleibt eine Herausforderung.
In den letzten Jahren verjüngte optische Einmodenfaser mit Subwellenlängen Durchmesser als optische Nanofasern bekannt, hat sich als vielversprechende nanophotonischer Gerät entstanden. Aufgrund der starkenQuer Einschließung des Nanofaser geführten Bereich und die Fähigkeit , mit dem umgebenden Medium zu interagieren, wird die Nanofaser weitgehend angepasst und für verschiedene Anwendungen nanophotonischer 8 untersucht. Abgesehen davon ist es auch stark untersucht und für die Quanten Manipulation von Licht umgesetzt und 9 Materie. Effiziente Kopplung der Emission von Quantenemitter wie, Einzel- / wenige lasergekühlten Atomen und einzelnen Quantenpunkten, in die Nano geführten Moden wurde untersucht und gezeigt , 10, 11, 12, 13, 14, 15. Die Licht-Materie - Wechselwirkung auf Nanofaser kann signifikant durch Struktur PhC Hohlraum auf der 16 Nanofaser verbessert werden, 17.
Der entscheidende Vorteil für such ein System ist die Faser-in-line-Technologie, die mit dem Kommunikationsnetz ohne weiteres integriert werden kann. Lichtdurchlässigkeit von 99,95% durch die sich verjüngende Nanofaser wurde 18 gezeigt. Jedoch ist die Nanofaserübertragungs extrem anfällig gegenüber Staub und Verschmutzung. Daher wird die Herstellung von PhC Struktur auf Nano herkömmlichen Nanofabrikationstechnik ist nicht sehr fruchtbar. Obwohl Hohlraum Fertigung auf Nano Focused Ion Beam (FIB) Fräsen hat 19 gezeigt worden, 20, ist die optische Qualität und Reproduzierbarkeit nicht so hoch.
In diesem Video - Protokoll präsentieren wir eine kürzlich 21 gezeigt, 22 Technik PhC Hohlräume auf Nanofaser mit Femtosekunden - Laser - Ablation herzustellen. Die Herstellungen werden durchgeführt, indem ein Zweistrahl-Interferenzmuster des Femtosekundenlasers auf der Nanofaser und IRRAD Schaffungiating einen einzigen Femtosekunden-Laserpuls. Der Linseneffekt der Nanofaser spielt eine wichtige Rolle bei der Realisierbarkeit derartiger Techniken, Ablation Kratern auf der Schattenfläche des Nanofaser zu schaffen. Für eine typische Probe, periodische Nano Kratern mit einer Periode von 350 nm und mit variierendem Durchmesser allmählich 50-250 nm über eine Länge von 1 mm auf einer Nanofaser mit einem Durchmesser hergestellt rund 450-550 nm. Solchen periodischen Nano Krater auf Nanofaser, wirken als ein 1-D PhC. Wir stellen ebenfalls ein Verfahren, das Profil des Nano Kraters Array zu steuern apodisierte und defektinduzierten PhC Hohlräume auf der Nanofaser herzustellen.
Ein wesentlicher Aspekt solcher nanofabrication ist die ganze optische Verarbeitung, so dass eine hohe optische Qualität beibehalten werden kann. Darüber hinaus ist die Fertigung durch die Bestrahlung mit einem einzigen Femtosekundenlaserpulses, so dass die Technik immun gegen mechanische Instabilitäten und andere Herstellungsunvollkommenheiten getan. Auch dies ermöglicht Inhouse-Produktion von PhC nanoFaserhohlraum so, dass die Wahrscheinlichkeit der Kontamination minimiert werden kann. Dieses Protokoll soll andere implementieren und passen diese neue Art von Nanofabrikationstechnik zu helfen.
Figur 1a zeigt die schematische Darstellung der Herstellungseinrichtung. Die Einzelheiten der Herstellungsaufbau und Ausrichtungsverfahren werden in 21 diskutiert, 22. Ein Femtosekundenlaser mit 400 nm Mittenwellenlänge und 120 fs Impulsbreite fällt auf eine Phasenmaske. Die Phasenmaske teilt den Femtosekunden-Laserstrahl in 0 und ± 1 Aufträge. Ein Strahlblock wird verwendet, um die 0-ter Ordnung Strahl zu blockieren. Die klappbaren Spiegeln die ± 1-Ordnungen an der Nanofaser Position symmetrisch rekombinieren, um ein Interferenzmuster zu erzeugen. Die Steigung der Phasenmaske beträgt 700 nm, so dass das Interferenzmuster eine Steigung (Λ G) von 350 nm. Die zylindrische Linse fokussiert das Femtosekunden-Laserstrahl entlang der Nanofaser. Die Strahlgröße über (Y-Achse)und zusammen (Z-Achse) der Nanofaser beträgt 60 & mgr; m und 5,6 mm, respectively. Die sich verjüngende Faser wird auf einem Halter montiert ist, ausgestattet mit Piezoaktors (PZT) für die Faser Dehnung. Eine obere Abdeckung mit Glasplatte wird verwendet, um die Nanofaser vor Staub zu schützen. Der Halter mit der sich verjüngenden Faser wird auf einer Fertigungs Bank mit Übersetzung (XYZ) und Rotation (θ) Stufen ausgestattet fixiert. Die θ-Stufe ermöglicht eine Drehung des Nanofaserprobe in der YZ-Ebene. Die X-Bühne kann steuern, auch die Neigungswinkel entlang XY- und XZ-Ebene. Eine CCD - Kamera ist in einem Abstand von 20 cm von der Nanofaser und in einem Winkel von 45 ° in der XY-Ebene angeordnet , um die Nanofaserlage zu überwachen. Alle Experimente werden in einem Reinraumkabine ausgestattet mit HEPA (High-Efficiency Particulate Arretieren) Filter durchgeführt, um staubfreien Bedingungen erreichen. Staubfreien Zustand ist wichtig, um die Übertragung der Nanofaser zu erhalten.
Abbildung 1b zeigt die schematische Darstellung der optischen Messungen. Während der Herstellung werden die optischen Eigenschaften durch die Einführung eines Breitband (Wellenlängenbereich: 700-900 nm) kurz überwacht fasergekoppelte Lichtquelle in die sich verjüngende Faser und die Messung des Spektrums des gesendeten und dem reflektierten Licht hochauflösende Spektrumanalysator. Eine abstimmbare CW-Laserquelle wird verwendet, um richtig die Resonatormoden zu lösen und den absoluten Hohlraum Übertragung zu messen.
Wir stellen das Protokoll für die Herstellung und Charakterisierung. Der Protokollabschnitt ist in drei Unterabschnitte, Nanofaservorbereitung, Femtosekundenlaser Herstellung und Charakterisierung der hergestellten Proben aufgeteilt.
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Protocol
VORSICHT: Tragen Sie eine Schutzbrille und streng direkte Einwirkung von UV-Lampe zu verhindern und alle Laser, einschließlich der Femtosekundenlaser. Tragen Sie einen Reinraumanzug und Handschuhe Kontamination zu vermeiden. Entsorgen Sie jede Faser Müll richtig in der vorgesehenen Abfallkasten.
1. Vorbereitung Nanofaser
- an zwei Stellen getrennt, um 200 mm verwenden, um eine Faserbeschichtung Stripper für eine Länge von 5 mm der Polymermantel des optischen Einmodenfaser abzustreifen. Reinigen Sie die beiden mechanisch abgestreift Teile mit Reinraum- wipe in Methanol getaucht. Tauchen Sie die Faser zwischen diesen beiden gestrippt Teile in Aceton. Warten Sie 10 - 15 min bis der Mantel der Faser auseinander fallen. Nehmen Sie die Faser, die aus Aceton und reinigen Sie die gesamte abisolierten Teil Reinraum- Tupfer in Methanol getaucht.
- Stellen Sie die gestrippt Faser auf die beiden Stufen der optischen Nanofaser Herstellung Equipment (onme), um die Nanofaser herzustellen.
- Starten Sie die Sonde Laser in die Faser und überwachen die Transn unter Verwendung der Photodiode und notieren Sie die Übertragungsdaten in den Computer, um die ADC-Karte. Starten Sie den Gasstrom die onme Software und die Flamme entzünden. Laden die voroptimierten Parameter in der onme Software für die Herstellung von konischen Fasern mit Taillendurchmesser von 500 nm und den Herstellungsprozess zu starten.
HINWEIS: Die onme ist ein kommerziell erhältliches Gerät, konzipiert verjüngende Lichtleitfasern Technik unter Verwendung von Standard-Wärme-Pull herzustellen. Es verwendet Knallgasflamme, die Faser und zwei motorisierte Stufen zu erwärmen, um die Faser zu ziehen. Der Gasstrom und die Bühne Bewegungen werden durch Computerprogramm gesteuert. Die voroptimierten Parameter können vom Hersteller, auf spezielle Anfrage erhältlich.
- Starten Sie die Sonde Laser in die Faser und überwachen die Transn unter Verwendung der Photodiode und notieren Sie die Übertragungsdaten in den Computer, um die ADC-Karte. Starten Sie den Gasstrom die onme Software und die Flamme entzünden. Laden die voroptimierten Parameter in der onme Software für die Herstellung von konischen Fasern mit Taillendurchmesser von 500 nm und den Herstellungsprozess zu starten.
- Nach der Fertigung, die verjüngte Faser auf die Nanofaser Halter fangen die UV-härtbaren Epoxid verwendet wird. Decken Sie die Nanofaserhalter die obere Abdeckung mit Glasplatte mit (in der Abbildung 1a gezeigt). Legen Sie die Probe in einem Reinfeld und Transfer zum Femtosekunden laser Fertigungseinheit.
2. Femtosekunden-Laser Fabrication
- Die Ausrichtung der Fertigung Setup
- Legen Sie eine Glasplatte, auf die Herstellung Bank in einer Höhe von 15 mm. Bestrahlen der Femtosekundenlaser für 5 s bei Pulsenergie von 1 mJ. Identifizieren Sie die Femtosekunden-Laser-Ablation von der Weißlichterzeugung induziert wird, und das Auftreten von Ablationsmusters als Schaden-line auf der Glasplatte.
- Wiederholen Sie den Vorgang, indem die Höhe der Glasplatte Ändern der X-Stufe des Herstellungsbank benutzen. Für jede Fertigung, zu übersetzen, die Y-Stufe des Herstellungsbank von 1 mm die Fertigung in einer neuen Position zu machen.
- Finden Sie die Höhe für die stärkste Ablationslinie. In dieser Position wird eine Feinabstimmung der Neigungswinkel und die Position einer der Faltspiegel die Ablation zu maximieren. Auch eine Feinabstimmung der Neigung der X-Stufe des Herstellungs bench die Ablation zu maximieren.
HINWEIS: Der Neigungswinkel des Klappspiegel abgestimmt using der kinematischen Halter -drehknöpfe Spiegel und die Position des Spiegels wird durch die Übersetzung der Z-Stufe abgestimmt, auf dem sie angebracht ist. - Nach der Optimierung auf der CCD-Kamera-Software die Position der Ablationslinie markieren und die Glasplatte zu entfernen.
HINWEIS: Die Steuerungssoftware für die CCD-Kamera ermöglicht Bildaufnahme und Zeichenmarkierungen auf dem aufgenommenen Bild. Es ermöglicht auch die Daten des aufgenommenen Bildes und die Markierungen speichern. Da die X-Stufe des Herstellungsbank nicht absolute Positionsbezug hat, wird das CCD-Bild als Positionsbezug in der X-Achse verwendet. Die Auflösung des CCD-Bild ist 10 & mgr; m pro Pixel. - Mit dem Platin (Pt) -coater, beschichten die Glasplatte für 60 s eine 25 nm dicke Schicht aus Pt auf der Glasplatte abgeschieden werden. Bild der Ablationsmusters auf der Glasplatte mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM). Wenn die Abtragungsmuster zeigt periodische Struktur mit einer Periode von 350 nm (der erwartete Interferenzstreifenmuster), dann die Alignment optimiert. Else wiederholen Sie den Vorgang (aus Schritt 2.1.1 - 2.1.4) für niedrigere Pulsenergien (bis zu 300 & mgr; J), bis eine periodische Ablationsmusters zu sehen ist.
- Die Herstellung von apodisierter PhC Hohlraum
- Platzieren Sie die sich verjüngende Faser auf der Fertigungs bench etwa parallel zur Ablation Linie auf der CCD-Kamera markiert.
- Senden Sie eine Sonde Laser (Leistung = 1 mW) durch den sich verjüngenden Faser und beobachten Sie die Streuung von der konischen Faser auf der CCD-Kamera. Die stärkste Streuung Teil entspricht dem Nanobereich aufgrund seiner Sublambdabereich Durchmesser.
- Übersetzen Sie die Z-Stufe der Herstellung Bank die Nanofaser auf die Ablationslinie Position auf der CCD-Kamera markiert zu zentrieren.
- Schalten Sie die Sonde Laser aus und bestrahlen den Femtosekundenlaser mit einer minimalen Pulsenergie (<10 & mgr; J). Übersetzen Y-Bühne die Nanofaser mit dem Femtosekunden-Laserstrahl überlappen. Die Überlappung wird durch die Beleuchtung der Nanofaser, obs identifiziertenerved auf der CCD-Kamera.
HINWEIS: Die Nanofaser wird nun mit Bezug auf die Femtosekunden-Laserstrahls entlang Y und Z-Achse ausgerichtet. - Um die Nanofaser entlang der X-Achse, zu übersetzen, die X-Phase zu überlappen die Nanofaserposition in die Ablation Linie markierten Position auf der CCD-Kamera auszurichten.
- Übersetzen Sie die Y-Stufe, die Überlappung von Nanofaser mit dem Femtosekundenlaser zu maximieren. Beachten Sie die Reflexion der beiden ersten Aufträge aus der Nanofaser (erscheint als zwei helle Flecken auf der Glasplatte der oberen Abdeckung). Beachten Sie die Bewegung dieser Reflexionsflecken, während die Y-Bühne hin und her übersetzen.
HINWEIS: Wenn diese Punkte zu einer Seite bewegen, dann nicht Nanofaser ist mit der Ablationslinie parallel. In diesem Fall dreht die Rotationsstufe die Nanofaser parallel zur Ablationslinie zu machen. Wenn sie parallel sind, werden die Reflexionsflecken als ein Blitz erscheinen. - Nachdem auf die Ablationslinie die Nanofaser parallel, zu übersetzen, die Y-Stufe die zu maximierenÜberlappung zwischen dem Femtosekundenlaserstrahl und Nanofaser, durch die Kraft des Femtosekundenlasermess in die Nanofaser geführten Moden gestreut eine Photodiode am Ende der konischen Faser verwendet. Nach Maximieren der Überlappung drehen dem Winkel Herstellungs θ = 0,5 ° die Rotationsstufe.
HINWEIS: Für eine maximale Überlappung zwischen dem Femtosekunden-Laserstrahls und Nanofaser, würde man die Leistung des Femtosekunden-Laserlicht in die Nanofaser geführten Moden verstreut erwarten maximiert werden. - Blockieren Sie den Femtosekundenlaser mit Leistungsmesser und stellen Sie die Pulsenergie auf 0,27 mJ. Ändern Sie die Femtosekundenlaser-Einstellungen auf die Single-Shot-Bestrahlung-Modus.
HINWEIS: In diesem Modus wird nur ein einziger Impuls erzeugt wird, wenn der Feuerschalter betätigt wird, sonst gibt es keine Laserausgang.- Entfernen Sie den Leistungsmesser aus dem Laserstrahlpfad und feuern einen einzigen Femtosekunden-Laserpuls. Damit ist das Herstellungsverfahren.
- Fabricatiauf der Defekt induzierten PhC Hohlraum
- Überprüfen Sie die Ausrichtung der Einrichtung durch die Ablation auf einer Glasplatte zu beobachten, wie in Abschnitt 2.1 beschrieben. die Höhe für die stärkste Ablationslinie, legen Sie eine 0,5 mm Kupferdraht in der Mitte des Laserstrahls kurz vor der Phasenmaske Nach dem Auffinden. Der Kupferdraht sollte entlang der Y-Achse sein (senkrecht zur Ablation Linie).
- Überprüfen Sie die Abtragungsmuster auf der Glasplatte, während die Position des Kupferdrahts entlang der Z-Achse zu verändern. Fixieren Sie die Position des Kupferdrahtes, wenn das Ablationsmusters in der Mitte der Ablationslinie eine einzige Lücke zeigt.
- Nach der Ausrichtung, führen Sie die Femtosekunden-Laserherstellung auf der Nanofaser, das Verfahren im Abschnitt 2.2 ausführlich folgen. Für diese Fertigung, den Winkel der Herstellung = 0 ° bis & thgr.
3. Charakterisierung der hergestellten Proben
- Messung der optischen Eigenschaften
- Bereiten Sie die seTUP für die optischen Messungen , wie in 1b gezeigt. Starten Sie die Breitband-Lichtquelle in die sich verjüngende Faser und messen die Transmissions- und Reflexionsspektrum vor und nach der Herstellung des Spektrumanalysator. Nach der Herstellung, zeigt das Transmissionsspektrum ein Sperrband der Bragg-Resonanz der hergestellten Probe entspricht.
- Drehen Sie die Paddel der Faser Inline Polarisator die Polarisation und nehmen die Spektren für zwei orthogonalen Polarisationen X-Pol und Y-pol zu wählen.
HINWEIS: Für die X-Pol (Polarisation entlang der Nano Kratern) das Sperrband wird 21 blauverschoben sein ( in Richtung der kürzeren Wellenlängen) und die Streuung von der Nanofaser stärker sein wird . So wählen Sie die Polarisationen durch das Spektrum und die CCD-Kamera. - Für eine der Polarisationen, nehmen die Transmissionsspektren durch die Dehnung des sich verjüngenden Faser die PZT (gezeigt in Abbildung 1b) verwendet wird . Nehmen Sie die Spektren, die durch stretching die verjüngte Faser in Schritten von 2 & mgr; m, bis die maximale Strecklänge von 20 um (begrenzt durch die PZT Abtastbereich). Beachten Sie, dass die Bragg-Resonanz-rot-verschoben wird (in Richtung der längeren Wellenlänge) durch die verjüngte Faser Stretching. Aus diesen Spektren, die Verschiebung der Resonanz Bragg Berechnung pro Einheit Strecklänge.
- Für die Lösung der Resonatormoden und den absoluten Hohlraum Transmissionsmessung, verwenden Sie die abstimmbare Laserquelle CW. Starten des Lasers in die sich verjüngende Faser und überwacht die Übertragung eine Photodiode verwendet wird.
- Stellen Sie die Laserwellenlänge auf die roten Seitenkante der Sperrbereich für die Y-pol und verwenden, um die Faser inline Polarisator die Übertragung zu minimieren. Auf diese Weise wird der X-Pol-Komponente unterdrückt und nur die Y-pol ausgewählt ist. Stellen Sie die Laserwellenlänge um weiter aus dem roten seitigen Bandkante und der Übertragung aufzeichnen, während Strecken der sich verjüngende Faser 0-20 & mgr; m.
- Wiederholen Sie die Messung durch den Laser wavel Ändernength bis blau-Seite in Schritten von 0,3 nm bis die gesamte Sperrband bedeckt ist. Aus diesen Daten das gesamte Spektrum der Daten für die Resonanzverschiebung pro Einheit rekonstruieren mit Länge in Schritt 3.1.3 gemessen Stretching.
HINWEIS: Für eine typische Probe, die Sperr (Resonanz Bragg) zusammen mit den Verschiebungen Modi Hohlraum von 2 nm durch die verjüngte Faser um 20 & mgr; m Dehnung und der typischen freien Spektralbereich für die Hohlraummoden sind zwischen 0,05-0,5 nm. 4 Resonatormoden durch die sich verjüngende Faser Dehnung - für eine gegebene Wellenlänge des Eingangslaser kann man mindestens 3 messen. Der Frequenzabstand zwischen den Moden wird aus den Daten für die Resonanzverschiebung pro Längeneinheit in Schritt 3.1.3 gemessenen Dehnung abgeleitet. Wiederholen der Messung durch die Laserwellenlänge in Schritten von 0,3 nm ändert, mindestens 2 bis 3 aufeinanderfolgende Hohlraum-Modi werden in den aufeinanderfolgenden Messungen erneut gemessen. Man kann durch die Überlagerung der Sendedaten für die aufeinanderfolgenden Messungen während Matte das gesamte Spektrum zu rekonstruierenChing Position der Wieder gemessen Resonatormoden.
- Wiederholen Sie die Messung durch den Laser wavel Ändernength bis blau-Seite in Schritten von 0,3 nm bis die gesamte Sperrband bedeckt ist. Aus diesen Daten das gesamte Spektrum der Daten für die Resonanzverschiebung pro Einheit rekonstruieren mit Länge in Schritt 3.1.3 gemessen Stretching.
- Nun messen Sie das Spektrum für die andere Polarisation unter Verwendung von ähnlichen Verfahren wie in den Schritten 3.1.5 und 3.1.5.1 erwähnt.
- Abbilden der hergestellten Probe
- Legen Sie die hergestellte Probe auf einem 2 cm langen Metallplatte und befestigen Sie die beiden Enden der sich verjüngenden Faser an der Metallplatte UV-härtbaren Epoxid verwendet wird. Machen Sie die Bestrahlungsseite der Probe sicher, die Metallplatte zugewandt ist, so dass die Schattenseite abgebildet werden kann.
- Verwenden, um die Pt-Beschichter zur Beschichtung der Probe für 30 s und eine Schicht aus Pt mit einer Dicke von etwa 10 nm abzuscheiden. Legen Sie die Probe in die SEM. Nehmen Sie die REM-Aufnahme der Probe bei jeder 0,1 mm über die gesamte Region hergestellt.
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Representative Results
Abbildung 2 zeigt die REM - Aufnahme eines typischen Segments der hergestellten Nanofaserprobe. Es zeigt, dass periodische Nano Krater auf der Schattenseite der Nanofaser gebildet werden, mit einer Periodizität von 350 nm entspricht, und auf das Interferenzmuster. Der Einschub zeigt die vergrößerte Ansicht der Probe. Die Form der Nano Kratern ist fast kreisförmig und der Durchmesser eines typischen Nano Kraters beträgt etwa 210 nm.
Figur 3a zeigt die Herstellungsergebnisse für das apodisierte PhC Höhle. Der typische Verlauf des Nano Kraters Array zusammen mit dem entsprechenden Nanofaserdurchmesser für verschiedene Herstellungswinkel (θ) und Pulsenergie gezeigt. Die Kreise bezeichnen den Nanokraterdurchmesser und die Quadrate sind die entsprechenden Nanofaser Durchmesser. Die Linien sind die Gaußsche den Profilen passt. Die Daten in schwarz und grün entsprechen Proben Fabri gezeigtCated mit θ = 0 °, mit Pulsenergie von 0,35 und 0,17 mJ sind. Die Daten in rot und blau entsprechen Proben mit θ = 0,5 ° unter Verwendung von Pulsenergie von 0,35 und 0,27 mJ, jeweils hergestellt gezeigt. Wie man sehen kann, sind die Nano Krater über eine Länge von 2-3 mm entlang der Nanofaser gebildet ist, wo der Durchmesser der Nanofasern gleichförmig ist. Eine Apodisierung in Nanokraterdurchmesser ist mit der Gaußschen Intensitätsverteilung des Femtosekunden-Laserstrahls beobachtet entspricht. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Durchmesser der Nano Kratern für schwächere Pulsenergie reduziert wird. Außerdem ist die Breite der Apodisation Profil der Nano Kratern reduziert, indem der Winkel der Herstellung erhöht.
Das Herstellungsergebnis für den Defekt induzierten PhC Hohlraum ist in 3b gezeigt. Ein Doppelpeak artiges Profil beobachtet. Eine allmähliche Änderung des Durchmessers an den Außenkanten der Peaks beobachtet, während die diamete r änderte sich an der Innenkante der Spitzen. Ein Defektbereich von 0,5 mm ohne Nano-Krater zwischen zwei Peaks beobachtet. Die Länge des Defektbereichs entspricht gut der Dicke des Kupferdrahts mit dem Femtosekundenlaserstrahl eingefügt in.
Figur 4 zeigt die Transmissionsspektren für einen apodisierten PhC Hohlraum Probe , deren Durchmesser Profil wird in blau in 3a gezeigt. Figuren 4a und 4b zeigen die typische Transmissionsspektren für die X- und Y-Polarisationen, respectively. Das Spektrum für die X-Pol zeigt eine Sperrbandbereich von 793,7 bis 798,8 nm, wo die Übertragung auf wenige Prozent abfällt. Der Sperrbereich für die Y-pol rotverschoben und breiter im Vergleich zu der X-Pol. Die scharfen Spitzen in der roten Seite des Sperrbereich beobachtet sind die Resonatormoden. Die Finesse und Spitzen Übertragung der typischen Hohlraummoden sind in Tabelle 1 aufgeführt.
"Fo: keep-together.within-page =" 1 "> Die 5a und 5b die Transmissionsspektren des Defekts induzierten PhC Hohlraum für X- und Y-Polarisationen zeigen jeweils Wie man sehen kann, scharfe Resonatormoden auf erscheinen. auf beiden Seiten des Sperrbands. der Modenabstand im blau-Seite ist jedoch viel größer als die in der roten Seite der Spektren. die Finesse und Peaktransmissions der typischen Hohlraummoden sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Experiments. (a) Schematische Darstellung der Herstellung Setup. Zweistrahl-Interferenzmuster wird auf der Nanofaser eine Phasenmaske als Strahlteiler und zwei Klappspiegel (siehe Text für Details) erstellt. Eine zylindrische Linse wird verwendet, um den Femtosekundenlaser entlang der Nanofaser Linie konzentrieren. Eine Null-Ordnung block restliche Licht nullter Ordnung in dem Interferenzbereich zu vermeiden, verwendet. Eine Photodiode ist mit einem Ende der sich verjüngenden Faser verbunden, um die Streuung des Femtosekundenlasers in die Nanofaser geführten Moden zu beobachten. Eine CCD-Kamera wird verwendet, um die Nanofaserlage zu überwachen. (b) Schematische Darstellung für die Messung von optischen Eigenschaften. Die Transmissions- und Reflexionsspektren der hergestellten Nanofaserproben werden durch Variieren der Polarisation des Eingangslichts gleichzeitig gemessen. PhC, PZT, NPBS und SA bezeichnen photonischer Kristall, Piezo-Aktor, Strahlteiler und Spektrumanalysator nichtpolarisierenden sind. Diese Zahl wurde von 21 geändert. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
FiAbbildung 2: REM - Aufnahme eines Vorgefertigte Probe. REM-Aufnahme einer typischen Probe hergestellt Single-Shot-Bestrahlung verwenden. Der Einschub zeigt die vergrößerte Ansicht. Die periodischen Nanokraterstrukturen auf der Schattenseite des Nanofaser beobachtet. Diese Zahl wurde von 21 geändert. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3: Durchmesserprofil des Nano-Krater Array auf der Nanofaser zusammen mit dem Kurz Schema des Herstellungsverfahrens. (a) Der Durchmesserprofil für die apodisiert PhC Höhle. Die Kreise bezeichnen den Nanokraterdurchmesser und die Quadrate sind die entsprechenden Nanofaser Durchmesser. Die Linien sind die Gaußsche den Profilen passt. Die Daten in bla gezeigtenck und grün entsprechen Proben mit θ = 0 ° hergestellt, unter Verwendung von Pulsenergie von 0,35 und 0,17 mJ sind. Die Daten in rot und blau entsprechen Proben mit θ = 0,5 °, hergestellt gezeigt, Impulsenergie von 0,35 und 0,27 mJ, respectively. (b) Der Durchmesserprofil für den Defekt induzierten hergestellt PhC Hohlraum eine Pulsenergie von 0,4 mJ verwenden. Die blauen Kreise und die schwarzen Quadrate zeigen die Nanokraterdurchmesser und die Nanofaser Durchmesser sind. Diese Zahl wird von 22 wiederverwendet werden. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 4: Transmissionsspektren der apodisierter PhC Cavity. Transmissionsspektrum apodisiert PhC Hohlraum für (a) X-POL und (b) Y-pol. Die Teile der Spektren, die von blauen Kästchen markiert sind, vergrößert und in den Einschüben gezeigt. Diese Zahl wird von 22 wiederverwendet werden. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 5: Transmissionsspektren der Defect-induzierten PhC Cavity. Transmissionsspektrum des defektinduzierten PhC Hohlraum für (a) X-Pol und (b) Y-Pol. Die Teile der Spektren, geprägt von blauen Kästen sind vergrößert und in den Einschüben gezeigt. Diese Zahl wird von 22 wiederverwendet werden. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
| Zahl | Modus | F | T [%] | FSR [cm -1] | L [mm] |
| 4 (a) | (1,2,3) | (71, 39, 16) | (33, 87, 93) | 7,94 | 0,54 |
| 4 (b) | (1,2,3) | (500, 27, 11) | (21, 30, 73) | 3,94 | 1,09 |
| 5 (a) | (1,2,3,4) | (198, 115, 50, 21) | (25, 39, 64, 83) | 3,34 | 1,28 |
| (A B C D) | (86, 63, 48, 20) | (26, 56, 73, 90) | 1,58 | 2,71 | |
| 5 (b) | (1,2,3,4) | (178, 104, 43, 22) | (17, 39, 65, 93) | 1,36 | |
| (A B C D) | (48, 44, 24, 22) | (20, 38, 56, 87) | 1,25 | 3.43 |
Tabelle 1: Optische Eigenschaften des typischen Resonatormoden. In dieser Tabelle sind die optischen Eigenschaften von typischen Hohlraummoden in den 4a gekennzeichnet, 4b, 5a und 5b. F, T, FSR, und L bezeichnen Finesse, Spitzenübertragungs, Modenabstand und die geschätzte Hohlraumlänge sind. Diese Tabelle wird von 22 wiederverwendet werden.
Supplemental Datei 1: Fotografie des onme - Setup. Bitte klicken Sie hier , um diese Datei herunterzuladen.
Supplemental Datei 2: Fotografien des Femtosekunden-Laser Fabrication-Setup. Bitte klicken Sie hier , um diese Datei herunterzuladen.
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Discussion
Der Linseneffekt der Nanofaser spielt eine wichtige Rolle in der Herstellungstechnik, wodurch Nano Kratern auf der Schattenfläche des Nanofaser (gezeigt in 2) zu schaffen. Der Linseneffekt der Nanofaser macht auch die Herstellungsverfahren robust keinen mechanischen Instabilitäten in der Querrichtung (Y-Achse). Außerdem wird durch Single-Shot - Bestrahlung, die Instabilitäten entlang der anderen Achsen wirken sich nicht auf die Herstellung als die Bestrahlungszeit nur 120 fs ist (dh Impulsbreite). Als Ergebnis werden periodische Nanostrukturen mit klar definierten Periodizität über mehrere tausend Perioden hergestellt werden, ohne dass besondere Sorgfalt unter mechanischen Schwingungen zu unterdrücken.
Viele nanofabrication Techniken wie FIB Fräsen, Elektronenstrahllithografie und sogar Femtosekundenlaserabtragung, implementieren Punkt-für-Punkt-Fertigung. Die Punkt-für-Punkt-Fertigung ist für starre Proben geeignet, wo die mechanische stakeit gewährleistet werden kann. Bei optischen Nanofasern, wenn die verjüngte Faser gehalten hängt, ohne starres Substrat dann mechanische Instabilitäten zu berühren wirkt sich auf den Herstellungsprozess. Auf der anderen Seite, wenn die Nanofaser auf einem starren Substrat dann eine Kontamination durch das Substrat selbst oder aufgrund des Ätzens des Substrats angeordnet ist, kann die optische Qualität beeinträchtigen. Insbesondere in Bezug auf die FIB Frästechnik sind zusätzliche Nachteile mechanischer Instabilitäten aufgrund von Effekten der Nanofaser und Materialmodifikation Aufladung aufgrund von Verunreinigung aus dem Ionenstrahl selbst. Daher präsentiert das Protokoll hier für eine Single-Shot-optischen Fertigung auf Nanofaser vorzuziehen ist der Punkt-für-Punkt-Fertigung. Jedoch Punkt-für-Punkt-Herstellung kann für einige Anwendungen bevorzugt werden, bei denen auf der Nanofaser beliebigen Muster Herstellung ist wesentlich.
Ein entscheidender Schritt in dem Protokoll ist die Ausrichtung der Fertigung Setup. Da die fagewährleisten maximale durch Femtosekunden - Impuls mit einer Impulsbreite von 120 fs, wobei die optische Weglängendifferenz zwischen den 1-Reihenfolgen durchgeführt ± 23 sollte räumliche Überlappung um sicherzustellen , werden minimiert. Die Weglängendifferenz sollte weniger als 36 & mgr; m hohe Sichtbarkeit der Interferenzstreifen zu gewährleisten. Daher sollte die Position und der Neigungswinkel der Faltspiegel präzise gesteuert. Obwohl der Femtosekundenlaserstrahlgröße entlang der Nanofaser beträgt 5,6 mm der Interferenzbereich weniger als 1 mm entlang der X-Achse durch die räumliche Überlappung der Impulse begrenzt. Es sollte auch darauf geachtet werden, dass der Femtosekunden Laserstrahl genau senkrecht zu der Phasenmaske und dem Herstellungsbank sollte der Phasenmaske parallel sein. Selbst eine Neigung von 10 mrad kann genug Weglängendifferenz induzieren, um die Interferenzstreifen auszuwaschen. Schließlich sollte die Achse der zylindrischen Linse mit den Leitungen auf der Phasenmaske genau senkrecht sein. Sonst wird es Induce ein Drehwinkel zwischen der Linie fokussiert ± 1-Ordnungen, die Überlappung zwischen ihnen zu verringern.
Eine weitere wichtige Voraussetzung für eine erfolgreiche Fertigung ist die Herstellung von qualitativ hochwertigen Nanofaser. Um eine hohe Finesse Resonatormoden zu erhalten, sollte die ursprüngliche Nano Getriebe> 95% sein und sollte von Staub und anderen Verunreinigungen frei sein. Jede Verunreinigung auf Nanofasern induziert unregelmäßige Intensitätsmuster, was zu nicht reproduzierbaren Fertigung und kann sogar die Nanofasern brechen. Die Qualität der Nanofaser aus der hohen Übertragungs beurteilt und Streuungsmuster der geführten Moden auf der CCD-Kamera beobachtet.
Die Transmissionsspektren, gezeigt in den 4 und 5, zeigen Sperrbereich Regionen , in denen mehr als 98% des Eingangslichts reflektiert und fällt Übertragung zu einigen Prozent. Die Übertragung weg von dem Sperrband liegt bei etwa 100% sicher, dass die Herstellung nicht signifikanten Verlust induziert undunterhält die optische Qualität der Nanofaser. Darüber hinaus gewährleistet die beobachtete hohe Finesse Resonatormoden (in Tabelle 1) innerhalb des Sperrbereich weiter die Qualität der Fertigung. Der Sperrbereich wird gut von der Bragg-Reflexion von den periodischen Nano Krater auf der Nanofaser verstanden. Die Bragg - Resonanz (λ R = 2n eff Λ G) hängt von dem effektiven Brechungsindex (n eff) des geführten Modus und dem Abstand (Λ G) des Interferenzstreifens. In den Daten in diesem Protokoll vorgestellt wird das Sperrband um eine Wellenlänge von 800 nm beobachtet. Der Sperrbereich und der Hohlraum-Modi können durch Strecken der sich verjüngende Faser über 10-15 nm abgestimmt werden. Allerdings , um die Resonanzwellenlänge ändern muss man die Nanofaser - Durchmesser ändern , um eine andere n eff zu realisieren oder die Phasenmaske eine andere Λ G zu erkennen , zu ändern.
Aus den Resonatormoden in Tabelle 1 aufgeführt, FinesseWerte im Bereich von 30 bis 500 realisiert werden. Aufgrund der starken Quer Einschluss der Nanofaser geführten Moden werden hohe Kooperativität / Purcell Faktoren für solche Feinheit Werte 16 erwartet. Die Breitband-Abstimmbarkeit zusammen mit starken Einschluss des Feldes in einer solchen faserbasierten PhC Hohlraum bietet eine hohe Nachfrage für verschiedene Anwendungen von Nano-Photonik für die Wissenschaft der Quanteninformation hin.
Zusammenfassend haben wir ein Protokoll zur Herstellung 1D PhC Kavitäten auf Subwellenlängen Durchmesser Siliciumdioxidfasern mittels Femtosekunden-Laser induzierter Ablation dargestellt. Eine solche Herstellungstechnik verschiedene nanophotonischer Geräte von Mikro- / Nanofasern zu machen implementiert werden können und auf andere nanofabrication Prozesse angepasst werden kann.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
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