Summary
Vi presentiamo un protocollo per la realizzazione di 1-D cavità a cristallo fotonico in fibre di silice diametro subwavelength (nanofibre ottici) utilizzando femtosecondi ablazione laser-indotta.
Abstract
Vi presentiamo un protocollo per la realizzazione di 1-D Photonic Crystal (PhC) cavità sul subwavelength diametro fibre ottiche rastremate, nanofibre ottiche, utilizzando femtosecondi ablazione laser-indotta. Abbiamo dimostrato che migliaia di periodici nano-crateri sono fabbricati su un nanofibre ottica irradiando con appena un singolo impulso laser a femtosecondi. Per un campione tipico, periodici nano-crateri con un periodo di 350 nm e con un diametro gradualmente variabile da 50 - 250 nm su una lunghezza di 1 mm sono fabbricati su un nanofibre diametro circa 450 - 550 nm. Un aspetto fondamentale di tale nanofabbricazione è che il nanofibre stesso agisce come una lente cilindrica e focalizza il fascio laser a femtosecondi sulla sua superficie ombra. Inoltre, il colpo singolo fabbricazione rende immune a instabilità meccaniche e altre imperfezioni di fabbricazione. Tali periodici nano-crateri sulla nanofibre, agiscono come un 1-D PhC e consentono forte e banda larga di riflessione, pur mantenendo l'elevata trasmissione fuori dal stopband. Inoltre presentiamo un metodo per controllare il profilo della matrice nano-cratere per fabbricare apodizzato e difetti indotti cavità PHC sul nanofibre. La forte confinamento del campo, sia trasversale e longitudinale, nelle cavità PHC nanofibre-based e l'efficiente integrazione delle reti in fibra, può aprire nuove possibilità per applicazioni nanofotonici e informatica quantistica.
Introduction
Forte confinamento della luce in dispositivi nanofotonici ha aperto nuove frontiere nel campo della scienza ottica. Le moderne tecnologie di nanofabbricazione hanno permesso la fabbricazione di 1-D e 2-D Photonic cristallo (PHC) cavità per nuove prospettive in lasing 1, rilevamento 2 e le applicazioni di commutazione ottica 3. Inoltre, forte interazione luce-materia in queste cavità PHC ha aperto nuove strade per informatica quantistica 4. A parte le cavità PHC, nanocavità plasmoniche hanno anche dimostrato prospettive promettenti 5, 6, 7. Tuttavia, tali cavità interfacciamento alla rete di comunicazione a base di fibre rimane una sfida.
Negli ultimi anni, fibra ottica monomodale rastremata con diametro subwavelength, noto come nanofibre ottica, è emerso come un dispositivo nanofotonica promettente. A causa della forteconfinamento trasversale del campo di nanofibre guidato e la capacità di interagire con il mezzo circostante, il nanofibre è ampiamente adattato e studiato per varie applicazioni nanofotonici 8. Oltre a questo, è anche fortemente indagato e implementato per la manipolazione quantistica della luce e della materia 9. Accoppiamento efficiente delle emissioni da emettitori quantistica come, pochi atomi singoli / laser-raffreddata e punti quantici singoli, nelle modalità di nanofibre guidato è stato studiato e dimostrato 10, 11, 12, 13, 14, 15. L'interazione luce-materia su nanofibre possono essere significativamente migliorata mediante l'attuazione di PhC struttura cavità sul nanofibre 16, 17.
Il vantaggio principale per such un sistema è la tecnologia delle fibre in linea che può essere facilmente integrato alla rete di comunicazione. Trasmissione della luce del 99,95% attraverso la nanofibre conica è stata dimostrata 18. Tuttavia, la trasmissione nanofibre sono estremamente sensibili alla polvere e contaminazione. Pertanto, fabbricazione di strutture PhC su nanofibre usando la tecnica di nanofabbricazione convenzionale non è molto fruttuoso. Sebbene cavità fabbricazione su nanofibre utilizzando Focused fresatura Ion Beam (FIB) è stata dimostrata 19, 20, la qualità ottica e riproducibilità non è alto.
In questo protocollo video, vi presentiamo una recentemente dimostrato 21, 22 la tecnica di fabbricare cavità PHC su nanofibre utilizzando l'ablazione laser a femtosecondi. Le invenzioni vengono eseguite mediante la creazione di un modello di interferenza a due raggi del laser a femtosecondi sul nanofibre e IRRADiating un singolo impulso laser a femtosecondi. L'effetto di lente del nanofibre svolge un ruolo importante nella possibilità di tali tecniche, creando crateri ablazione sulla superficie ombra del nanofibre. Per un campione tipico, periodici nano-crateri con un periodo di 350 nm e con un diametro gradualmente variabile da 50 - 250 nm su una lunghezza di 1 mm sono fabbricati su un nanofibre diametro circa 450 - 550 nm. Tali periodici nano-crateri sulla nanofibre, agiscono come un 1-D PhC. Inoltre presentiamo un metodo per controllare il profilo della matrice nano-cratere per fabbricare apodizzato e difetti indotti cavità PHC sul nanofibre.
Un aspetto fondamentale di tale nanofabbricazione è la fabbricazione tutta ottica, in modo che l'alta qualità ottica può essere mantenuta. Inoltre, la fabbricazione avviene l'irradiazione di un singolo impulso laser a femtosecondi, rendendo il sistema immunitario di instabilità meccaniche e altre imperfezioni di fabbricazione. Anche questo consente la produzione in-house di PhC nanocavità fibra in modo che la probabilità di contaminazione può essere minimizzato. Questo protocollo ha lo scopo di aiutare gli altri realizzare e adattare questo nuovo tipo di tecnica di nanofabbricazione.
Figura 1a mostra il diagramma schematico della configurazione fabbricazione. I dettagli delle procedure di impostazione fabbricazione e di allineamento sono discussi in 21, 22. Un laser a femtosecondi con 400 centro nm e 120 fs larghezza di impulso è incidente su una maschera di fase. La maschera di fase suddivide il fascio laser a femtosecondi a 0 e ± 1 ordini. Un blocco fascio viene utilizzato per bloccare il fascio 0-ordine. Gli specchi pieghevoli simmetricamente ricombinano i ± 1-ordini nella posizione nanofibre, per creare una figura di interferenza. Il passo della maschera di fase è di 700 nm, quindi la figura di interferenza ha un passo (Λ G) di 350 nm. La lente cilindrica focalizza il fascio laser a femtosecondi lungo il nanofibre. La dimensione del fascio di tutti (asse Y)e lungo (asse Z) della nanofibre è di 60 micron e 5,6 mm rispettivamente. La fibra rastremata è montato su un supporto dotato di piezo attuatore (PZT) per allungare la fibra. Una copertura superiore con lastra di vetro viene utilizzato per proteggere il nanofibre dalla polvere. Il titolare con la fibra rastremata è fissato su un banco di fabbricazione dotata di traduzione (XYZ) e le fasi di rotazione (θ). Il θ stadi consente la rotazione del campione nanofibre nel piano YZ. L'X-stadio può anche controllare gli angoli di inclinazione lungo XY e XZ. Una telecamera CCD è posto ad una distanza di 20 cm dal nanofibre e ad un angolo di 45 ° nel piano XY per monitorare la posizione nanofibre. Tutti gli esperimenti sono eseguiti all'interno di una cabina pulita dotato di filtro HEPA (High-Efficiency Particulate arresto) filtri per ottenere condizioni senza polvere. condizione privo di polvere è essenziale per mantenere la trasmissione del nanofibre.
Figura 1b mostra lo schema delle misure ottiche. Durante la fabbricazione, le proprietà ottiche sono brevemente monitorati lanciando una banda larga (lunghezza d'onda 700 - 900 nm) sorgente luminosa fibra accoppiata nella fibra rastremata e misurando lo spettro della luce trasmessa e riflessa con alta risoluzione analizzatore di spettro. Una sorgente laser sintonizzabile CW è utilizzato per risolvere correttamente i modi di cavità e misurare la trasmissione cavità assoluto.
Vi presentiamo il protocollo per la fabbricazione e la caratterizzazione. La sezione protocollo è divisa in tre sezioni, la preparazione nanofibre, fabbricazione laser a femtosecondi e caratterizzazione dei campioni fabbricati.
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Protocol
ATTENZIONE: indossare occhiali di sicurezza e rigorosamente evitare l'esposizione diretta alla lampada UV e tutti i laser, tra cui il laser a femtosecondi. Indossare un abito camera pulita e guanti per evitare la contaminazione. Smaltire qualsiasi spazzatura fibra correttamente nella casella di spazzatura designato.
1. Preparazione nanofibre
- Utilizzare un estrattore di rivestimento in fibra di striscia la giacca polimerica della fibra ottica monomodale per una lunghezza di 5 mm in due punti separati da 200 mm. Pulire le due parti spogliato meccanicamente con camera bianca wipe immersi in metanolo. Immergere della fibra tra queste due parti spogliato in acetone. Attendere 10 - 15 minuti fino a quando la giacca della fibra cadere a pezzi. Estrarre la fibra da acetone e pulire l'intera parte spogliato con camera bianca wipe immerso in metanolo.
- Impostare la fibra spogliato sulle due fasi del nanofibre ottica Fabbricazione attrezzature (ONME) per fabbricare il nanofibre.
- Avviare il laser della sonda nella fibra e monitorare la transmission utilizzando il fotodiodo e registrare i dati di trasmissione del computer utilizzando la scheda ADC. Avviare il flusso del gas utilizzando il software ONME e accendere la fiamma. Caricare il parametro pre-ottimizzato nel software ONME per la fabbricazione di fibre rastremata con diametro vita di 500 nm e avviare il processo di fabbricazione.
NOTA: Il ONME è un dispositivo disponibile in commercio, progettate per fabbricare fibre ottiche rastremate che utilizzano la tecnica del calore e tirare standard. Esso utilizza fiamma ossidrica per riscaldare la fibra e due stadi motorizzati per tirare la fibra. Il flusso di gas ed i movimenti scenici sono controllati da programma per computer. I parametri pre-ottimizzati possono essere ottenute presso il fornitore, su richiesta speciale.
- Avviare il laser della sonda nella fibra e monitorare la transmission utilizzando il fotodiodo e registrare i dati di trasmissione del computer utilizzando la scheda ADC. Avviare il flusso del gas utilizzando il software ONME e accendere la fiamma. Caricare il parametro pre-ottimizzato nel software ONME per la fabbricazione di fibre rastremata con diametro vita di 500 nm e avviare il processo di fabbricazione.
- Dopo la fabbricazione, prendere la fibra rastremata al titolare nanofibre utilizzando la resina epossidica curabile UV. Coprire il titolare nanofibre utilizzando il coperchio superiore con lastra di vetro (mostrato in Figura 1a). Mettere il campione all'interno di una scatola pulita e trasferire al femtosecondi launità di ser fabbricazione.
Fabrication 2. Laser a femtosecondi
- Allineamento del setup fabbricazione
- Mettere una lastra di vetro sul banco di fabbricazione ad una altezza di 15 mm. Irradiare la laser a femtosecondi per 5 s in energia di impulso di 1 MJ. Identificare il laser a femtosecondi indotto l'ablazione dal bianco generazione di luce, e la comparsa di modello di ablazione come un danno-line sul vetro.
- Ripetere la procedura variando l'altezza della lastra di vetro con il X-fase del banco fabbricazione. Per ogni fabbricazione, tradurre Y-fase del banco fabbricazione di 1 mm per rendere la fabbricazione in una nuova posizione.
- Trova l'altezza della linea di ablazione più forte. In questa posizione, con precisione l'angolo di inclinazione e la posizione di uno degli specchi pieghevoli per massimizzare l'ablazione. Inoltre, mettere a punto l'inclinazione della X-stadio del banco di fabbricazione per massimizzare l'ablazione.
NOTA: L'angolo di inclinazione dello specchio pieghevole è sintonizzato USIng le manopole di regolazione portaspecchio cinematiche e la posizione dello specchio è sintonizzato traducendo Z stadio in cui è montato. - Dopo l'ottimizzazione, segnare la posizione della linea di ablazione del software camera CCD e rimuovere la piastra di vetro.
NOTA: Il software di controllo per la fotocamera CCD consente l'acquisizione di immagini e segni attingendo l'immagine catturata. Permette inoltre salvare i dati dell'immagine catturata e le marcature. Poiché la X-fase del banco fabbricazione non ha riferimento di posizione assoluta, l'immagine CCD viene utilizzato come riferimento di posizione in X-asse. La risoluzione dell'immagine CCD è 10 micron per pixel. - Utilizzando il -coater Platino (Pt), rivestire la lastra di vetro per 60 s per depositare uno strato 25 nm di Pt sul vetro. Immagine il pattern di ablazione sulla lastra di vetro usando un microscopio elettronico a scansione (SEM). Se il modello di ablazione mostra struttura periodica con un periodo di 350 nm (figura di interferenza frangia previsto) allora il alignment è ottimizzato. Altrimenti ripetere la procedura (dal punto 2.1.1 - 2.1.4) per le energie impulsi inferiori (fino al 300 μJ) fino a un modello di ablazione periodico è visto.
- Fabbricazione di cavità PhC apodizzato
- Posizionare la fibra rastremata sul banco fabbricazione approssimativamente parallelo alla linea di ablazione segnata sulla telecamera CCD.
- Invia una sonda laser (potenza = 1 mW) attraverso la fibra rastremata e osservare la dispersione dalla fibra rastremata sulla telecamera CCD. La parte più forte dispersione corrisponde alla regione nanofibre grazie al suo diametro subwavelength.
- Tradurre la Z-fase del banco di fabbricazione per centrare il nanofibre per la posizione della linea di ablazione segnata sulla fotocamera CCD.
- Spegnere il laser della sonda e irradiare il laser a femtosecondi con l'energia di impulso minimo (<10 μJ). Tradurre Y-fase a sovrapporsi alla nanofibre con il fascio laser a femtosecondi. La sovrapposizione è identificato dal illuminazione della nanofibre, observed sulla fotocamera CCD.
NOTA: Il nanofibre è ora allineato rispetto al fascio laser a femtosecondi lungo Y e Z. - Per allineare il nanofibre lungo l'asse X, tradurre l'X-stage a sovrapporsi alla posizione nanofibre alla posizione della linea di ablazione segnata sulla telecamera CCD.
- Tradurre la Y-stage per massimizzare la sovrapposizione di nanofibre con il laser a femtosecondi. Osservare la riflessione dei due primi ordini da nanofibre (appare come due punti luminosi sulla lastra di vetro del coperchio superiore). Osservare il movimento di questi punti di riflessione, mentre la traduzione del Y-back stage e indietro.
NOTA: Se queste macchie si muovono verso un lato quindi nanofibre non è parallela alla linea di ablazione. In questo caso, ruotare la fase di rotazione per fare il nanofibre parallela alla linea di ablazione. Quando sono parallele, i punti di riflessione apparirà come un flash. - Dopo aver effettuato la nanofibre parallela alla linea di ablazione, tradurre Y-fase per massimizzare lasovrapporsi fra laser a femtosecondi e nanofibre, misurando la potenza del laser a femtosecondi sparsi nei modi nanofibre guidata utilizzando un fotodiodo al termine della fibra rastremata. Dopo massimizzando la sovrapposizione, ruotare la fase di rotazione all'angolo di fabbricazione θ = 0.5 °.
NOTA: Per ottenere la massima sovrapposizione tra il fascio laser a femtosecondi e nanofibre, ci si aspetterebbe il potere della luce laser a femtosecondi sparsi nelle modalità di nanofibre guidata da massimizzare. - Bloccare il laser a femtosecondi con il misuratore di potenza e impostare l'energia dell'impulso a 0,27 MJ. Modificare le impostazioni laser a femtosecondi per la modalità di irradiazione scatto singolo.
NOTA: In questo modo, viene generato un solo impulso quando viene premuto il fuoco-switch, altrimenti non c'è uscita laser.- Rimuovere il misuratore di potenza dal percorso del raggio laser e sparare un singolo impulso laser a femtosecondi. Questo completa il processo di fabbricazione.
- Fabricatisu di cavità PhC difetti indotti
- Controllare l'allineamento del setup osservando l'ablazione su una lastra di vetro come descritto nella sezione 2.1. Dopo aver trovato l'altezza della linea di ablazione forte, inserire un filo di rame 0,5 millimetri al centro del raggio laser appena prima della maschera di fase. Il filo di rame deve essere lungo l'asse Y (perpendicolare alla linea di ablazione).
- Controllare il pattern di ablazione sulla lastra di vetro mentre cambia la posizione del filo di rame lungo l'asse Z. Fissare la posizione del filo di rame in cui il modello di ablazione mostra un singolo spazio al centro della linea di ablazione.
- Dopo l'allineamento, eseguire la fabbricazione laser a femtosecondi sul nanofibre seguendo la procedura descritta nella sezione 2.2. Per questa realizzazione, impostare l'angolo di fabbricazione per θ = 0 gradi.
3. Caratterizzazione dei campioni manufatti
- Misurazione delle proprietà ottiche
- Preparare la SETUP per le misure ottiche come mostrato in Figura 1b. Avviare la sorgente di luce a banda larga nella fibra rastremata e misurare lo spettro di trasmissione e riflessione prima e dopo la fabbricazione usando l'analizzatore di spettro. Dopo la fabbricazione, lo spettro di trasmissione mostrerà un stopband corrispondente alla risonanza Bragg del campione fabbricato.
- Ruotare le pale del polarizzatore fibra linea per selezionare la polarizzazione e prendere gli spettri per due polarizzazioni ortogonali X-pol e Y-pol.
NOTA: Per la X-pol (polarizzazione lungo le nano-crateri) stopband sarà blu-spostata 21 (verso la lunghezza d'onda più corta) e la dispersione del nanofibre sarà più forte. Quindi, selezionare le polarizzazioni, cercando in spettro e la camera CCD. - Per una delle polarizzazioni, prendere gli spettri di trasmissione allungando la fibra rastremata utilizzando il PZT (Figura 1b). Prendere gli spettri da stretching la fibra rastremata in passi di 2 micron fino al massimo allungamento lunghezza 20 micron (limitato dalla portata di scansione PZT). Si osservi che la risonanza Bragg sarà spostata verso il rosso (verso la lunghezza d'onda) allungando la fibra rastremata. Da questi spettri, calcolare lo spostamento della risonanza Bragg, per unità di lunghezza che si estende.
- Per risolvere i modi di cavità e misurando la trasmissione cavità assoluto, utilizzare la sorgente laser sintonizzabile CW. Avviare il laser nella fibra rastremata e monitorare la trasmissione con un fotodiodo.
- Impostare la lunghezza d'onda del laser al bordo rosso-laterale del stopband per Y-pol e utilizzare il polarizzatore fibra linea per minimizzare la trasmissione. In questo modo, la componente X-pol viene soppressa e viene selezionata solo la Y-pol. Impostare la lunghezza d'onda del laser a più fuori banda-bordo rosso-side e registrare la trasmissione mentre si estende la fibra rastremata 0 - 20 micron.
- Ripetere la misurazione cambiando il Wavel laserength al blu-side in passi di 0,3 nm fino a quando l'intero stopband è coperto. Da questi dati, ricostruire l'intero spettro utilizzando i dati per il turno di risonanza per unità di lunghezza misurata estende nel passaggio 3.1.3.
NOTA: Per un esempio tipico, il stopband (Bragg risonanza) insieme con i modi della cavità turni di 2 nm di allungamento della fibra rastremata da 20 micron e la tipica gamma spettrale gratuito per le modalità di cavità sono tra 0,05 - 0,5 nm. Per una data lunghezza d'onda del laser di ingresso si può misurare almeno 3 - 4 modi di cavità da stretching fibra rastremata. La distanza in frequenza tra i modi viene dedotto dai dati per lo spostamento di risonanza per unità di lunghezza misurata estende nel passaggio 3.1.3. Ripetendo la misura cambiando la lunghezza d'onda del laser a passi di 0,3 nm, almeno 2 - 3 modi di cavità consecutivi rimisurati nelle misurazioni successive. Si può ricostruire l'intero spettro sovrapponendo i dati di trasmissione per le misurazioni successive mentre matposizione Ching delle modalità cavità ri-misurato.
- Ripetere la misurazione cambiando il Wavel laserength al blu-side in passi di 0,3 nm fino a quando l'intero stopband è coperto. Da questi dati, ricostruire l'intero spettro utilizzando i dati per il turno di risonanza per unità di lunghezza misurata estende nel passaggio 3.1.3.
- Ora misurare lo spettro per l'altra polarizzazione con procedura simile, come indicato nei passaggi 3.1.5 e 3.1.5.1.
- Imaging campione fabbricato
- Mettere il campione fabbricato su una piastra metallica 2 cm di lunghezza e fissare le due estremità della fibra rastremata alla piastra metallica usando UV epossidica induribile. Assicurarsi che il lato di irradiazione del campione si affaccia sulla piastra di metallo in modo che il lato oscuro può essere ripreso.
- Utilizzare il Pt-coater per rivestire il campione per 30 s e depositare uno strato di Pt con uno spessore di circa 10 nm. Posizionare il campione nel SEM. Prendere l'immagine SEM del campione in ogni 0.1 mm sull'intera regione fabbricato.
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Representative Results
La Figura 2 mostra l'immagine SEM di un segmento tipico del campione nanofibre fabbricato. Essa mostra che periodiche nano-crateri si formano sul lato ombra del nanofibre, con una periodicità di 350 nm corrispondente bene alla figura di interferenza. L'inserto mostra la vista ingrandita del campione. La forma dei nano-crateri è quasi circolare e il diametro di un tipico nano-cratere è di circa 210 nm.
La figura 3a mostra i risultati di fabbricazione per la cavità PhC apodizzato. Il profilo tipico della matrice nano-cratere con il corrispondente diametro di nanofibre per un'angolazione diversa fabbricazione (θ) e l'energia degli impulsi vengono visualizzati. I cerchi indicano il diametro del nano-cratere e le piazze sono il diametro nanofibre corrispondente. Le linee sono la gaussiana si adatta ai profili. I dati riportati nel corrispondono nero e verde ai campioni fabricata con θ = 0 gradi, utilizzando l'energia di impulso di 0,35 e 0,17 mJ, rispettivamente. I dati riportati nel corrispondono rosso e blu a campioni fabbricati con θ = 0,5 gradi che utilizzano energia di impulso di 0,35 e 0,27 mJ rispettivamente. Come si può vedere, i nano-crateri sono formate su una lunghezza di 2-3 mm lungo la nanofibre in cui il diametro del nanofibre è uniforme. Un apodizzazione diametro nano-cratere si osserva corrispondente alla distribuzione dell'intensità gaussiana del fascio laser a femtosecondi. Si vede chiaramente che il diametro dei nano-crateri viene ridotto per l'energia di impulso più debole. Inoltre, la larghezza del profilo di apodizzazione dei nano-crateri viene ridotto aumentando l'angolo di fabbricazione.
Il risultato di fabbricazione per la cavità PhC difetto indotta è mostrato in Figura 3b. Si osserva un profilo doppio picco-like. Un graduale cambiamento del diametro si osserva ai bordi esterni delle cime, mentre il diamete r cambiato rapidamente al bordo interno dei picchi. si osserva Una regione difetto di 0,5 mm senza nano-crateri tra i due picchi. La lunghezza della regione difetti ben corrisponde allo spessore del filo di rame inserito dentro al fascio laser a femtosecondi.
La figura 4 mostra gli spettri di trasmissione per un campione cavità PhC apodizzato cui profilo diametro è mostrato in blu nella figura 3a. Le figure 4a e 4b mostrano gli spettri di trasmissione tipico per X e Y polarizzazioni rispettivamente. Lo spettro del X-pol mostra una regione stopband 793,7-798,8 nm, dove la trasmissione scende a pochi punti percentuali. Il stopband per la Y-pol è di colore rosso-spostato e più ampia rispetto alla X-pol. I picchi taglienti osservati in rosso lato della stopband sono i modi di cavità. La finezza e picco di trasmissione delle modalità di cavità tipiche sono elencati nella tabella 1.
"Fo: together.within-page keep-=" 1 "> Figure 5a e 5b mostrano gli spettri di trasmissione della cavità PhC difetti indotti per xey polarizzazioni, rispettivamente Come si può vedere, modi di cavità taglienti appaiono. entrambi i lati del stopband. Tuttavia, la spaziatura modalità nel blu-side è molto più grande di quella in rosso lato dello spettro. la finezza e picco di trasmissione dei modi di cavità tipiche sono riassunti nella Tabella 1.
Figura 1: Schema dell'esperimento. (a) Schema del setup fabbricazione. Un modello di interferenza di due fasci viene creato sul nanofibre utilizzando una maschera di fase come beam splitter e due specchi ripiegabili (vedi testo per i dettagli). Una lente cilindrica viene utilizzato per allineare focalizzare il laser a femtosecondi lungo la nanofibre. Un blo ordine zerock viene utilizzato per evitare qualsiasi luce di ordine zero residua nella zona di interferenza. Un fotodiodo è collegato ad una estremità della fibra rastremata per osservare la dispersione del laser a femtosecondi nei modi nanofibre guidata. Una telecamera CCD viene utilizzato per monitorare la posizione di nanofibre. (b) Schema per la misura di proprietà ottiche. Gli spettri di trasmissione e riflessione dei campioni nanofibre fabbricate Si misurano simultaneamente variando la polarizzazione della luce di ingresso. PhC, PZT, NPBS e SA denotano cristallo fotonico, attuatore piezoelettrico, nonpolarizing divisore di fascio e analizzatore di spettro, rispettivamente. Questa cifra è stata modificata da 21. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Fifigura 2: SEM immagine di un campione fabbricato. SEM immagine di un campione tipico fabbricato utilizzando colpo singolo irradiazione. L'inserto mostra la vista ingrandita. Le strutture periodiche nano-cratere si osservano sul lato ombra del nanofibre. Questa cifra è stata modificata da 21. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Diametro Profilo del Array Nano-cratere sulla nanofibre insieme con il Breve schematica del metodo di fabbricazione. (a) Il profilo diametro per la cavità PhC apodizzato. I cerchi indicano il diametro del nano-cratere e le piazze sono il diametro nanofibre corrispondente. Le linee sono la gaussiana si adatta ai profili. I dati riportati nella black e corrispondono verde per i campioni fabbricati con θ = 0 gradi, utilizzando l'energia di impulso di 0,35 e 0,17 mJ, rispettivamente. I dati riportati nel corrispondono rosso e blu a campioni fabbricati con θ = 0.5 gradi, utilizzando l'energia di impulso di 0,35 e 0,27 mJ rispettivamente. (b) Il profilo diametro per la cavità PhC difetti indotti fabbricato utilizzando una energia di impulso di 0,4 mJ. I cerchi blu e le piazze nere indicano il diametro nano-cratere e il diametro nanofibre, rispettivamente. Questo dato viene riutilizzato da 22. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Trasmissione Spectra del apodizzato PhC cavità. Spettro di trasmissione della cavità PhC apodizzato per (a) X-POL e (b) Y-pol. Le parti del spettri, segnato da scatole blu vengono ingrandite e mostrato nei riquadri. Questo dato viene riutilizzato da 22. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Trasmissione Spectra del Difetto indotta PhC cavità. Spettro di trasmissione della cavità PhC difetti indotti per (a) X-pol e (b) Y-pol. Le parti degli spettri, segnati da caselle blu sono ingrandite e riportati nelle inserti. Questo dato viene riutilizzato da 22. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
| figura | Modalità | 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 |
Tabella 1: caratteristiche ottiche del tipico cavità Modi. Questa tabella riassume le caratteristiche ottiche dei modi di cavità tipiche contrassegnate nelle figure 4a, 4b, 5a e 5b. F, T, FSR, e finezza L denotano, trasmissione di picco, la spaziatura modalità, e la lunghezza della cavità stimata, rispettivamente. Questa tabella viene riutilizzato da 22.
File supplementare 1: Fotografia del Setup ONME. Clicca qui per scaricare il file.
Supplemental file di 2: Fotografie del Setup Fabrication laser a femtosecondi. Clicca qui per scaricare il file.
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Discussion
L'effetto di lente del nanofibre svolge un ruolo importante nella tecnica di fabbricazione, creando nano-crateri sulla superficie ombra del nanofibre (mostrato in Figura 2). L'effetto di lente del nanofibre rende inoltre il processo di fabbricazione robusta per qualsiasi instabilità meccaniche in senso trasversale (asse Y). Inoltre, a causa dell'irraggiamento a colpo singolo, le instabilità lungo gli altri assi non influenzano la fabbricazione come il tempo di irraggiamento è solo 120 fs (cioè larghezza di impulso). Di conseguenza, nanostrutture periodiche con periodicità ben definito sono realizzati su diverse migliaia di periodi, senza prendere alcuna cura speciale per sopprimere le vibrazioni meccaniche.
Molte tecniche di nanofabbricazione come FIB fresatura, litografia a fascio elettronico e ablazione laser anche a femtosecondi, implementano punto per punto fabbricazione. La fabbricazione punto per punto è adatto per campioni rigidi, dove la sta meccanicobilità può essere garantita. In caso di nanofibre ottici, se la fibra rastremata viene tenuto sospeso senza toccare alcuna substrato rigido quindi instabilità meccaniche influenza il processo di fabbricazione. D'altra parte, se il nanofibre è posto su un substrato rigido quindi la contaminazione dal substrato stesso o per l'attacco del substrato può degradare la qualità ottica. In particolare, per quanto riguarda la tecnica di fresatura FIB, inconvenienti aggiuntivi sono instabilità meccaniche dovute a caricare un massimo effetti della modifica nanofibre e materiale dovuti alla contaminazione da fascio ionico stesso. Pertanto, il protocollo presentato qui di fabbricazione ottico singolo-colpo su nanofibre è preferibile la fabbricazione punto per punto. Tuttavia, punto per punto di fabbricazione può essere preferito per alcune applicazioni dove fabbricare modello arbitrario sul nanofibre è essenziale.
Un passo fondamentale per il protocollo è l'allineamento della configurazione fabbricazione. Dal momento che la falubrificazioni viene eseguita da impulso a femtosecondi con una larghezza di impulso di 120 fs, la differenza di lunghezza del percorso ottico tra i ± 1-ordini dovrebbe essere minimizzato per garantire sovrapposizione spaziale 23. La differenza di lunghezza percorso deve essere inferiore a 36 micron per garantire elevata visibilità della frangia di interferenza. Quindi, la posizione e gli angoli di inclinazione degli specchi pieghevoli devono essere controllati con precisione. Anche se la dimensione del fascio laser a femtosecondi lungo la nanofibre è 5.6 mm la zona di interferenza è inferiore a 1 mm lungo l'asse X limitata dalla sovrapposizione spaziale degli impulsi. Dovrebbe anche essere curato che il raggio laser a femtosecondi è incidente esattamente perpendicolare alla maschera di fase e il banco di fabbricazione deve essere parallelo alla maschera di fase. Anche una inclinazione di 10 mrad può indurre abbastanza differenza lunghezza del percorso per lavare la frangia di interferenza. Infine, l'asse della lente cilindrica dovrebbe essere esattamente perpendicolare alle linee sulla maschera di fase. Altrimenti induce un angolo di rotazione tra la linea concentrata ± 1-ordini riducendo la sovrapposizione tra loro.
Un altro requisito fondamentale per la fabbricazione di successo è la produzione di nanofibre alta qualità. Per ottenere i modi di cavità alte finezza, la trasmissione nanofibre originale deve essere> 95% e dovrebbe essere esente da polvere o eventuali contaminazioni. Ogni contaminazione su nanofibre indurrà modello intensità irregolare con conseguente fabbricazione non riproducibile e può anche rompere il nanofibre. La qualità del nanofibre è giudicato dalla trasmissione elevata e modello dispersione dei modi guidati osservati sulla telecamera CCD.
Gli spettri di trasmissione, illustrata nelle figure 4 e 5, le regioni mostrano stopband in cui più del 98% della luce di ingresso viene riflessa e trasmissione diminuisce a pochi punti percentuali. La trasmissione dal stopband è circa 100% in modo che la fabbricazione non induce perdita significativa emantiene la qualità ottica del nanofibre. Inoltre, le modalità osservate elevata finezza cavità (indicati nella Tabella 1) all'interno del stopband garantisce ulteriormente la qualità della fabbricazione. Il stopband è ben compreso dalla riflessione di Bragg dalle periodiche nano-crateri sulla nanofibre. La risonanza Bragg (λ R = 2n eff Λ G) dipende dal indice effettivo (n eff) della modalità guidata e il passo (Λ G) della frangia di interferenza. Nei dati presentati in questo protocollo, il stopband si osserva intorno ad una lunghezza d'onda di 800 nm. La modalità cavità stopband e possono essere sintonizzati su 10-15 nm allungando la fibra rastremata. Tuttavia, per modificare ulteriormente la lunghezza d'onda di risonanza bisogna modificare il diametro nanofibre di realizzare una diversa n eff o modificare la maschera di fase di realizzare una diversa Λ G.
Dalle modalità cavità elencate nella Tabella 1, finezzavalori variabili da 30 - 500 può essere realizzato. A causa della forte confinamento trasversale delle modalità di nanofibre guidato, alta cooperatività / fattori Purcell sono attesi per tale finezza valori a 16. Il tunability a banda larga con una forte confinamento di campo in tale cavità PhC a base di fibre offre forte domanda per varie applicazioni che vanno dalla nanofotonica di scienza dell'informazione quantistica.
In conclusione, abbiamo presentato un protocollo per la realizzazione di cavità 1D PHC sulle fibre di silice diametro subwavelength utilizzando laser a femtosecondi ablazione indotta. Tale tecnica di fabbricazione può essere attuata per fare i vari dispositivi nanofotonici da micro / nanofibre e può essere adattato ad altri processi di nanofabbricazione.
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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 |
References
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