Summary
Мы представляем протокол для изготовления 1-D фотоннокристаллических полости от диаметра субволновых кварцевых волокон (оптические нановолокна) с использованием фемтосекундного лазера абляции.
Abstract
Мы представляем протокол для изготовления 1-D фотоннокристаллических (ПОЗ) полости на субволновых диаметра конусных оптических волокон, оптических нановолокон, с использованием фемтосекундного лазера абляции. Мы покажем, что тысячи периодических нано- кратеров изготовлены на оптическом нановолокна, облучая с помощью всего одного фемтосекундного лазерного импульса. Для типичного образца, периодические нано-кратеры с периодом 350 нм и диаметром постепенно изменяющейся от 50 - 250 нм на длине 1 мм изготавливаются на нановолокна с диаметром около 450 - 550 нм. Ключевым аспектом такого нанофабрикации является то, что само по себе нановолокна действует как цилиндрическая линза и фокусирует фемтосекундного лазерного луча на ее теневой поверхности. Кроме того, изготовление однократная делает его невосприимчивым к механическим нестабильностей и других дефектов изготовления. Такие периодические нано-кратеры на нановолокна, действуют как 1-D ПМСП и включить сильную и широкополосного отражения, сохраняя при этом высокую скорость передачи из режекции, Мы также представляем метод управления профилем массива нано-кратер для изготовления аподизированная и дефектоиндуцированной полости РНС на нановолокна. Сильное заключение поля, как поперечное и продольное, в основе нановолокон полостей и ФК-эффективной интеграции в волоконно-оптических сетей, может открыть новые возможности для нанофотоники приложений и квантовой информатики.
Introduction
Сильное удержания света в нанофотонных устройств открывает новые горизонты в оптической науке. Современные технологии позволили Nanofabrication изготовление 1-D и 2-D фотонного кристалла (РНС) полости для новых перспектив в лазерной генерации 1, 2 зондирования и оптических применений переключения 3. Кроме того, сильный свет материи взаимодействие в этих полостях ПЖС открывает новые возможности для квантовой информатики 4. Помимо полостей ФК - , плазмонных Нанопустоты также показали многообещающие перспективы 5, 6, 7. Тем не менее, взаимодействие таких полостей волокна на основе сети связи остается проблемой.
В последние годы, конический одномодовое оптическое волокно с диаметром субволновую, известный как оптический нановолокна, возникла в качестве перспективного нанофотонной устройства. Из-за сильногопоперечного удержания нановолокна руководствоваться поля и способности взаимодействовать с окружающей средой, нановолокна широко адаптирован и исследован для различных применений нанофотонных 8. Кроме того, он также сильно исследованы и реализованы для квантовой манипуляции света и материи 9. Эффективное сцепление излучения квантовых излучателей , таких как, одиночные / несколько охлажденных лазером атомов и одиночных квантовых точек, в нановолокон модах была изучена и продемонстрирована 10, 11, 12, 13, 14, 15. Взаимодействие света и вещества на нановолокна может быть значительно улучшена за счет реализации структуры полости PHC на нановолокна 16, 17.
Главное преимущество для SUCH система является технология волоконно-в-линии, которые могут быть легко интегрированы в сети связи. Светопропускание 99,95% через коническим нановолокна было продемонстрировано 18. Тем не менее, передача нановолокна чрезвычайно чувствительны к воздействию пыли и загрязнений. Таким образом, изготовление структуры РНС на нановолокна с использованием традиционной техники Nanofabrication не очень плодотворными. Хотя изготовление полости на нановолокна с использованием сфокусированного ионного пучка (FIB) фрезерование было продемонстрировано 19, 20, оптическое качество и воспроизводимость не так высока.
В этом видео - протокол, мы представляем недавно продемонстрировали 21, 22 техники изготовить РНС полостей на нановолокна с использованием фемтосекундного лазерной абляции. Измышления выполняются путем создания двухлучевой интерференционной картины фемтосекундного лазера на нановолокна и IRRADiating единого фемтосекундного лазерного импульса. Линзирования эффект нановолокна играет важную роль в реализации таких методов, создавая абляции кратеры на теневой поверхности нановолокна. Для типичного образца, периодические нано-кратеры с периодом 350 нм и диаметром постепенно изменяющейся от 50 - 250 нм на длине 1 мм изготавливаются на нановолокна с диаметром около 450 - 550 нм. Такие периодические нано-кратеры на нановолокна, действуют как 1-D РНС. Мы также представляем метод управления профилем массива нано-кратер для изготовления аподизированная и дефектоиндуцированной полости РНС на нановолокна.
Ключевым аспектом такого нанофабрикации является все оптическое производство, так что высокое оптическое качество может быть сохранен. Кроме того, изготовление осуществляется путем облучения всего одного фемтосекундного лазерного импульса, что делает технику невосприимчивым к механическим нестабильностей и других дефектов изготовления. Кроме того, это позволяет производить в доме ПМП нановолокна полости таким образом, что вероятность загрязнения могут быть сведены к минимуму. Этот протокол предназначен, чтобы помочь другим реализовать и адаптировать этот новый тип техники Nanofabrication.
На рисунке 1а показана принципиальная схема установки изготовления. Подробности процедуры установки изготовления и выравнивания обсуждаются в 21, 22. Фемтосекундного лазера с 400 нм центральной длины волны и 120 фс длительности импульса падает на фазовой маски. Фаза маска разбивает фемтосекундного лазерного луча в 0 ° и ± 1 порядков. Блок луч используется для блокировки луча 0-го порядка. Складные зеркала симметрично рекомбинировать ± 1 заказы на позиции нановолокна, чтобы создать интерференционную картину. Шаг фазовой маски составляет 700 нм, поэтому интерференционная картина имеет шаг (Λ G) 350 нм. Цилиндрическая линза фокусирует фемтосекундного лазерного луча вдоль нановолокна. Размер пучка через (Y-ось)и вдоль (Z-оси) нановолокна составляет 60 мкм и 5,6 мм, соответственно. Конусный волокно установлен на держателе, оборудованного пьезоэлектрический привод (ЦТС) для растягивания волокна. Верхняя крышка со стеклянной пластиной используется для защиты от пыли нановолокна. Держатель с коническим волокном закреплен на скамейке изготовления оборудованного с переводом (XYZ) и вращение (θ) этапов. Θ-этап позволяет вращение образца нановолокон в YZ-плоскости. X-ступень может также контролировать углы наклона вдоль XY- и XZ-плоскости. Камера CCD находится на расстоянии 20 см от нановолокна и под углом 45 ° в XY-плоскости для контроля положения нановолокон. Все эксперименты проводятся в чистом стенде, оборудованного HEPA (высокоэффективная частиц арестовывать) фильтров для достижения беспыльных условий. Пылесухость условие является существенным для поддержания передачи нановолокна.
Рисунок 1б показана схема оптических измерений. В процессе изготовления, оптические свойства кратко отслеживается запуск широкополосного (диапазон длин волн: 700 - 900 нм) Волокно связью источник света в сужающейся волокна и измерения спектра прошедшего и отраженного света с использованием высокого разрешения анализатора спектра. Перестраиваемый CW лазерный источник используется для правильного разрешения режимов полости и для измерения абсолютной передачи полости.
Мы представляем протокол для изготовления и определения характеристик. Раздел протокол разделен на три подраздела, подготовка нановолокна, лазерная изготовления фемтосекундного и характеристика изготавливаемых образцов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
ВНИМАНИЕ: используйте защитные очки и строго избегать прямого воздействия УФ-лампы и все лазеры, включая фемтосекундного лазера. Носите чистую комнату костюм и перчатки, чтобы избежать загрязнения. Утилизировать любые волокна мусор должным образом в коробке назначенный для мусора.
1. Nanofiber Приготовление
- Используйте съемник покрытия оптоволокна, чтобы лишить полимерную оболочку из одномодового оптического волокна на длине 5 мм в двух местах, разделенных на 200 мм. Очистите два механически зачищенные части, используя чистую комнату салфетку, смоченной в метаноле. Dip волокна между этими двумя оголенных частей в ацетоне. Подождите 10 - 15 мин до куртка волокна разваливаются. Выньте волокно из ацетона и очищают всю оголенную часть, используя чистую комнату салфетку, смоченной в метаноле.
- Установите зачищенный волокна на двух этапах оптического нановолокна Производство оборудования (ONME) для изготовления нановолокна.
- Запуск зонда лазера в волокно и контролировать transmissioп используя фотодиод и записывать данные передачи в компьютер с помощью АЦП карты. Запуск потока газа с помощью программного обеспечения ONME и зажечь пламя. Загрузите предварительно оптимизированный параметр в программном обеспечении ONME для изготовления конического волокна с диаметром талии 500 нм и начать процесс изготовления.
Примечание: ONME является коммерчески доступным устройством, предназначенный для изготовления конусообразных оптических волокон с использованием стандартных тепла и тянуть технику. Он использует водородном пламени для нагрева волокна и две моторизованные стадии, чтобы вытащить волокна. Поток газа, и движения ступени управляются с помощью компьютерной программы. Предварительно оптимизированные параметры могут быть получены от поставщика, по специальному заказу.
- Запуск зонда лазера в волокно и контролировать transmissioп используя фотодиод и записывать данные передачи в компьютер с помощью АЦП карты. Запуск потока газа с помощью программного обеспечения ONME и зажечь пламя. Загрузите предварительно оптимизированный параметр в программном обеспечении ONME для изготовления конического волокна с диаметром талии 500 нм и начать процесс изготовления.
- После изготовления, поймать конического волокна к держателю нановолокна с использованием отверждаемой эпоксидной смолы УФ. Закройте держатель нановолокон , используя верхнюю крышку со стеклянной пластиной ( как показано на рисунке 1a). Поместите образец в чистую коробку и передать фемтосекундного Лос-Анджелесеизготовление Ser блок.
2. фемтосекундный лазер Fabrication
- Выравнивание установки по изготовлению
- Поместите стеклянную пластину на стенде изготовления на высоте 15 мм. Облучают фемтосекундного лазера в течение 5 сек при энергии импульса 1 мДж. Определение фемтосекундного лазера абляции от белого света поколения, а также внешний вид абляции рисунка как повреждение линии на стеклянной пластине.
- Повторите процедуру путем изменения высоты стеклянной пластины с использованием X-этап лавку изготовления. Для каждого производства, перевести Y-этап изготовления скамейки на 1 мм, чтобы сделать изготовление в новом положении.
- Найти высоту для самой сильной абляции линии. В этом положении точно настроить угол наклона и положение одного из складных зеркал, чтобы максимизировать абляции. Кроме того, тонкая настройка наклон X-стадии изготовления скамейки, чтобы максимизировать абляции.
Примечание: Угол наклона откидного зеркала настраивается USIнг кинематических держателя зеркала настройки ручки и положение зеркала настраивается путем перевода Z-этап, на котором он установлен. - После оптимизации, отметьте положение абляции линии на программное обеспечение CCD камеры и снимите стеклянную пластину.
Примечание: Управляющее программное обеспечение для камеры CCD позволяет захватывать изображения и нанесения пометок на захваченном изображении. Она также позволяет сохранять данные захваченного изображения и маркировки. Так как X-этап изготовления скамьи не имеет абсолютной ссылки положение, ПЗС изображение используется в качестве опорной позиции в X-оси. Разрешение CCD изображения составляет 10 мкм на пиксель. - Использование платины (Pt) -coater, пальто стеклянная пластина в течение 60 с для осаждения 25 нм слой Pt на стеклянной пластине. Изображение образец абляция на стеклянной пластине с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM). Если шаблон абляции показывает периодическую структуру с периодом 350 нм (ожидаемая картина интерференционных полос), то алignment оптимизирован. Иначе повторите процедуру с шага (2.1.1 - 2.1.4) для более низких энергий импульсов (вплоть до 300 мкДж) до периодической модели абляции виден.
- Изготовление аподизированной РНС полости
- Поместите коническую волокна на стенде изготовления приблизительно параллельно абляции линии, отмеченной на ПЗС-камеры.
- Отправить зонд лазера (мощность = 1 мВт) через конического волокна и наблюдать рассеяние от конического волокна на ПЗС-камеры. Самая сильная часть рассеяния соответствует области нановолокна из-за ее диаметра субволновую.
- Перевести Z-этап изготовления скамьи до центра нановолокна в положение абляции линии, отмеченной на ПЗС-камеры.
- Выключите лазера зонда и облучать фемтосекундного лазера с минимальной энергией импульса (<10 мкДж). Перевести Y-сцену, чтобы перекрывать нановолокна с помощью фемтосекундного лазерного луча. Перекрытие идентифицируется освещения нановолокна, наблerved на ПЗС-камеры.
Примечание: нановолокна теперь совмещен относительно фемтосекундного лазерного луча вдоль Y и Z-оси. - Для того, чтобы выровнять нановолокна вдоль оси Х, перевести X-сцену, чтобы перекрывать позицию нановолокон в положение абляции линии, отмеченной на ПЗС-камеры.
- Перевести Y-сцену, чтобы максимально увеличить перекрытие нановолокна с фемтосекундного лазера. Обратите внимание на отражение двух первых порядков из нановолокна (появляется в виде двух ярких пятен на стеклянной пластине верхней крышки). Обратите внимание на движение этих отражений пятен при переводе Y-этап назад и вперед.
Примечание: Если эти пятна двигаться в одну сторону, то нановолокна не параллельно абляции линии. В этом случае поворот поворотного столика, чтобы сделать нановолокна параллельно абляции линии. Когда они параллельны, отражение пятна будут появляться в качестве вспышки. - После создания нановолокон параллельно абляции линии, перевести Y-сцену, чтобы максимизироватьперекрытие между фемтосекундным лазерным лучом и нановолокна, путем измерения мощности фемтосекундного лазера, рассеянного в нановолокна волноводных мод с использованием фотодиода в конце сужающейся волокна. После максимального перекрытия, повернуть этап вращения на угол θ = фабрикации 0,5 град.
Примечание: Для получения максимального совпадения между фемтосекундным лазерным лучом и нановолокна, можно было бы ожидать, что мощность фемтосекундного лазерного излучения, рассеянного в нановолокна модах, чтобы быть максимальным. - Блок фемтосекундного лазера с измерителем мощности и установить энергию импульса до 0,27 МДж. Изменение параметров фемтосекундных лазерных в режим облучения однократном.
Примечание: В этом режиме только один импульс генерируется при нажатии пожарной выключатель, в противном случае нет никакого выхода лазера.- Удалить измеритель мощности от пути лазерного луча и огонь одного фемтосекундного лазерного импульса. Это завершает процесс изготовления.
- Fabricatiна из дефектоиндуцированной РНС полости
- Проверьте выравнивание установки путем наблюдения абляции на стеклянной пластине, как описано в разделе 2.1. После нахождения высоты для самой сильной абляции линии, вставьте 0,5 мм медной проволоки в центре лазерного луча непосредственно перед фазовой маски. Медный провод должен быть вдоль оси ординат (перпендикулярно к абляции линии).
- Проверьте шаблон абляции на стеклянной пластине, изменяя положение медной проволоки вдоль Z-оси. Зафиксировать положение медной проволоки, когда рисунок абляция показывает единственный промежуток в центре абляции линии.
- После выравнивания выполнить лазерное изготовление фемтосекундного на нановолокна ниже процедуру, описанную в разделе 2.2. Для этого изготовления, установить угол изготовления для q = 0 град.
3. Определение характеристик сфабрикованных образцов
- Измерение оптических свойств
- Приготовьте себетуп для оптических измерений , как показано на рисунке 1b. Запуск широкополосного источника света в коническом волокне и измерение спектра пропускания и отражения до и после изготовления с использованием анализатора спектра. После изготовления, спектр пропускания покажет полосе задерживания, соответствующий Брэгга резонанса сфабрикованному образца.
- Поворот лопастей волокна встроенного поляризатора, чтобы выбрать поляризацию и взять спектры для двух ортогональных поляризаций X-Pol и Y-Pol.
Примечание: Для X-Pol (поляризации вдоль нано-кратеров) непропускания будет синим смещенной 21 ( в сторону более коротких длин волн) и рассеяние от нановолокна будет сильнее. Итак, выберите поляризаций, глядя на спектр и ПЗС-камеры. - Для одной из поляризаций, принимают спектры пропускания путем растягивания конического волокна с использованием ЦТС ( как показано на рисунке 1b). Возьмите спектры по сне tretching конического волокна с шагом 2 мкм до максимального растяжения длиной 20 мкм (ограничена диапазоном сканирования ЦТС). Заметим, что резонансная Брэгга будет красное смещение (в сторону большей длины волны), растягивая конического волокна. Из этих спектров, вычислить сдвиг резонанса Брэгга, в расчете на единицу длины растяжку.
- Для получения разрешения мод резонатора и измерения абсолютной передачи резонатора, использовать перестраиваемый лазерный источник CW. Запуск лазера в коническом волокне и контролировать передачу с использованием фотодиода.
- Установите длину волны лазера в длинноволновую область на стороне края режекции для Y-Pol и использовать волокно встроенный поляризатор, чтобы свести к минимуму передачу. Таким образом, компонент Х-Pol подавляется, и выбирается только Y-Pol. Установите длину волны лазера для дальнейшего из красной боковой полосы краем и записывать передачи, растягивая коническую волокно от 0 - 20 мкм.
- Повторите измерение путем изменения лазерного Вавельength к синему стороне с шагом 0,3 нм, пока весь непропускания не покрывается. Исходя из этих данных, реконструировать весь спектр, используя данные для резонансного сдвига на единицу длины растяжения, измеренного на этапе 3.1.3.
Примечание: Для типичного выборки, непропускания (Брэгга резонанс) наряду со сдвигами мод резонатора на 2 нм, растягивая конического волокна 20 мкм и типичного свободного спектрального диапазона для мод полости между 0,05 - 0,5 нм. Для заданной длины волны возбуждающего лазера можно измерить по крайней мере, 3 - 4 режима полости растяжение конического волокна. Разнос частот между режимами выводится из данных для резонансного сдвига на единицу длины растяжения, измеренного на этапе 3.1.3. Повторив измерения путем изменения длины волны лазерного излучения с шагом 0,3 нм, по меньшей мере 2 - 3 последовательных моды резонатора переоцениваются в последовательных измерений. Можно восстановить весь спектр путем накладывания данных передачи для последовательных измерений в то время как матцин положение мод резонатора на переоцениваются.
- Повторите измерение путем изменения лазерного Вавельength к синему стороне с шагом 0,3 нм, пока весь непропускания не покрывается. Исходя из этих данных, реконструировать весь спектр, используя данные для резонансного сдвига на единицу длины растяжения, измеренного на этапе 3.1.3.
- Теперь измерения спектра для другой поляризации, используя аналогичную процедуру, как указано в пунктах 3.1.5 и 3.1.5.1.
- Визуализация сфабрикованному образца
- Поместите Сфабрикованный образец на 2 см длиной металлической пластиной и зафиксировать оба конца сужающейся волокна к металлической пластине с помощью УФ-отверждаемые эпоксидная смола. Убедитесь, что облучение сторона образца обращена к металлической пластины таким образом, что теневая сторона может быть отображена.
- Используйте Pt-устройства для нанесения покрытия для покрытия образца в течение 30 с и нанесения слоя Pt с толщиной около 10 нм. Поместите образец в РЭМ. Возьмем сканирующего электронного микроскопа изображение образца на каждые 0,1 мм по всей сфабрикованному области.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
На рисунке 2 показана СЭМ изображение типичного сегмента сфабрикованному образца нановолокна. Это показывает, что периодические нано-кратеры образуются на теневой стороне нановолокна, с периодичностью 350 нм, соответствующих хорошо интерференционной картины. На вставке показан увеличенный вид образца. Форма нано- кратеров почти круглую форму и диаметр типичного нано-кратера составляет около 210 нм.
На рис.3 показаны результаты изготовления для аподизированная РНС полости. Типичный профиль массива нано-кратер вместе с соответствующим диаметром нановолокон для изготовления различного угла (q) и энергии импульса показаны. Круги обозначают диаметр нано-кратера и квадраты соответствующего диаметра нановолокна. Линии гауссова подходит к профилям. Данные, представленные в черном и зеленом соответствуют образцам Фабрилаборантом при q = 0 °, используя энергию импульса 0,35 и 0,17 мДж соответственно. Данные, представленные в красном и синем соответствуют образцам изготавливаемых с q = 0,5 град с использованием энергии импульса 0,35 и 0,27 мДж соответственно. Как можно видеть, нано-кратеры образуются на длине 2-3 мм вдоль нановолокна, когда диаметр нановолокна равномерна. Аподизации в диаметре нано-кратера наблюдается соответствует гауссову распределению интенсивности фемтосекундного лазерного луча. Отчетливо видно, что диаметр нано-кратеров уменьшается для более слабой энергии импульса. Кроме того, ширина профиля аподизации наноразмерных кратеров снижается за счет увеличения угла изготовления.
В результате изготовление для дефектоиндуцированной PHC полости показана на рисунке 3b. Наблюдается двойной пик-подобный профиль. Постепенное изменение диаметра наблюдается у внешних краев пиков, в то время как diamete г быстро изменяется на внутренней стороне края пиков. Область дефекта 0,5 мм, не имеющих нано-кратеров наблюдается между двумя пиками. Длина области дефекта хорошо соответствует толщине медного провода, вставленного в к фемтосекундного лазерного луча.
На рисунке 4 представлены спектры пропускания для аподизированной образца полости РНС, диаметр которого профиль показан синим цветом на рисунке 3а. Фигуры 4а и 4b показывают типичные спектры пропускания для Х- и Y-поляризаций, соответственно. Спектр для X-Pol показан участок задерживания от 793,7 - 798,8 нм, где передача падает до нескольких процентов. Непропускания для Y-POL является красное смещение и шире по сравнению с X-Pol. Острые пики, наблюдаемые в красной стороне режекции являются моды резонатора. Тонкость и пик передачи типичных мод резонатора, приведены в таблице 1.
"ВОК: Keep-together.within-страницу =" 1 "> Фигуры 5а и 5б показаны спектры пропускания дефектоиндуцированной РНС полости для Х- и Y-поляризаций, соответственно , как можно видеть, резкие моды резонатора появляются. по обе стороны от режекции. Тем не менее, расстояние между режим в синей стороне намного больше , чем в красной части спектра. тонкость и пиковая передача типичных мод резонатора, приведены в таблице 1.
Рисунок 1: Принципиальная схема эксперимента. (а) Принципиальная схема установки изготовления. Интерференционная картина двухлучевые создается на нановолокна с помощью фазовой маски в качестве светоделитель и двух складных зеркал (см текст для более подробной информации). Цилиндрическая линза используется для линии фокусировки фемтосекундного лазера вдоль нановолокна. Бло нулевого порядкаск используется, чтобы избежать любого остаточного света нулевого порядка в области интерференции. Фотодиод соединен с одним концом конусообразной волокна наблюдать рассеяние фемтосекундного лазера на нановолокна модах. Камера CCD используется для контроля положения нановолокон. (б) Принципиальная схема для измерения оптических свойств. Спектры пропускания и отражения изготавливаемых образцов нановолокон одновременно измеряют путем изменения поляризации входного света. PhC, ЦТС, NPBS и SA обозначают фотонный кристалл, пьезоэлектрический привод, nonpolarizing делитель луча и анализатор спектра, соответственно. Эта цифра была изменена с 21. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Fi2 цифра: SEM Изображение сфабрикованному образца. СЭМ-изображение типичного образца, изготовленных с использованием облучения однократного. На вставке показан увеличенный вид. Периодические нано-структуры кратера наблюдаются на теневой стороне нановолокна. Эта цифра была изменена с 21. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3: Диаметр профиля нано-кратер массива на нановолокна наряду с кратким схематическое изображение метода изготовления. (а) профиль диаметр для аподизированная PHC полости. Круги обозначают диаметр нано-кратера и квадраты соответствующего диаметра нановолокна. Линии гауссова подходит к профилям. Данные, приведенные в бласк и зеленый соответствуют образцам изготавливаемых с q = 0 град, используя энергию импульса 0,35 и 0,17 мДж соответственно. Данные, представленные в красном и синем соответствуют образцам изготавливаемых с θ = 0,5 град, используя энергию импульса 0,35 и 0,27 мДж соответственно. (б) профиль диаметр для дефектоиндуцированной РНС полости , изготовленных с использованием энергии импульса 0,4 мДж. Синие круги и черные квадраты показывают диаметр нано-кратера и диаметр нановолокон, соответственно. Эта цифра повторно используется от 22. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 4: Передача Спектры аподизированная РНС резонаторе. Передача спектр аподизированной РНС полости для (а) X-pol и (б) Y-Pol. Части Спектры, отмеченные голубым цветом увеличены и показаны на вставках. Эта цифра повторно используется от 22. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 5: Передача Спектры дефектоиндуцированной РНС резонаторе. Передача спектр дефектоиндуцированной РНС полости для (а) X-Pol и (б) Y-Pol. Части спектров, отмечены синими коробками увеличены и показаны на вставках. Эта цифра повторно используется от 22. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
| фигура | Режим | F | Т [%] | FSR [см -1] | L [мм] |
| 4 (а) | (1,2,3) | (71, 39, 16) | (33, 87, 93) | 7,94 | 0,54 |
| 4 (б) | (1,2,3) | (500, 27, 11) | (21, 30, 73) | 3,94 | 1,09 |
| 5 (а) | (1,2,3,4) | (198, 115, 50, 21) | (25, 39, 64, 83) | 3,34 | 1,28 |
| (А, В, С, D) | (86, 63, 48, 20) | (26, 56, 73, 90) | 1,58 | 2,71 | |
| 5 (б) | (1,2,3,4) | (178, 104, 43, 22) | (17, 39, 65, 93) | 1,36 | |
| (А, В, С, D) | (48, 44, 24, 22) | (20, 38, 56, 87) | 1,25 | 3,43 |
Таблица 1: Оптические характеристики типичных мод резонатора. В данной таблице представлены оптические характеристики типичных мод резонатора , отмеченных на рисунках 4а, 4b, 5а и 5b. F, T, FSR, и L обозначают утонченность, пик передачи, интервал режима, и оцененная длина резонатора, соответственно. Эта таблица повторно используется с 22.
Справочная информация 1: Фотография из установки ONME. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить этот файл.
Supplementaл файл 2: Фотоснимки установки фемтосекундных лазерных Fabrication. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить этот файл.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Линзированием эффект нановолокна играет важную роль в технологии изготовления, создавая тем самым нано-кратеры на теневой поверхности нановолокна (показано на фиг.2). Линзирования эффект нановолокна также делает процесс изготовления надежной для любых механических нестабильностей в поперечном направлении (Y-ось). Кроме того, из - за одного выстрела облучения, неустойчивости вдоль других осей не влияют на изготовление , как время облучения составляет всего 120 фс (т.е. длительность импульса). В результате, периодические наноструктуры с четко определенной периодичностью изготовляются в течение нескольких тысяч периодов, не принимая никакого особого ухода, чтобы подавить механические вибрации.
Многие методы Nanofabrication как FIB фрезерные, электронно-лучевой литографии и даже фемтосекундного лазерной абляции, реализовать точку за точкой изготовления. Изготовление точка за точкой хорошо подходит для жестких образцов, где механического ГНАность может быть гарантирована. В случае оптических нановолокон, если конический волокно удерживается висеть, не касаясь любой жесткой подложки, а затем механически нестабильностей влияет на процесс изготовления. С другой стороны, если нановолокна помещают на твердую подложку затем загрязнения от самой подложки, либо за счет травления подложки может ухудшить оптические качества. В частности, по отношению к технике фрезерном FIB, дополнительные недостатки механических нестабильностей из-за зарядки до эффектов нановолокна и модификации материалов из-за загрязнения от самого ионного пучка. Таким образом, протокол, представленный здесь для однократного оптического изготовления на нановолокна предпочтительнее изготовления точка за точкой. Тем не менее, точка за точкой изготовление может быть предпочтительным для некоторых применений, где фабрикации произвольный шаблон на нановолокна имеет важное значение.
Одним важным шагом в протоколе является выравнивание установки по изготовлению. Так как фаbrication осуществляется фемтосекундного импульса с длительностью импульса 120 фс, оптическая разность длины пути между ± 1 заказов должны быть сведены к минимуму , чтобы обеспечить пространственное перекрытие 23. Разница в длине пути должна составлять не менее 36 мкм, чтобы обеспечить высокую видимость интерференционной полосы. Следовательно, положение и углы наклона складывающиеся зеркала должны быть точно контролироваться. Хотя размер фемтосекундного лазерного луча вдоль нановолокна составляет 5,6 мм интерференционной области составляет менее 1 мм, вдоль оси Х, ограниченного пространственного перекрытия импульсов. Кроме того, следует позаботиться о том, что фемтосекундного лазерного луча, падающего точно перпендикулярно к фазовой маски и скамейки изготовления должна быть параллельна фазовой маски. Даже наклон 10 мрад может вызвать достаточно разницы длины пути промывать интерференционной полосы. И, наконец, ось цилиндрической линзы должны быть точно перпендикулярно к линии на фазовой маски. В противном случае он будет промCE угол поворота между линией сосредоточены ± 1 заказы, уменьшающие перекрытие между ними.
Еще одним важным условием для успешного производства является производство высококачественного нановолокна. Для получения высоких мод резонатора утонченность, оригинальная передача нановолокна должна быть> 95% и должны быть свободны от пыли и других загрязнений. Любое загрязнение на нановолокна будет вызывать неправильную картину интенсивности приводит к невоспроизводимым изготовления и может даже разорвать нановолокна. Качество нановолокна судят по высокой передаче и рассеивающей структуре волноводных мод, наблюдаемых на ПЗС-камеры.
Спектры пропускания, как показано на фиг.4 и 5, шоу сигнала в полосе задерживания регионах , где более чем 98% от входного света отражается и передача падает до нескольких процентов. Передача от задерживания составляет около 100%, что обеспечивает изготовление не вызывает значительные потери иподдерживает оптическое качество нановолокна. Кроме того, наблюдаемые моды резонатора с высоким Finesse (перечислены в таблице 1) , внутри режекции далее обеспечивает качество изготовления. Непропускания хорошо понято из брэгговского отражения от периодических нано- кратеров на нановолокна. Резонанс Брэгга (λ R = 2n эфф Λ G) зависит от эффективного показателя (п EFF) волноводной моды и высоты звука (Λ G) интерференционной полосы. В данных, представленных в этом протоколе, непропускания наблюдается вокруг длине волны 800 нм. Режимы полости непропускания и могут быть настроены более 10-15 нм, растягивая конического волокна. Тем не менее, для дальнейшего изменения резонансной длины волны необходимо изменить диаметр нановолокон реализовать разными п эфф или изменять маску фаз для реализации другого Л G.
Из мод резонатора , перечисленных в таблице 1, утонченностьзначения в диапазоне от 30 - 500 может быть реализован. Из - за сильного поперечного удержания из нановолокон модах, высокая кооперативность / Purcell факторы , как ожидается , для такой тонкостью 16 значений. Широкополосный перестройки частоты наряду с сильным удержанием поля в такой основе волокон РНС полости предлагает высокий спрос на различных приложений, начиная от нанофотонике квантовой информатики.
В заключение, мы представили протокол для изготовления 1D РНС полости на диаметр субволновых кварцевых волокон с использованием фемтосекундного лазера абляции. Такая технология изготовления может быть реализован, чтобы сделать различные нанофотонные устройства от микро / нановолокна и могут быть адаптированы к другим процессам нанофабрикации.
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).
