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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
FORSIKTIG: Bruk vernebriller og strengt unngå eksponering for UV-lampe og alle lasere inkludert femtosecond laser. Bruk et rent rom dress og hansker for å unngå forurensning. Kast noen fiber søppel på riktig måte i den angitte søppel boksen.
1. nanofiber Forberedelse
- Bruk av en fiberbelegg stripper for å fjerne den polymer mantel enkeltmodus optisk fiber i en lengde på 5 mm på to steder adskilt med 200 mm. Rengjør de to mekanisk strippet deler ved hjelp av renrom tørk dyppet i metanol. Dypp fiber mellom disse to avisolerte deler i aceton. Vent i 10 - 15 min til jakken av fiber falle fra hverandre. Ta ut fiber fra aceton og rengjøre hele strippet delen med renrom tørk dyppet i metanol.
- Sett strippet fiber på de to stadiene av den optiske nanofiber Produksjon Utstyr (ONME) for å dikte nanofiber.
- Start sonde laseren inn i fiberen og overvåke signaloverføringenn bruke fotodiode og registrere overføring av data i datamaskinen ved hjelp av ADC-kortet. Starte gass-strømmen ved hjelp av ONME programvare og tenne flammen. Installering av pre-optimalisert parameteren i ONME programvare for fremstilling av koniske fiber med midje diameter på 500 nm og starte fabrikasjonsprosessen.
MERK: ONME er en kommersielt tilgjengelig enhet, som er utformet for å fremstille koniske optiske fibre ved hjelp av standard varme og pull teknikk. Den bruker knall flamme for å oppvarme fiberen og to motoriserte trinn for å trekke fiberen. Gasstrømmen og scenen bevegelser styres av dataprogrammet. De forhånds optimalisert parametre kan fås fra leverandøren, på forespørsel.
- Start sonde laseren inn i fiberen og overvåke signaloverføringenn bruke fotodiode og registrere overføring av data i datamaskinen ved hjelp av ADC-kortet. Starte gass-strømmen ved hjelp av ONME programvare og tenne flammen. Installering av pre-optimalisert parameteren i ONME programvare for fremstilling av koniske fiber med midje diameter på 500 nm og starte fabrikasjonsprosessen.
- Etter fabrikasjon, fange den koniske fiber til nanofiber holderen ved hjelp av UV kureres epoxy. Dekk nanofiber holderen ved hjelp av toppdekselet med glassplate (vist i Figur 1a). Sett prøven inne i en ren boks og overføre til femtosecond laser fabrikasjon enhet.
2. femtosecond laser Fabrication
- Justering av fabrikasjon oppsett
- Sett en glassplate på fabrikasjon benk i en høyde på 15 mm. Bestråle femtosecond laser i 5 s på puls energi av en mJ. Identifisere femtosekundområdet laserinduserte ablasjon fra det hvite lys generasjon, og utseendet av ablasjon mønster som en skade linje på glassplaten.
- Gjenta fremgangsmåten ved å endre høyden av glassplaten ved hjelp av X-stadium av fabrikasjonen benken. For hver fabrikasjon, oversette den Y-stadium av fabrikasjonen benken ved 1 mm for å gjøre fabrikasjonen i en ny stilling.
- Finn høyden for den sterkeste linje ablasjon. På denne stilling, finjustere vippevinkel og posisjon av en av de sammenleggbare speil for å maksimere ablasjon. Også finjustere vippe av X-stadium av fabrikasjonen benken for å maksimere ablasjon.
MERK: Tilt vinkelen på folding speil er innstilt USIng de kinematiske speil holder tuning knotter og posisjonen til speilet er innstilt ved å oversette den Z-scene der det er montert. - Etter optimaliseringen, markere posisjonen ablasjon linje på CCD-kameraets programvare og fjerne glassplaten.
MERK: kontroll programvare for CCD-kameraet gjør bildeopptak og tegning merker på bildet. Det gjør det også mulig å lagre data i bildet og markeringene. Siden X-stadium av fabrikasjonen benken ikke behøver absolutt posisjonsreferanse, blir CCD-bilde brukt som posisjonsreferanse i X-aksen. Oppløsningen på CCD bildet er 10 mikrometer per piksel. - Ved hjelp av platina (Pt) -coater, belegge glassplate i 60 sekunder for å avsette et 25 nm sjikt av Pt på glassplaten. Bilde ablasjon mønster på glassplaten ved hjelp av et scanning elektronmikroskop (SEM). Dersom ablasjon mønsteret viser periodisk struktur med en periode på 350 nm (det forventede interferenslinjemønsteret) og deretter alignment er optimalisert. Else gjenta prosedyren (fra Trinn 2.1.1 - 2.1.4) for lavere puls energier (ned til 300 μJ) inntil en periodisk ablasjon mønster er sett.
- Fabrikasjon av apodized PhC hulrom
- Plasser den koniske fiberen på fabrikasjons benken tilnærmet parallelt med ablasjon linjen som er merket på CCD-kameraet.
- Sende en sonde laser (kraft = 1 mW) gjennom det avsmalnende fiber og observere spredning fra den koniske fiberen på CCD-kamera. Den sterkeste spredning del korresponderer med nanofiber region på grunn av sin Subwavelength diameter.
- Sette Z-stadium av fabrikasjonen benken for å sentrere nanofiber til ablasjon linje stilling markeres på CCD-kamera.
- Slå av sonden laser og bestråle femtosecond laser med minimum puls energi (<10 μJ). Trans Y-fasen for å overlappe nanofiber med femtosekundområdet laserstrålen. Overlappingen er identifisert ved belysning av nanofiber, observed på CCD-kameraet.
MERK: nanofiber er nå på linje med hensyn til femtosekundområdet laserstrålen langs Y- og Z-aksen. - For å kunne rette inn nanofiber langs X-aksen, oversette den X-fasen for å overlappe nanofiber stilling til den ablasjon linje stilling markeres på CCD-kamera.
- Sette Y-fasen for å maksimere overlapping av nanofiber med femtosekundområdet laser. Observer refleksjon av de to første ordre fra nanofiber (ser ut som to lyse flekker på glassplaten på toppdekselet). Observere bevegelsen av disse refleksjonssteder under konvertering av Y-fasen og tilbake.
MERK: Hvis disse stedene bevege seg mot den ene siden så nanofiber er ikke parallell med ablasjon linje. I dette tilfelle roterer rotasjonen trinnet for å gjøre nanofiber parallelt med ablasjon linje. Når de er parallelle, vil refleksjons flekker som en flash. - Etter at nanofiber parallelt med ablasjon linje, oversette den Y-fasen for å maksimereoverlapping mellom femtosekundområdet laserstrålen og nanofiber, ved måling av strømmen av femtosekundområdet laser spredt inn i nanofiber ledede modi ved bruk av en fotodiode ved slutten av den skrånende fiber. Etter å maksimere overlapping, rotere rotasjons scenen til vinkelen fabrikasjon θ = 0,5 grader.
MERK: For maksimal overlapping mellom femtosecond laserstråle og nanofiber, ville man forvente kraften i femtosecond laser lyset spredt inn i nanofiber guidet moduser å være maksimert. - Blokker femtosecond laser med strømmåleren og sette pulsenergien til 0,27 mJ. Endre femtosecond laser innstillinger til enkeltskudd bestråling modus.
MERK: I denne modusen er bare en enkelt puls genereres når brannbryteren trykkes inn, ellers er det ingen laser utgang.- Fjern strømmåleren fra laserstrålen banen og fyre av en enkelt femtosecond laser puls. Dette fullfører fremstillingsprosessen.
- Fabricatipå av defekt-indusert PhC hulrom
- Kontroller justeringen av oppsettet ved å observere ablasjon på en glassplate som beskrevet i kapittel 2.1. Etter å ha funnet høyden for den sterkeste linje ablasjon, setter en 0,5 mm kobbertråd i sentrum av laserstrålen like før fasemasken. Kobbertråden bør være langs Y-aksen (vinkelrett på ablasjon linje).
- Kontroller ablasjon mønster på glassplaten ved forandring av posisjonen av den kobbertråd langs Z-aksen. Fastsette posisjonen av kobbertråd når ablasjon mønsteret viser en enkelt åpning ved midten av ablasjon linje.
- Etter justeringen, utføre femtosekundområdet laseren fabrikasjon på nanofiber å følge fremgangsmåten beskrevet i avsnitt 2.2. For dette fabrikasjon, angi vinkelen for fabrikasjon til q = 0 grader.
3. Karakterisering av Fabricated Samples
- Måling av optiske egenskaper
- Klargjør setup for de optiske målinger som vist i figur 1b. Start bredbånds lyskilde inn i den koniske fiberen og måle transmisjon og refleksjon spektrum før og etter fremstillingen ved hjelp av spektrum analysator. Etter fremstilling, vil overføringen spekteret viser en stoppbånd svarende til Bragg resonans av fabrikkert prøven.
- Rotere skovlene til fiberen inline polarisatoren for å velge polarisasjonen og ta spektrene for to ortogonale polarisasjoner X-pol og Y-pol.
MERK: For X-pol (polarisering langs nano kratere) stoppbåndet vil være blå-skiftet 21 (mot kortere bølgelengde) og spredning fra nanofiber vil bli sterkere. Så velger polarizations ved å se på spekteret og CCD-kamera. - For en av polarisasjonene, ta transmisjonsspektrene ved å strekke den avsmalnende fiber ved hjelp av PZT (vist i figur 1b). Ta spektra av stretching den koniske fiberen i trinn på 2 um inntil maksimal strekking lengde på 20 um (begrenset av PZT skanneområde). Observer at Bragg resonans vil være rød-skiftet (mot lengre bølgelengde) ved å strekke den koniske fiber. Fra disse spektrene, beregne forskyvning av Bragg resonans, per enhet strekker lengde.
- For å løse de hulrom moduser og måle den absolutte hulrom overføring, bruk tunable CW laser kilde. Start laser i den koniske fiber og overvåke overføring ved hjelp av en fotodiode.
- Still laserbølgelengden til den røde sidekanten av stoppbåndet for Y-pol og bruke fiber inline polarisatoren for å minimere transmisjonen. På denne måten blir den X-pol-komponent undertrykkes, og bare den Y-pol er valgt. Sett laser bølgelengde til videre ut av den rød-side band-kanten og ta opp sendingen mens du strekker den koniske fiber 0-20 mikrometer.
- Gjenta målingen ved å endre laseren Wavellength til blå-side i trinn på 0,3 nm til hele stoppbåndet er dekket. Fra disse data, rekonstruere hele spekteret ved hjelp av dataene for resonansskift per enhet strekker lengde målt i trinn 3.1.3.
MERK: For en typisk prøve, stoppbåndet (Bragg resonans) sammen med hulrom moduser turnus med 2 nm ved å strekke den koniske fiber med 20 mikrometer og typisk gratis spektralområdet for hulrom modusene er mellom 0,05 til 0,5 nm. For en gitt bølgelengde av inngangs laseren kan man måle minst 3 - 4 hulromsmodi ved å strekke den avsmalnende fiber. Frekvensen avstand mellom modusene utledes fra dataene for resonansskift per enhet strekker lengde målt i trinn 3.1.3. Gjenta målingen ved å endre laserbølgelengden i trinn på 0,3 nm, på minst 2 - 3 fortløpende hulromsmodi blir målt på nytt i de suksessive målinger. Man kan rekonstruere hele spekteret av overliggende overføringsdata for de påfølgende målinger mens matteChing stilling av de gjen målt hulromsmodi.
- Gjenta målingen ved å endre laseren Wavellength til blå-side i trinn på 0,3 nm til hele stoppbåndet er dekket. Fra disse data, rekonstruere hele spekteret ved hjelp av dataene for resonansskift per enhet strekker lengde målt i trinn 3.1.3.
- Nå måle spekteret for den andre polarisasjonen ved hjelp av en lignende fremgangsmåte som nevnt i trinn 3.1.5 og 3.1.5.1.
- Imaging fabrikkert prøven
- Sett fremstille prøven på en 2 cm lang metallplate og feste de to ender av det koniske fiberen til metallplaten ved hjelp av UV-herdbare epoksy. Sørge for at bestrålingen side av prøven vender mot metallplaten, slik at skyggesiden kan avbildes.
- Bruk Pt-beleggeren for å belegge prøven i 30 sekunder og avsette et sjikt av Pt med en tykkelse på omkring 10 nm. Plasser prøven i SEM. Ta SEM-bilde av prøven ved hver 0,1 mm over hele fabrikkert regionen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 2 viser SEM-bilde av et typisk segment av fabrikkerte nanofiber prøven. Det viser at periodiske nano kratere er dannet på skyggesiden av nanofiber, med en periodisitet på 350 nm tilsvarende godt til interferensmønster. Det innfelte viser forstørret utsnitt av prøven. Formen på nano-kraterne er nesten sirkulære og diameteren av en typisk nano-krateret er rundt 210 nm.
Figur 3a viser fabrikasjon resultatene for apodized PhC hulrom. Den typiske profilen på nano-krateret matrise sammen med tilsvarende nanofiber diameter for ulike fabrikasjon vinkel (θ) og puls energi vises. Sirklene betegne nano-krateret diameter og rutene er tilsvarende nanofiber diameter. Linjene er Gaussian passer til profilene. Dataene som vises i svart og grønt tilsvarer prøver fabrisert med θ = 0 °, ved hjelp av pulsenergien på 0,35 og 0,17 mJ, respektivt. Dataene vist i rødt og blått svarer til prøvene fremstilt med θ = 0,5 ° ved hjelp av pulsenergien på 0,35 og 0,27 mJ hhv. Som man kan se, er nano-kratere dannet over en lengde på 2-3 mm langs nanofiber, hvor diameteren av nanofiber er ensartet. En apodization i nano-kraterdiameteren er observert svarende til den gaussiske intensitetsfordelingen av femtosekundområdet laserstrålen. Det er tydelig at diameteren av nano-kratere reduseres for svakere puls energi. Dessuten er bredden på apodization profilen av nano kraterne reduseres ved å øke vinkelen fabrikasjon.
Fabrikasjon resultat for mangelen-indusert PhC hulrom er vist i figur 3b. En dobbel topp-lignende profil er observert. En gradvis endring i diameter er observert ved ytterkantene av toppene, mens diamete r endret seg raskt på den indre kanten av toppene. En feil region på 0,5 mm uten nano kratere er observert mellom to topper. Lengden av det defekte område svarer godt til tykkelsen av kobbertråd innsatt i å femtosekundområdet laserstrålen.
Figur 4 viser transmisjonsspektrene for en apodized PhC hulrom prøven hvis diameter profil er vist i blått på figur 3a. Figurene 4a og 4b viser en typisk transmisjonsspektrene for X- og Y-polarisasjoner henholdsvis. Spekteret for den X-pol viser en stoppbånd region 793,7 til 798,8 nm, hvor overføringen synker til noen få prosent. Stoppbåndet til Y-pol er rød forskjøvet og bredere i forhold til X-pol. De skarpe topper som observeres i den røde side av stoppbåndet er de hulromsmodi. Den finesse og topp overføring av de typiske hulrom modi er oppført i tabell 1.
"Fo: hold-together.within-siden =" en "> Figurene 5a og 5b viser transmisjonsspektrene av defekten-indusert PhC hulrom for X- og Y-polarisasjoner henholdsvis Som man kan se, skarpe hulromsmodi vises på. hver side av stoppbåndet. imidlertid modus avstanden i den blå-side er mye større enn den i den røde siden av spektra. det finesse og maksimal overføring av de typiske hulromsmodi er oppsummert i tabell 1.
Figur 1: Prinsippskisse av forsøket. (a) Skjematisk fremstilling av fabrikasjon oppsett. En to-bjelke interferensmønster er opprettet på nanofiber ved hjelp av en fase maske som strålesplitteren og to innfellbare speil (se tekst for detaljer). En sylindrisk linse brukes til linje fokusere femtosecond laser langs nanofiber. En null-order block blir brukt for å unngå eventuell gjenværende nulte ordens lys i interferens regionen. En fotodiode er koblet til den ene ende av den avsmalnende fiber for å observere spredning av femtosekundområdet laser inn i nanofiber ledede modi. En CCD-kameraet brukes til å overvåke nanofiber stilling. (b) Skjematisk diagram for måling av optiske egenskaper. Overføring og refleksjon spektra av de fabrikkerte nanofiber prøvene blir samtidig måles ved å variere polarisasjonen av inngangslyset. PhC, PZT, NPBS og SA betegne fotoniske krystaller, piezo aktuator, nonpolarizing stråledeler og spektrum analysator, henholdsvis. Dette tallet har blitt forandret fra 21. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Fifigur 2: SEM bilde av en fabrikkert Sample. SEM-bilde av en typisk prøve fremstilt ved hjelp av enkeltskudd bestråling. Det innfelte viser forstørret visning. De periodiske nano-krater strukturer er observert på skyggesiden av nanofiber. Dette tallet har blitt forandret fra 21. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: Diameter Profil av Nano-krateret Array på nanofiber sammen med Kort Skjematisk av Fabrication Method. (a) Diameteren Profilen for apodized PhC hulrom. Sirklene betegne nano-krateret diameter og rutene er tilsvarende nanofiber diameter. Linjene er Gaussian passer til profilene. Dataene som vises i black og grønn svarer til prøvene fremstilt med θ = 0 °, ved hjelp av pulsenergien på 0,35 og 0,17 mJ, respektivt. Dataene vist i rødt og blått svarer til prøvene fremstilt med θ = 0,5 °, ved hjelp av pulsenergien på 0,35 og 0,27 mJ hhv. (b) Et diameterprofil for defekten-indusert PhC hulrom stilles ved hjelp av en pulsenergi på 0,4 mJ. De blå sirklene og de svarte firkantene viser nano-krateret diameter og nanofiber diameter, henholdsvis. Dette tallet er gjenbrukt fra 22. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: Overføring Spectra av Apodized PhC hulrom. Overføring spektrum av apodized PhC hulrom for (a) X-pol og (b) Y-pol. De deler av spektra, preget av blå boksene er forstørret og vist i innfellinger. Dette tallet er gjenbrukt fra 22. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: Overføring Spectra av Defekten-indusert PhC hulrom. Overføring spektrum av defekten-indusert PhC hulrom for (a) X-pol og (b) Y-pol. De delene av spektra, preget av blå boksene er forstørret og vist i innfellinger. Dette tallet er gjenbrukt fra 22. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Figur | 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 |
Tabell 1: Optiske egenskaper av de typiske hulrom Modes. Denne tabell oppsummerer de optiske egenskapene til typiske hulromsmodi som er merket på figurene 4a, 4b, 5a og 5b. F, T, FSR, og L betegner finesse, peak overføring, modus mellomrom og beregnet hulromslengden, hhv. Denne tabellen er gjenbrukt fra 22.
Supplemental fil 1: Fotografi av den ONME Setup. Klikk her for å laste ned denne filen.
supplementerendel fil 2: Fotografier av femtosecond laser Fabrication Setup. Klikk her for å laste ned denne filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 periodiske nanostrukturer med veldefinert periodisitet fremstilt i løpet av flere tusen perioder, uten å ta noen spesiell omsorg for å undertrykke mekaniske vibrasjoner.
Mange Nanofabrication teknikker som FIB fresing, elektronstråle litografi og selv femtosecond laser ablasjon, gjennomføre punkt-for-punkt fabrikasjon. Den punkt-til-punkt fabrikasjon er godt egnet for stive prøver, hvor den mekaniske staheten kan garanteres. I tilfelle av optiske nanofibers, hvis den koniske fiberen holdes hengende uten å berøre noen stive substrat deretter mekaniske ustabiliteter påvirker fremstillingsprosessen. På den annen side, hvis nanofiber er plassert på et stivt substrat og deretter forurensning fra substratet i seg selv eller på grunn av etsing av substratet kan forringe den optiske kvalitet. Spesielt med hensyn til den FIB freseteknikk, videre ulempene er mekanisk ustabilitet som skyldes lade opp virkningene av nanofiber og materialet modifikasjon på grunn av forurensning fra ionestrålen selv. Derfor er den protokoll som presenteres her for en enkeltskudd optisk fabrikasjon på nanofiber er å foretrekke til et punkt-for-punkt-fabrikasjon. Imidlertid kan punkt-for-punkt-fabrikasjon være foretrukket for noen anvendelser hvor fabrikasjon av vilkårlig mønster på nanofiber er avgjørende.
Ett viktig skritt i protokollen er justeringen av fabrikasjon oppsett. Siden fabrication utføres ved femtosekundområdet puls med en pulsbredde på 120 fs, må den optiske banelengdeforskjellen mellom ± 1-ordre bli minimert for å sikre romlig overlapping 23. Den banelengde forskjellen bør være mindre enn 36 um for å sikre høy synlighet av interferensfrynsemønsteret. Derfor bør posisjonen og vinkler av innfellbare speil kontrolleres nøyaktig. Selv femtosekundområdet laserstrålen størrelse langs nanofiber er 5,6 mm interferensen område er mindre enn 1 mm langs X-aksen er begrenset av romlig overlapping av pulsene. Det bør også tas vare på at femtosekundområdet laserstrålen er innfallende nøyaktig vinkelrett på fasemasken og fabrikasjonen benken bør være parallell med fasemasken. Selv en vinkel på 10 mrad kan indusere nok banelengde forskjell å vaske ut forstyrrelser frynser. Til slutt bør aksen til den sylindriske linsen være nøyaktig vinkelrett på linjene på fasemasken. Ellers vil det induce en rotasjonsvinkel mellom linjen fokusert ± 1 bestillinger redusere overlappingen mellom dem.
En annen kritisk forutsetning for vellykket fabrikasjon er produksjon av høy kvalitet nanofiber. For å få høy finesse hulrom moduser, bør den opprinnelige nanofiber overføring være> 95% og bør være fri for støv eller forurensning. Enhver forurensning på nanofiber vil indusere uregelmessig intensitet mønster føre til ikke-reproduserbar fabrikasjon og kan også bryte nanofiber. Kvaliteten på nanofiber bedømmes fra høy overføring og spredning mønster av de ledede modusene observert på CCD-kameraet.
Transmisjonen spektra som er vist i figurene 4 og 5, viser stoppbånd områder hvor mer enn 98% av inngangslyset er reflektert og overføring synker til noen få prosent. Transmisjonen bort fra stoppbåndet er omkring 100% slik at fremstillingen ikke induserer signifikant tap ogopprettholder den optiske kvaliteten av nanofiber. Videre er de observerte høy finesse hulromsmodi (angitt i tabell 1) innenfor stoppbåndet sikrer ytterligere kvaliteten på fabrikasjon. Stoppbåndet er godt forstått fra Bragg refleksjon fra de periodiske nano kratere på nanofiber. Bragg-resonans (λ R = 2n eff Λ G) avhenger av effektiv indeks (n eff) av guidet modus og banen (Λ G) av forstyrrelser frynser. I de data som presenteres i denne protokollen, er stopband observert rundt en bølgelengde på 800 nm. Stoppbåndet og hulromsmodi kan være innstilt i løpet av 10-15 nm ved å strekke den avsmalnende fiber. Imidlertid for ytterligere å endre resonansbølgelengden må man endre nanofiber diameter for å realisere en annen n eff eller endre fasemasken for å realisere en annen Λ G.
Fra hulrommet moduser oppført i tabell 1, finesseverdier i området 30-500 kan realiseres. På grunn av den sterke tverrgående innesperring av nanofiber guidet modus, høy cooperativity / forventes Purcell faktorer for en slik finesse verds 16. Den bredbånd tunability sammen med sterk innesperring av felt på en slik fiberbasert PhC hulrom gir høy etterspørsel etter ulike applikasjoner som spenner fra nanofotonikk til quantum informatikk.
Avslutningsvis har vi presentert en protokoll for å fabrikkere 1D PHC hulrom på Subwavelength diameter silica fiber bruker femtosecond laser-indusert ablasjon. En slik fremstillingsteknikk kan implementeres for å gjøre forskjellige nanophotonic enheter fra mikro / nanofibers og kan tilpasses andre Nanofabrication prosesser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 |
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.
- 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).
