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方法論記事

フェムト秒レーザー誘起アブレーションを用いたナノファイバー上の1次元フォトニック結晶共振器の作製

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DOI:

10.3791/55136

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2017年2月25日

 ,  , 
1Center for Photonic Innovations, University of Electro-Communications

この記事について

サマリー

我々は、フェムト秒レーザー誘起アブレーションを使用して、サブ波長直径のシリカファイバ（光ナノファイバー）の1-Dフォトニック結晶空洞を製造するためのプロトコルを提示します。

要約

我々は、フェムト秒レーザー誘起アブレーションを使用して、サブ波長直径テーパ光ファイバ、光ナノファイバー、上の1次元フォトニック結晶（PhCを）空洞を製造するためのプロトコルを提示します。我々は、周期的なナノクレータの数千がただ1つのフェムト秒レーザーパルスを照射して、光ナノファイバー上に作製されることを示しています。代表的なサンプルについて、350nmの周期で徐々に50から変化する直径を有する周期的なナノクレーター - 550 NM - 1mmの長さにわたって250 nmの450の周りに直径ナノファイバー上に製造されます。このようなナノファブリケーションの重要な側面は、ナノファイバー自体は、シリンドリカルレンズとして機能し、その影の表面にフェムト秒レーザー光の焦点を合わせることです。また、シングルショット製作は機械的不安定性および他の製造欠陥にそれが免疫になります。ナノファイバー上のような定期的なナノクレーターは、1-D PhCをとして作用し、阻止域のうち、高い透過率を維持しながら、強力な、ブロードバンド反射を有効にします。また、ナノファイバーにアポダイズと欠陥によって誘発されるPhCをキャビティを製造するためにナノクレーター配列のプロファイルを制御するための方法を提示します。フィールドの強い閉じ込め、横方向と縦方向の両方は、ナノファイバーベースのPhCをキャビティおよびファイバネットワークへの効率的な統合で、ナノフォトニックアプリケーションや量子情報科学の新たな可能性を開くことができます。

概要

ナノフォトニックデバイスの光の強い閉じ込めは、光科学の新たなフロンティアをオープンしました。現代のナノ加工技術は、1レイジング 2を感知し、光スイッチング用途3で1次元および2次元フォトニック結晶（PhCを）新たな展望のための空洞の製作を有効にしています。また、これらのPhCを空洞に強い光と物質の相互作用は、量子情報科学4のための新しい道を開きました。別にPhCをキャビティから、プラズモニックナノ共振器はまた、有望な見込み客5、6、7を示しています。しかし、ファイバベースの通信ネットワークにこのような空洞をインターフェースすることは課題です。

近年では、光ナノファイバーとして知られているサブ波長直径テーパシングルモード光ファイバは、有望なナノフォトニックデバイスとして浮上しています。強いのためにナノファイバーガイド付きフィールドと周囲の媒体と相互作用する能力の横方向の閉じ込めは、ナノファイバーは広く適応し、様々なナノフォトニック用途8に向けて研究されています。それとは別に、それはまた、強力に調査した光の量子操作を実施し、9問題です。ナノファイバー導波モードへのような量子発光体、単一/少数のレーザー冷却原子および単一量子ドットからの発光の効率的な結合を検討し、10、11、12、13、14、15に示されています。ナノファイバーの光-物質相互作用は有意にナノファイバー16、17にPhCをキャビティ構造を実装することによって改善することができます。

sのための重要な利点UCHシステムは、容易に、通信ネットワークに統合することができ、ファイバ・イン・ライン技術です。テーパナノファイバーを通じて99.95％の光透過率は18実証されています。しかし、ナノファイバー伝送は、ほこりや汚れに非常に敏感です。従って、従来の微細加工技術を用いてナノ繊維にPhCを構造体の製造は非常に実りありません。集束イオンビーム（FIB）ミリングを用いたナノファイバーの空洞製作は19、20、実証されているが、光学品質および再現性は、高くありません。

このビデオプロトコルでは、フェムト秒レーザーアブレーションを用いたナノファイバーのPhCを空洞を製造する最近実証21,22技術を提示します。捏造は、ナノファイバーとIRRADにフェムト秒レーザーの二光束干渉パターンを作成することにより行われます単一のフェムト秒レーザーパルスをiating。ナノファイバのレンズ効果は、ナノファイバーの影の表面にアブレーションクレーターを作成する、このような技術の実現可能性に重要な役割を果たしています。代表的なサンプルについて、350nmの周期で徐々に50から変化する直径を有する周期的なナノクレーター - 550 NM - 1mmの長さにわたって250 nmの450の周りに直径ナノファイバー上に製造されます。ナノファイバー上のような定期的なナノクレーターは、1-D PhCをとして機能します。また、ナノファイバーにアポダイズと欠陥によって誘発されるPhCをキャビティを製造するためにナノクレーター配列のプロファイルを制御するための方法を提示します。

高い光学的品質を維持することができるように、そのようなナノファブリケーションの重要な態様は、すべての光造形です。さらに、製造は、機械的不安定性および他の製造欠陥に技術の免疫を行う、ただ1つのフェムト秒レーザーパルスを照射することによって行われます。また、これはPhCをナノの社内生産を可能に汚染の可能性を最小限に抑えることができるように、ファイバ共振器。このプロトコルは、他の人は微細加工技術のこの新しいタイプを実装し、適応させるためのものです。

図1aは、製造のセットアップの概略図を示します。製造セットアップ及びアライメント手順の詳細については、21、22に記載されています。 400 nmの中心波長、120フェムト秒のパルス幅を有するフェムト秒レーザは、位相マスク上に入射します。位相マスクは、0と±1次までにフェムト秒レーザービームを分割します。ビームブロックは0次光を遮断するために使用されます。折りたたみミラーは対称的に干渉パターンを作成するために、ナノファイバーの位置で±1オーダーを再結合します。位相マスクのピッチは700nmであるので、干渉縞は、350nmのピッチ（ΛG）を有しています。シリンドリカルレンズは、ナノファイバーに沿ってフェムト秒レーザー光の焦点を合わせます。両端のビームサイズ（Y軸）及び（Z軸）に沿ったナノ繊維は、それぞれ60μmで5.6 mmです。テーパ状繊維は、繊維を延伸するための圧電アクチュエータ（PZT）を備えたホルダーに取り付けられています。ガラス板とトップカバーは、埃からナノファイバーを保護するために使用されます。先細のファイバとホルダーは、翻訳（XYZ）と回転（θ）のステージを備えた製造ベンチに固定されています。 θステージは、YZ面におけるナノファイバーサンプルの回転を可能にします。 XステージもXY-とXZ平面に沿って傾斜角を制御することができます。 CCDカメラは、ナノ繊維から20cmの距離で、およびナノファイバーの位置を監視するためのXY平面内で45°の角度で配置されています。全ての実験は、無塵の条件を達成するためにHEPA（高効率粒子拘束）フィルターを備えたクリーンブース内で実行されています。無塵の条件は、ナノファイバーの透過性を維持することが不可欠です。

図1（b）は光学測定の概略を示しています。テーパファイバにファイバ結合光源と高分解能スペクトルアナライザを使用して送信し、反射光のスペクトルを測定する： - 製造中、光学的性質を簡単ブロードバンド（900から700nmの波長範囲）を起動することによって監視されます。波長可変CWレーザ光源を適切にキャビティモードを解決するために絶対空洞伝達を測定するために使用されます。

私たちは、製造および特徴付けのためのプロトコルを提示します。プロトコルセクションは、3つのサブセクション、作製した試料のナノファイバーの準備、フェムト秒レーザーの製造および特性評価に分かれています。

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プロトコル

注意：安全メガネを着用し、厳密にUVランプとフェムト秒レーザーを含む全てのレーザーを直接浴びることは避けてください。汚染を避けるためにクリーンルームのスーツと手袋を着用してください。指定されたゴミ箱に適切に任意の繊維ゴミを処分してください。

1.ナノファイバーの準備

  1. 200ミリメートルで区切られた2つの場所で5ミリメートルの長さの単一モード光ファイバのポリマージャケットを除去するファイバ被覆ストリッパを使用してください。クリーンルームを使用して、2つの機械的剥奪の部分をメタノールに浸したワイプ清掃してください。アセトン中でこれら2取り除か部分の間の繊維を浸し。繊維のジャケットがバラバラになるまで15分 - 10のを待ちます。アセトンから繊維を取り出し、メタノールに浸したワイプクリーンルームを使用して、むき出しの部分を清掃してください。
  2. ナノファイバーを製造するために光学ナノファイバー製造装置（ONME）の2段階で取り除か繊維を設定します。
    1. ファイバにプローブレーザを起動し、transmissioを監視nは、フォトダイオードを使用し、ADCカードを使用して、コンピュータ内の送信データを記録します。 ONMEソフトウェアを使用してガスの流れを開始し、炎を点火します。 500nmのウエスト径テーパ光ファイバの製造にONMEソフトウェアの最適化前のパラメータをロードし、製造プロセスを開始します。
      注：ONMEは、標準的な熱プル技術を使用してテーパー状の光ファイバを製造するために設計された市販の装置です。これは、繊維を引っ張って繊維と2電動ステージを加熱するために酸水素炎を使用しています。ガス流及びステージの移動は、コンピュータプログラムによって制御されます。事前に最適化されたパラメータは、特別な要求に応じて、ベンダーから入手することができます。
  3. 製作した後、UV硬化性エポキシを使用してナノファイバーホルダにテーパ状の繊維をキャッチします。 （ 図1aに示されている）、ガラス板とトップカバーを使用してナノファイバーホルダーをカバーしています。クリーンボックス内にサンプルを入れて、フェムト秒ラに転送SER製作ユニット。

2.フェムト秒レーザーの製作

  1. 製造セットアップのアライメント
    1. 15ミリメートルの高さで製作ベンチにガラス板を置きます。 1ミリジュールのパルスエネルギーで5秒間のフェムト秒レーザーを照射します。白色光発生からフェムト秒レーザー誘起アブレーション、ガラス板の損傷-線として切除パターンの外観を確認します。
    2. 製造ベンチのXステージを用いてガラス板の高さを変更することにより、手順を繰り返します。各製造のために、新しい位置に製造を行うために1ミリメートルによって製造ベンチのYステージを翻訳します。
    3. 最強のアブレーションラインの高さを見つけます。この位置では、微調整折り返しミラーの一方の傾斜角度と位置がアブレーションを最大化します。また、微調整加工台のXステージの傾斜は、アブレーションを最大化します。
      注：折り返しミラーの傾斜角は、USIに同調されますキネマティックミラーホルダの調整ノブをngのミラーの位置は、それが搭載されたZステージを平行移動することによって調整されます。
    4. 最適化の後、CCDカメラソフトウェア上のアブレーションラインの位置をマークし、ガラス板を取り外します。
      注：CCDカメラ用の制御ソフトウェアは、画像キャプチャと撮影した画像上のマークを描画を可能にします。また、撮影した画像やマーキングのデータを保存できます。製造台のXステージが絶対位置の基準がないため、CCDイメージがX軸方向の位置の基準として使用されます。 CCD画像の解像度はピクセル当たり10μmです。
    5. 白金（Pt）-coaterを使用して、被覆60のガラス板は、ガラス板上のPtの25nmの層を堆積します。画像走査型電子顕微鏡（SEM）を用いてガラス板上に切除パターン。アブレーション・パターンは、350nmの周期（期待される干渉縞パターン）らの周期構造を示している場合ignmentが最適化されています。そうでなければ（ステップ2.1.1から - 2.1.4）の手順を繰り返し周期的切除パターンが見られるまで（300μJまで）より低いパルスエネルギーのために。
  2. アポダイズPhCをキャビティの作製
    1. CCDカメラ上にマーク切除線とほぼ平行製造ベンチにテーパー状の繊維を配置します。
    2. 先細のファイバを介してプローブレーザ（パワー= 1 MW）を送信し、CCDカメラ上のテーパーファイバからの散乱を観察します。最も強い散乱部は、その波長以下の直径をナノ領域に相当します。
    3. CCDカメラ上にマークアブレーションライン位置にナノファイバーを中心に製造ベンチのZステージを翻訳。
    4. プローブレーザをオフにし、最小パルスエネルギー（<10μJ）とフェムト秒レーザーを照射します。フェムト秒レーザービームでナノファイバーに重なるようにYステージを翻訳。オーバーラップは、ナノファイバー、OBSの照明によって識別されますCCDカメラにerved。
      注：ナノファイバーについて、Yに沿ったフェムト秒レーザ光に対して、Z軸と整列されます。
    5. X軸に沿ってナノファイバーを整列させるために、アブレーションライン位置にナノファイバー位置に重なるようにXステージを並進CCDカメラ上にマーク。
    6. フェムト秒レーザーとナノファイバーの重なりを最大化するために、Yステージを翻訳。ナノファイバーから2最初のオーダーの反射を観察する（トップカバーのガラス板上の2つの明るいスポットとして表示されます）。前後にYステージを翻訳しながら、これらの反射スポットの動きを観察します。
      注：これらのスポットは、一方の側に向かって移動する場合には、ナノファイバーは、アブレーションラインに平行でありません。この場合、切除線にナノ繊維を平行にするために回転ステージを回転させます。彼らが平行である場合には、反射スポットは、フラッシュとして表示されます。
    7. アブレーションラインにナノファイバー並列を行った後、最大化するために、Yステージを翻訳テーパ状ファイバの端部にフォトダイオードを使用してナノファイバー導波モードに散乱フェムト秒レーザーのパワーを測定することにより、フェムト秒レーザービームとナノファイバーの間に重複します。オーバーラップを最大化した後、製造θ= 0.5度の角度に回転ステージを回転させます。
      注：フェムト秒レーザービームとナノ繊維との間の最大の重複のために、一つのナノファイバー導波モードに散乱フェムト秒レーザー光のパワーを最大化することを期待します。
    8. パワーメータとフェムト秒レーザーをブロックし、0.27ミリジュールにパルスエネルギーを設定します。単発照射モードにフェムト秒レーザーの設定を変更します。
      注：このモードでは、単一のパルスがそうでなければ、レーザ出力が存在しない、火災スイッチが押されたときに生成されます。
      1. レーザービーム経路から電力計を外し、単一のフェムト秒レーザーパルスを発射。これは、製造プロセスを完了します。
  3. Fabricati欠陥によって誘発されるPhCを空洞の上
    1. 2.1節で説明したようにガラス板上にアブレーションを観察することによって、セットアップの配置を確認してください。最強のアブレーションラインの高さを見つけた後、ちょうど位相マスクの前にレーザービームの中心で0.5ミリの銅線を挿入します。銅線は、Y軸に沿って（切除線に対して垂直）である必要があります。
    2. Z軸に沿った銅線の位置を変化させながらガラス板の切除パターンを確認します。切除パターンは、アブレーションラインの中央に単一のギャップを示しているとき、銅線の位置を修正しました。
    3. 整列した後、セクション2.2で詳述した手順を以下のナノファイバーのフェムト秒レーザー加工を行います。この製造のために、= 0度をθに製作の角度を設定します。

作製し試料の3キャラクタリゼーション

  1. 光学的性質の測定
    1. SEを準備図1bに示すように、光学測定のためのTUP。テーパーファイバに広帯域光源を起動し、スペクトラムアナライザを使用して製作する前と後の透過および反射スペクトルを測定します。製作した後、透過スペクトルを作製した試料のブラッグ共振に対応するストップバンドが表示されます。
    2. 偏光を選択して、2つの直交偏光のX-polおよびY-POL用のスペクトルを取るために、繊維インライン偏光子のパドルを回転させます。
      注：X-POL（ナノクレーターに沿って偏光）については阻止帯域は、（より短い波長に向かって）ブルーシフト21になり、ナノファイバーからの散乱が強くなります。だから、スペクトルとCCDカメラを見て、偏光を選択します。
    3. 偏光の一つは、PZT（ 図1bに示されている）を使用してテーパ状ファイバを延伸して透過スペクトルを取ります。 sのスペクトルを取ります20μmの最大の延伸長さまで2μmの段階でテーパー状の繊維をtretching（PZT走査範囲によって制限されます）。ブラッグ共鳴がテーパー状繊維を延伸することによって（より長い波長に向かって）赤方偏移されることを確認します。これらのスペクトルから、単位当たりの長さを伸ばし、ブラッグ共鳴のシフトを計算します。
    4. キャビティモードを解決絶対空洞伝達を測定するため、波長可変CWレーザ光源を使用します。テーパーファイバにレーザーを起動して、フォトダイオードを用いて送信を監視します。
    5. Y-POLのための阻止帯域の赤側の端にレーザー波長を設定し、送信を最小限にするために、繊維インライン偏光板を使用しています。このようにして、X-POL成分が抑制され、唯一のY-POLが選択されます。 20ミクロン - 0からテーパー状の繊維を延伸しながら、さらに赤側バンド端のアウトして送信を記録するレーザー波長を設定します。
      1. レーザwavelを変更することにより、測定を繰り返します全体の阻止域がカバーされるまでは0.3nmのステップで青色側にength。これらのデータから、ステップ3.1.3で測定した長さを伸ばし単位あたりの共鳴シフトのためのデータを用いて、スペクトル全体を再構築します。
        注： - 0.5 nmの典型的なサンプルについては、キャビティモードのために20ミクロン、典型的な自由スペクトル範囲によってテーパー繊維を延伸することにより、2ナノメートルによってキャビティモードに移行とともに、阻止帯域（ブラッグ共鳴）が0.05の間です。テーパ状ファイバを延伸して4キャビティモード - 入力レーザの所定の波長の一つは、少なくとも3を測定することができます。モード間の周波数間隔は、ステップ3.1.3で測定した長さを伸ばし単位あたりの共鳴シフトのためのデータから推測されます。 3連続したキャビティモードの連続測定で再測定される - 少なくとも2つは、0.3ナノメートルのステップでレーザ波長を変化させることにより、測定を繰り返します。一マットながら連続測定のための送信データを重ね合わせることによって、全体のスペクトルを再構成することができます再測定されたキャビティモードの精位置。
    6. ステップ3.1.5と3.1.5.1で述べたように今、同様の手順を使用して、他の偏光についてのスペクトルを測定します。
  2. 作製した試料のイメージング
    1. 長さ2cmの金属板上に作製した試料を入れて、UV硬化性エポキシを使用して金属板にテーパーファイバの両端を固定します。シャドウ側を撮像することができるように、サンプルの照射面を金属板に対向していることを確認してください。
    2. 30秒間コートにサンプルを白金コーターを使用し、約10nmの厚さを有する白金の層を堆積させます。 SEM内に試料を置きます。全体作製領域にわたるすべての0.1ミリメートルでの試料のSEM像を取ります。

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結果

図2は、作製ナノファイバー試料の代表的な部分のSEM画像を示します。これは、周期的なナノクレーターが干渉パターンに十分に対応する350nmの周期で、ナノファイバーのシャドウ側に形成されていることを示しています。挿入図は試料の拡大図を示します。ナノクレーターの形状はほぼ円形であり、典型的なナノクレーターの直径は約210 nmです。

図3aは、アポダイズPhCを空洞の製造結果を示します。異なる製造角度（θ）とパルスエネルギーのための対応するナノファイバーの直径と一緒にナノクレーター・アレイの典型的なプロファイルが示されています。円は、ナノクレーターの直径を表し、四角は、対応するナノファイバーの直径です。行はガウスプロファイルに適合しています。サンプルファブリに黒と緑の対応に示すデータθ= 0度とcated、それぞれ、0.35および0.17ミリジュールのパルスエネルギーを使用。 θで作製...

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ディスカッション

ナノファイバのレンズ効果は、（ 図2に示されている）、それによりナノファイバーの影の表面にナノクレーターを作成する製造技術において重要な役割を果たしています。ナノファイバのレンズ効果はまた、横方向（Y軸）の任意の機械的な不安定性に強固な製造プロセスを行います。照射時間はわずか120 fsの（ すなわちパルス幅）であるとして、また、単発照射により、他の軸に沿った不安定性は、製造に影響を与えません。その結果、明確に定義された周期で周期的ナノ構造は、機械的な振動を抑制するために特別な世話をすることなく、期間の数千の上に製作されます。

FIBミリング、電子ビームリソグラフィ、さらにフェムト秒レーザーアブレーションのような多くのナノファブリケーション技術は、ポイントバイポイント加工を実施します。ポイントごとの製造は機械駅剛性のサンプルに適しています性を保証することができます。テーパー状の繊維は、任意のリジッド基板に触れずにぶら下げ保たれれば、光ナノファイバーの場合には、その後、機械的不安定性は、製造プロセスに影響を与えます。ナノファイバー...

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開示事項

著者らは開示するものは何もない。

謝辞

この作業は、戦略的イノベーション創造プログラムを通じて、国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)の支援を受けました。KPNは、日本学術振興会(JSPS)の科学研究費補助金(学術研究費15H05462)の支援を受けています。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
フェムト秒レーザ・コヒーレント(株)天秤座HE
フェーズマスクイプセンフォトニクスカスタムメイド
オプティカルナノファイバー製造装置  石原産業ONME
ADCカードPicoTechADC-24
シングルモードファイバフジクラFutureGuide-SM
ブロードバンドソースNKT PhotonicsSuperK EXTREME
CW Tunable LaserCoherent(株)MBR-110
スペクトラムアナライザー(透過スペクトル)サーモフィッシャーサイエンティフィックニコレット8700
スペクトラムアナライザー(反射スペクトル)オーシャンオプティクスQE65000
CCDカメラThorlabsDCC1545M
Power MeterThorlabsD3MM
Pt-CoaterVacuum Device Inc.MSP-1S
走査型電子顕微鏡キーエンスVE-9800
UV 硬化型エポキシNTT-ATAT8105
フォトダイオードThorLabsPDA 36A-EC
クリーンルームワイプTExWipeTX-404
ファイバーコーティングストリッパーNTT-ATファイバーニッパー 250 μm 
カバーガラス松波硝子 IND,LTDNEOマイクロカバーガラス 0.12-0.17 mm 
PZTNOLIACNAC 2011-H20
シリンドリカルレンズステージNewPortM-481-A 
Y,Z ステージ中央精密工業(株)LD-149-C7
回転ステージシグマ工機KSPB-1026MH
Zステージ(1)、Zステージ(2)ニューポートM-460P 

参考文献

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