Summary
We presenteren een protocol voor het vervaardigen van 1-D fotonisch kristal holtes op subwavelength diameter silica vezels (optisch nanovezels) met behulp van femtoseconde-laser-geïnduceerde ablatie.
Abstract
We presenteren een protocol voor het vervaardigen van 1-D Photonic Crystal (PhC) holtes op subwavelength-diameter taps toelopende optische vezels, optische nanovezels, met behulp van femtoseconde-laser-geïnduceerde ablatie. We laten zien dat duizenden periodieke nano-kraters worden vervaardigd op een optische nanovezel door bestraling met slechts één femtoseconde laserpuls. Voor een typisch monster periodieke nano-kraters met een periode van 350 nm en een diameter geleidelijk variërend van 50 - 250 nm worden over een lengte van 1 mm vervaardigd op een nanovezel met diameter ongeveer 450 - 550 nm. Een belangrijk aspect van dergelijke nanofabricage dat de nanovezel zelf als een cilindrische lens en focusseert de femtoseconde laserstraal op het schaduwoppervlak. Bovendien is de single-schot fabricage maakt het immuun voor mechanische instabiliteiten en andere fabricage onvolkomenheden. Periodieke nano-kraters op nanovezel, fungeren als een 1-D PhC en maken een sterke en breedband reflectie met behoud van de hoge transmissie uit de stopband. We stellen ook een werkwijze om het profiel van de nano-krater matrix besturen geapodiseerd en defect geïnduceerde PhC holten fabriceren op de nanovezel. De sterke opsluiting van het veld, zowel transversale en longitudinale, in de nanovezel gebaseerde PhC holtes en de efficiënte integratie van de glasvezelnetwerken, kan nieuwe mogelijkheden voor nanofotonische toepassingen en quantum information science openen.
Introduction
Sterke opsluiting van licht in nanofotonische apparaten heeft nieuwe grenzen geopend in optische wetenschap. Moderne nanofabricage technologieën hebben ingeschakeld fabricage van 1-D en 2-D Photonic Crystal (PhC) holtes voor nieuwe perspectieven in lasermedium 1, 2 sensing en optische switching toepassingen 3. Bovendien heeft een sterke licht-materie interactie in deze PhC holtes nieuwe wegen geopend voor de quantum information science 4. Naast PhC holten hebben plasmon nanocavities ook veelbelovende vooruitzichten 5, 6, 7. Echter, interfacing dergelijke holten glasvezel communicatienetwerk blijft een uitdaging.
De laatste jaren tapse single mode optische vezel met een diameter kleiner dan de golflengte, bekend als optische nanovezel, is uitgegroeid tot een veelbelovende nanofotonische apparaat. Door de sterkedwars opsluiting van de nanovezel geleide veld en het vermogen tot interactie met het omgevende medium, wordt de nanovezel algemeen aangepast en onderzocht voor verschillende toepassingen nanofotonische 8. Daarnaast wordt ook sterk onderzocht en toegepast voor quantum manipulatie van licht en materie 9. Efficiënte koppeling van emissie van quantum emitters zoals enkel / paar laser-gekoelde atomen en single quantum dots, in de nanovezel geleide modi is onderzocht en aangetoond 10, 11, 12, 13, 14, 15. Het licht-materie interactie op nanovezel kan aanzienlijk worden verbeterd door het uitvoeren PhC holtestructuur op de nanovezel 16, 17.
Het belangrijkste voordeel voor sUCH systeem is de vezel-in-line-techniek die gemakkelijk kan worden geïntegreerd communicatienetwerk. Lichtdoorlatendheid van 99,95% door het tapse nanovezel aangetoond 18. De nanovezel transmissie is zeer gevoelig voor stof en vervuiling. Daarom fabricage PHC structuur op nanovezel gebruik van conventionele nanofabricage techniek is niet erg vruchtbaar. Hoewel holte fabricage op nanovezel gebruik gefocusseerde ionenbundel (FIB) het malen aangetoond 19, 20, de optische kwaliteit en reproduceerbaarheid is niet zo hoog.
In deze video protocol presenteren we een recent aangetoond 21, 22 techniek PhC holten fabriceren op nanovezel gebruik femtoseconde laser ablatie. De constructies worden uitgevoerd door het creëren van een twee-beam interferentiepatroon van de femtoseconde laser op de nanovezel en irradiating een femtoseconde laserpuls. De lenzen effect van de nanovezel speelt een belangrijke rol bij de haalbaarheid van deze technieken maken ablatie kraters op de schaduw oppervlak van de nanovezel. Voor een typisch monster periodieke nano-kraters met een periode van 350 nm en een diameter geleidelijk variërend van 50 - 250 nm worden over een lengte van 1 mm vervaardigd op een nanovezel met diameter ongeveer 450 - 550 nm. Periodieke nano-kraters op nanovezel, fungeren als een 1-D PhC. We stellen ook een werkwijze om het profiel van de nano-krater matrix besturen geapodiseerd en defect geïnduceerde PhC holten fabriceren op de nanovezel.
Een belangrijk aspect van deze nanofabricage het alle optische vervaardiging, zodat hoge optische kwaliteit kan worden gehandhaafd. Bovendien wordt de fabricage uitgevoerd door de bestraling van slechts één femtoseconde laserpuls, waardoor de techniek ongevoelig voor mechanische instabiliteiten en andere onvolkomenheden fabricage. Ook maakt dit mogelijk in-house productie PHC nanovezel holte zodanig dat de kans op besmetting kan worden geminimaliseerd. Dit protocol is bedoeld om anderen te helpen implementeren en dit nieuwe type nanofabricage techniek aan te passen.
Figuur 1a toont het schema van de fabricage installatie. De details van de procedures fabricage installatie en uitlijning worden in 21, 22. A femtoseconde laser met 400 nm centrale golflengte en 120 fs pulsbreedte invalt op een fasemasker. De fasemasker splitst de femtoseconde laserbundel bij 0 en ± 1 orden. Een bundelblokkering wordt gebruikt om de 0-orde bundel blokkeert. De inklapbare spiegels symmetrisch recombineren de ± 1-orders aan de nanovezel positie, om een interferentiepatroon te creëren. De toonhoogte van de fase-masker is 700 nm, zodat het interferentiepatroon heeft een pitch (Λ G) van 350 nm. De cilindrische lens focusseert de femtoseconde laserbundel langs de nanovezel. De bundelgrootte in (Y-as)en langs (Z-as) de nanovezel is 60 urn en 5,6 mm werden. De tapse vezel is gemonteerd op een houder met piëzo actuator (PZT) voor het strekken van de vezel. Een deksel met glazen plaat wordt gebruikt om de nanovezel tegen stof te beschermen. De houder met de taps toelopende vezel is gefixeerd op een verzinsel bankje uitgerust met vertaling (XYZ) en rotatie (θ) fasen. De θ-stage maakt rotatie van de nanovezel monster in het YZ-vlak. De X-stage kunt ook de kantelhoeken langs XY en XZ-vlak. Een CCD camera geplaatst op een afstand van 20 cm van de nanovezel en onder een hoek van 45 ° in het XY-vlak aan de nanovezel positiemonitor. Alle experimenten worden uitgevoerd in een schone cabine met HEPA (High Efficiency Particulate arrestatie) filters om stofvrij te bereiken. Stofvrije toestand is essentieel voor de overdracht van de nanovezel handhaven.
Figuur 1lb toont het schema van de optische metingen. Tijdens fabricage worden de optische eigenschappen kort gevolgd door de lancering van een breedband (golflengte: 700-900 nm) gevezelde lichtbron in de tapse vezel en het meten van het spectrum van het doorgelaten en gereflecteerd licht met behulp van hoge resolutie spectrum analyzer. Een afstembare CW laserbron wordt gebruikt om de holte modes goed op te lossen en de absolute holte transmissie meten.
We presenteren het protocol voor de fabricatie en karakterisatie. Het gedeelte protocol is verdeeld in drie paragrafen, nanovezel voorbereiding, femtoseconde laser fabricage en karakterisering van de verzonnen monsters.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
LET OP: Draag een veiligheidsbril en strikt vermijden directe blootstelling aan UV-lamp en alle lasers met inbegrip van de femtoseconde laser. Draag een schone kamer pak en handschoenen om besmetting te voorkomen. Gooi elke vezel afval correct in de daarvoor bestemde prullenbak in.
1. Nanovezel Voorbereiding
- Gebruik een vezelcoating stripper om de polymeren huls van de single mode optische vezel strippen voor een lengte van 5 mm op twee plaatsen die in 200 mm. Maak de twee mechanisch gestripte onderdelen met behulp van cleanroom veeg gedoopt in methanol. Dompel de vezel tussen die twee ontblote deel in aceton. Wacht 10 - 15 min tot de mantel van de vezel uit elkaar vallen. Haal de vezel uit aceton en het hele gestripte deel te reinigen met cleanroom veeg gedoopt in methanol.
- Stel de gestripte vezel op de twee fasen van de Optical Nanovezel Manufacture Equipment (onme) aan de nanovezel fabriceren.
- Start de sonde laser in de vezel en toezicht op de transmission met behulp van de fotodiode en de overdracht van gegevens in de computer op te nemen met behulp van de ADC-kaart. Start de gasstroom met behulp van de onme software en ontsteken van de vlam. Laad de pre-geoptimaliseerde parameters in de onme software voor de fabricage van tapse vezel met taille diameter van 500 nm en start het fabricageproces.
OPMERKING: De onme is een commercieel verkrijgbare inrichting, die tapse optische vezels met standaard warmte en pull techniek fabriceren. Het maakt gebruik van knalgas vlam de vezels en twee gemotoriseerde fasen de vezel trekken verwarmen. De gasstroom en de fase bewegingen worden bestuurd door computerprogramma. De pre-geoptimaliseerde parameters kunnen worden verkregen bij de leverancier, op speciaal verzoek.
- Start de sonde laser in de vezel en toezicht op de transmission met behulp van de fotodiode en de overdracht van gegevens in de computer op te nemen met behulp van de ADC-kaart. Start de gasstroom met behulp van de onme software en ontsteken van de vlam. Laad de pre-geoptimaliseerde parameters in de onme software voor de fabricage van tapse vezel met taille diameter van 500 nm en start het fabricageproces.
- Na de fabricage, de vangst van de taps toelopende fiber to the nanovezel houder met behulp van de UV-epoxy. Bedek de nanovezel houder met behulp van de kap met glazen plaat (in de figuur 1a). Leg het monster in een schone doos en over te dragen aan de femtoseconde laser fabricage unit.
2. Femtoseconde Laser Fabrication
- Uitlijning van de fabricage setup
- Zet een glasplaat op de fabricage bank op een hoogte van 15 mm. Bestralen van de femtoseconde laser voor 5 s bij puls energie van 1 mJ. Identificeer de femtoseconde laser-geïnduceerde ablatie van het witte licht generatie, en de verschijning van ablatie patroon als een schade-lijn op de glasplaat.
- Herhaal de procedure door de hoogte van de glasplaat met de X-stadium van de fabricage bank. Voor iedere fabricage, vertaalt de Y-stadium van de fabricage bank door 1 mm tot de fabricage te maken in een nieuwe positie.
- Vind de hoogte voor de sterkste ablatie lijn. Op deze positie, fijnafstemming de hellingshoek en de positie van een van de opvouwspiegels de ablatie maximaliseren. Ook stem het kantelen van de X-stadium van de fabricage bank om de ablatie te maximaliseren.
LET OP: De hellingshoek van het opklapbare spiegel is afgestemd using de kinematische spiegelhouder tuning knoppen en de positie van de spiegel wordt afgestemd door het vertalen van de Z-podium waarop deze is gemonteerd. - Na de optimalisatie, markeer de positie van het ablatie lijn op de CCD camera software en verwijder de glasplaat.
LET OP: De besturingssoftware voor de CCD-camera maakt het vastleggen van beelden en het trekken van markeringen op het opgenomen beeld. Het maakt het ook opslaan van de gegevens van het opgenomen beeld en de markeringen. Aangezien de X-stadium van de fabricage bank geen absolute referentie positie hebben, is het de CCD gebruikt als referentie positie in de X-as. De resolutie van het CCD van 10 micrometer per pixel. - Met de platina (Pt) -coater, laag de glasplaat 60 en een 25 nm laag van Pt op de glasplaat deponeren. Beeld de ablatie patroon op de glasplaat met behulp van een scanning elektronenmicroscoop (SEM). Als de ablatie patroon toont periodieke structuur met een periode van 350 nm (het verwachte interferentierand patroon), dan is het alignment is geoptimaliseerd. Else herhaal de procedure (vanaf stap 2.1.1 - 2.1.4) voor de lagere pulse energieën (tot 300 uJ) tot een periodieke ablatie patroon wordt gezien.
- Fabricage van geapodiseerd PhC holte
- Plaats de taps toelopende vezel op de fabricage bank ongeveer parallel aan de ablatie lijn aangegeven op de CCD-camera.
- Stuur een sonde laser (macht = 1 mW) door de taps toelopende vezel en let op de verstrooiing van de taps toelopende vezels op de CCD camera. De sterkste verstrooiende deel overeen met de nanovezel gebied vanwege zijn subwavelength diameter.
- Vertaal de Z-fase van de fabricage bank aan de nanovezel centrum naar de ablatie lijn positie aangegeven op de CCD-camera.
- Schakel de probe laser en bestralen de femtoseconde laser met een minimum aan energie-impuls (<10 uJ). Vertalen Y-stage de nanovezel de femtoseconde laserbundel overlappen. De overlap wordt geïdentificeerd door de verlichting van de nanovezel, observed op de CCD camera.
OPMERKING: De nanovezel is nu uitgelijnd ten opzichte van de femtoseconde laserbundel langs Y- en Z-as. - Om de nanovezel langs de X-as uitlijnen, vertaalt de X-stadium de nanovezel positie naar de ablatielijn positie overlappen die op de CCD camera.
- Vertalen van de Y-stadium de overlapping van de nanovezel maximaliseren de femtoseconde laser. Houd rekening met de reflectie van de eerste twee orders van de nanovezel (verschijnt als twee heldere vlekken op de glasplaat van de bovenkap). Let op de beweging van deze reflectie plekken, terwijl het vertalen van de Y-podium heen en weer.
OPMERKING: Als deze plekken te verplaatsen in de richting van de ene kant dan nanovezel is niet parallel aan de ablatie lijn. In dit geval draait de rotatie stadium de nanovezel evenwijdig aan de ablatielijn maken. Als ze parallel zijn, zal de weerspiegeling vlekken verschijnen als een flits. - Na het maken van de nanovezel parallel aan de ablatie lijn, vertalen de Y-etappe naar het maximaliserenoverlap tussen de femtoseconde laserbundel en nanovezel, door het meten van de kracht van de femtosecondelaser verspreid in de nanovezel geleide modi met een fotodiode aan het einde van de tapse vezel. Na het maximaliseren van de overlap, draait de rotatie fase naar de hoek van fabricage θ = 0,5 graden.
Opmerking: Voor maximale overlap tussen de femtoseconde laserbundel en nanovezel, zou men verwachten dat de kracht van de femtoseconde laserlicht verspreid in de nanovezel geleide modi te maximaliseren. - Blokkeer de femtoseconde laser met de power meter en zet de puls energie om 0,27 mJ. Wijzig de femtoseconde laser instellingen voor de interne-shot bestraling mode.
Opmerking: In deze modus wordt slechts een enkele puls gegenereerd bij het in schakelaar wordt ingedrukt, anders is er geen laseruitvoer.- Haal de power meter van de laserstraal pad en vuur één femtoseconde laserpuls. Hiermee is het fabricageproces.
- Fabricatieen van defect-geïnduceerde PhC holte
- Controleer de uitlijning van de installatie door het observeren van de ablatie op een glazen plaat, zoals beschreven in het hoofdstuk 2.1. Na het vinden van de hoogte van de sterkste ablatielijn, plaatst een 0,5 mm koperdraad in het midden van de laserstraal net voor het fasemasker. De koperen draad moet worden langs de Y-as (loodrecht op de ablatielijn).
- Controleer het ablatiepatroon op de glasplaat terwijl de positie van de koperdraad langs de Z-as. Bepaal de positie van de koperdraad wanneer de ablatiepatroon toont een spleet in het midden van de ablatielijn.
- Na het uitlijnen, voert u de femtoseconde laser fabricage op de nanovezel volgens de procedure beschreven in de paragraaf 2.2. Voor deze fabricage, stelt u de hoek van de fabricatie tot θ = 0 graden.
3. Karakterisering van de Fabricated Samples
- Meting van optische eigenschappen
- Bereid de setup voor optische metingen zoals getoond in figuur 1b. Start de breedband lichtbron in de tapse vezel en meet de transmissie en reflectie spectrum vóór en na de fabricage met de spectrum analyser. Na fabrikage zal het transmissiespectrum een stopband overeenstemt met de Bragg resonantie van de gefabriceerde monster tonen.
- Roteren de schoepen van de vezel inline polarisator op de polarisatie speelgoed nemen de spectra voor twee orthogonale polarisaties X-en Y-pol pol.
LET OP: Voor de X-pol (polarisatie langs de nano-kraters) de stopband zal blauw-verschoven 21 (in de richting van de kortere golflengte) en de verstrooiing van de nanovezel zal sterker zijn. Dus, selecteert u de polarisaties door te kijken naar het spectrum en de CCD-camera. - Voor één van de polarisaties, neemt de transmissie spectra door strekken van de tapse vezel met de PZT (figuur 1b). Neem de spectra door stretching de tapse vezel in stappen van 2 urn tot maximale strekken lengte van 20 urn (beperkt door de PZT scanbereik). Op dat de Bragg resonantie rood verschoven (naar de langere golflengte) door strekken van de tapse vezel is. Uit deze spectra Bereken de verschuiving van de Bragg resonantie, per eenheid lengte uitstrekt.
- Voor het oplossen van de holte modes en het meten van de absolute holte transmissie, gebruik maken van de afstembare CW laserbron. Start de laser in de taps toelopende vezel en het toezicht op de transmissie met behulp van een fotodiode.
- Stel de lasergolflengte om rode zijrand van de stopband voor Y-pol en gebruik de vezel inline polarisator om de transmissie te minimaliseren. Op deze wijze wordt de X-pol component onderdrukt en alleen de Y-pol is geselecteerd. Stel de golflengte laser om de transmissie verder uit de rode-zijband-rand en opnemen terwijl het strekken van de tapse vezel 0-20 urn.
- Herhaal de meting door het veranderen van de laser Wavelength naar blauw-side in stappen van 0,3 nm totdat de gehele stopband wordt gedekt. Uit deze gegevens te reconstrueren het hele spectrum met behulp van de gegevens voor de resonantie shift per eenheid die zich uitstrekt lengte gemeten in stap 3.1.3.
OPMERKING: Bij een typisch voorbeeld, de stopband (Bragg resonantie) samen met de holte standen verschuift 2 nm door strekken van de tapse vezel van 20 urn en de karakteristieke vrije spectrale bereik van de holte modi tussen 0,05-0,5 nm. 4 holte modi door strekken de tapse vezel - voor een bepaalde golflengte van de laser ingang kan men ten minste 3 te meten. De frequentie afstand tussen de modi wordt afgeleid uit de gegevens van de resonantie shift per eenheid die zich uitstrekt lengte gemeten in stap 3.1.3. Herhalen van de meting door het veranderen van de lasergolflengte in stappen van 0,3 nm ten minste 2-3 opeenvolgende holte modi worden opnieuw gemeten in de opeenvolgende metingen. Men kan het hele spectrum te reconstrueren door het bedekken van de toezending van gegevens voor de opeenvolgende metingen terwijl matching positie van de opnieuw gemeten holte modi.
- Herhaal de meting door het veranderen van de laser Wavelength naar blauw-side in stappen van 0,3 nm totdat de gehele stopband wordt gedekt. Uit deze gegevens te reconstrueren het hele spectrum met behulp van de gegevens voor de resonantie shift per eenheid die zich uitstrekt lengte gemeten in stap 3.1.3.
- Meet nu het spectrum voor de andere polarisatie middels soortgelijke procedure zoals in stappen 3.1.5 en 3.1.5.1.
- Beeldvorming van de verzonnen monster
- Zet de gefabriceerde monster op een 2 cm lange metalen plaat en de twee einden van de tapse vezel vast aan de metalen plaat met UV hardbare epoxy. Zorg ervoor dat de bestraling van het monster wordt geconfronteerd met de metalen plaat zodat de schaduwzijde kan worden afgebeeld.
- Gebruik de Pt-coater bekleden het monster voor 30 s en een laag van Pt deponeren met een dikte van ongeveer 10 nm. Plaats het monster in de SEM. Neem het SEM beeld van het monster bij elke 0,1 mm over de gehele regio vervaardigd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 2 toont het SEM beeld van een typisch segment van de gefabriceerde nanovezel monster. Het toont aan dat periodieke nano-kraters gevormd op de schaduwzijde van de nanovezel, met een frequentie van 350 nm goed overeenkomt met het interferentiepatroon. De inzet toont het vergrote aanzicht van het monster. De vorm van de nano-kraters bijna cirkelvormig en de diameter van een typisch nano-krater is ongeveer 210 nm.
Figuur 3a toont de resultaten voor de vervaardiging geapodiseerd PhC holte. Het typische profiel van de nano-krater matrix met bijbehorende nanovezel diameter voor verschillende fabricage hoek (θ) en pulsenergie getoond. De cirkels geven de nano-krater met een diameter en de pleinen zijn de overeenkomstige nanovezel diameter. De lijnen zijn de Gaussische past bij de profielen. De in zwart en groen komen overeen met monsters Fabri dataceerde met θ = 0 graden, middels pulsenergie van 0,35 en 0,17 mJ respectievelijk. De in rood en blauw komen overeen met monsters gefabriceerd met θ data = 0,5 graden met behulp van puls energie van 0,35 en 0,27 mJ, respectievelijk. Zoals men kan zien, zijn de nano-kraters gevormd over een lengte van 2-3 mm langs de nanovezel indien de diameter van de nanovezel uniform. Een apodisering in nano-krater diameter waargenomen die overeenkomt met de Gaussische intensiteitsverdeling van de femtoseconde laserbundel. Het is duidelijk te zien dat de diameter van de nano-kraters wordt verlaagd voor zwakkere pulsenergie. Bovendien is de breedte van de apodisatie profiel van de nano-kraters verminderd door de hoek van fabricage.
De fabricage resultaat van de defect-geïnduceerde PhC holte is getoond in figuur 3b. Een dubbele piek-achtig profiel wordt waargenomen. Een geleidelijke verandering van de diameter wordt waargenomen bij de buitenranden van de pieken, terwijl de diamete r veranderde snel aan de binnenrand van de pieken. Een defect gebied van 0,5 mm zonder nano-kraters waargenomen tussen twee pieken. De lengte van het defect gebied komt goed overeen met de dikte van de koperdraad ingebracht in de femtoseconde laserbundel.
Figuur 4 toont de transmissiespectra voor een geapodiseerd PhC holte monster met een diameter profiel wordt getoond in blauw in figuur 3a. Figuren 4a en 4b tonen de typische transmissie spectra voor X- en Y-polarisatie respectievelijk. Het spectrum van de X-pol toont een stopband gebied 793,7-798,8 nm, waarbij de overbrenging daalt tot enkele procenten. De stopband voor de Y-pol is rood verschoven en breder vergeleken met de X-pol. De scherpe pieken waargenomen in de rode kant van de stopband zijn de holte modi. De finesse en piektransmissie van de typische holte modi worden opgesomd in tabel 1.
"Fo: keep-together.within-page =" 1 "> Figuren 5a en 5b van de transmissie spectra van het defect veroorzaakte PhC holte voor het X- en Y-polarisaties, tonen respectievelijk Zoals men kan zien, scherpe holte modes op. beide zijden van de stopband. de stand tussenruimte in de blauwe-side is veel groter dan die in de rode kant van het spectrum. de finesse en piektransmissie van de typische holte modi zijn samengevat in tabel 1.
Figuur 1: Schematische weergave van het experiment. (a) Schematisch diagram van de fabricage installatie. Een twee-bundel interferentiepatroon ontstaat op de nanovezel met een fasemasker de bundelsplitser en twee opvouwspiegels (zie tekst voor details). Een cilindrische lens wordt gebruikt om lijn de focus van de femtoseconde laser langs de nanovezel. Een zero-order block wordt gebruikt om resten nulde orde licht in het interferentiegebied voorkomen. Een fotodiode is verbonden met een uiteinde van de tapse vezel tot de verstrooiing van de femtosecondelaser waarnemen in de nanovezel geleide modi. Een CCD-camera wordt gebruikt om de nanovezel positiemonitor. (b) Schema voor de meting van optische eigenschappen. De transmissie en reflectie spectra van de nanovezel vervaardigde monsters worden gelijktijdig door het variëren van de polarisatie van het ingangslicht. PhC, PZT, NPBS en SA duiden fotonisch kristal, piëzo-actuator, niet-polariserende bundelsplitser en spectrum analyzer, respectievelijk. Dit cijfer is gewijzigd ten opzichte van 21. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: SEM Beeld van een Bewerkte Sample. SEM beeld van een typisch voorbeeld vervaardigd met behulp van enkel-shot bestraling. De inzet toont het vergrote weergave. De periodieke nano-krater structuren worden waargenomen op de schaduwzijde van de nanovezel. Dit cijfer is gewijzigd ten opzichte van 21. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Diameter Profiel van de nano-krater Array op Nanovezel samen met de korte Schema van de vervaardigingswerkwijze. (a) Het profiel diameter van geapodiseerd PhC holte. De cirkels geven de nano-krater met een diameter en de pleinen zijn de overeenkomstige nanovezel diameter. De lijnen zijn de Gaussische past bij de profielen. De in bla datack en groen komen overeen met monsters gefabriceerd met θ = 0 graden, met behulp van puls energie van 0,35 en 0,17 mJ, respectievelijk. De in rood en blauw komen overeen met monsters gefabriceerd met θ = 0,5 graden, met behulp van puls energie van 0,35 en 0,27 mJ, respectievelijk data. (b) Het profiel diameter van defect-geïnduceerde PhC holte vervaardigd met een pulsenergie van 0,4 mJ. De blauwe cirkels en de zwarte vierkantjes tonen de nano-krater met een diameter en de nanovezel diameter, respectievelijk. Dit cijfer wordt hergebruikt vanaf 22. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Transmissie Spectra van de geapodiseerd PhC Cavity. Transmissie spectrum van geapodiseerd PhC holte voor het (a) X-Pol en (b) Y-pol. De onderdelen van de spectra, gekenmerkt door blauwe dozen worden vergroot en in de bijvoegsels. Dit cijfer wordt hergebruikt vanaf 22. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Transmissie Spectra van de Defect-geïnduceerde PhC Cavity. Doorlatingsspectrum van de defect-geïnduceerde PhC holte voor het (a) X-pol en (b) Y-pol. De onderdelen van de spectra, gekenmerkt door blauwe dozen worden vergroot en in de bijvoegsels. Dit cijfer wordt hergebruikt vanaf 22. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Figuur | mode | 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 |
Tabel 1: optische eigenschappen van de typische Cavity Modes. Deze tabel vat de optische eigenschappen van typische holte modi aangegeven in figuren 4a, 4b, 5a en 5b. F, T, FSR, en L duiden finesse, piek transmissie, mode afstand, en de geschatte lengte van de holte, respectievelijk. Deze tabel wordt hergebruikt vanaf 22.
Aanvullende file 1: Foto van de onme Setup. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Supplemental file 2: Foto's van de femtosecondelaser Fabrication Setup. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De lenzen effect van de nanovezel speelt een belangrijke rol in de fabricagetechniek, waarbij nano-kraters op de schaduw oppervlak van de nanovezel maken (zie figuur 2). De lenzen effect van de nanovezel maakt het fabricageproces bestand tegen mechanische instabiliteiten in de dwarsrichting (Y-as). Bovendien, als gevolg van enkele-shot bestraling, de instabiliteit langs de andere assen hebben geen invloed op de fabricatie als de bestraling is slechts 120 fs (dwz pulse breedte). Als gevolg hiervan worden periodieke nanostructuren met goed gedefinieerde periodiciteit gefabriceerd over meerdere duizenden periodes, zonder enige speciale zorg aan mechanische trillingen te onderdrukken.
Veel nanofabricage technieken zoals FIB frezen, electron beam lithografie en zelfs femtoseconde laser ablatie, implementeren point-by-point fabricage. Het punt voor punt fabricage is zeer geschikt voor starre monsters, waarbij de mechanische stabaarheid kan worden gegarandeerd. Bij optische nanovezels, indien de tapse vezel wordt gehouden opknoping zonder raken alle harde substraat dan mechanische instabiliteiten beïnvloedt het fabricageproces. Anderzijds, als de nanovezel wordt aangebracht op een stijf substraat wordt besmetting van het substraat zelf of door het etsen van het substraat kan de optische kwaliteit verslechteren. Met name met betrekking tot de FIB freestechniek aanvullende nadelen zijn mechanische instabiliteiten door opladen effecten van de nanovezel en materiële modificatie door vervuiling van de ionenbundel zelf. Daarom is het protocol hier voor een afzonderlijke opname op optische fabricage nanovezel ingediend voorkeur de point-by-point fabricage. Evenwel point-by-point fabricage voorkeur voor sommige toepassingen waarbij vervaardigen willekeurig patroon op de nanovezel essentieel.
Een cruciale stap in het protocol is de uitlijning van de fabricage setup. Aangezien de faer- voor wordt uitgevoerd door femtoseconde puls met een pulsbreedte van 120 fs, moet het optische weglengteverschil tussen de ± 1-orders worden geminimaliseerd om ruimtelijke overlap 23 te waarborgen. Het pad lengteverschil moet kleiner zijn dan 36 micrometer zijn om een hoge zichtbaarheid van de interferentierand waarborgen. Daarom moet de positie en de kantelhoeken van de inklapbare spiegels nauwkeurig worden geregeld. Hoewel de femtoseconde laserbundel grootte langs de nanovezel is 5,6 mm het interferentiegebied minder dan 1 mm langs de X-as beperkt door de ruimtelijke overlap van de pulsen. Ook moet zorgen dat de femtoseconde laserbundel invalt precies loodrecht op het fasemasker en de fabricage bank parallel met het fasemasker worden genomen. Zelfs een kanteling van 10 mrad kan genoeg weglengteverschil opwekken uit te spoelen de storing franje. Tenslotte moet de as van de cilindervormige lens nauwkeurig loodrecht op de lijnen van de fase masker. Anders zal het induce rotatiehoek tussen de lijn gericht ± 1-orders verminderen de overlap daartussen.
Een andere belangrijke voorwaarde voor een succesvolle vervaardiging is de productie van hoogwaardige nanovezel. Om een hoge finesse holte modi te krijgen, moet de oorspronkelijke nanovezel transmissie> 95% te zijn en vrij van stof of een mogelijke verontreiniging. Elke besmetting op nanovezel zal onregelmatig intensiteit patroon induceren resulteert in niet-reproduceerbare fabricage en kan zelfs de nanovezel breken. De kwaliteit van de nanovezel wordt beoordeeld vanuit de hoge transmissie en verstrooiing patroon van de geleide modi waargenomen op de CCD camera.
De transmissie spectra, getoond in figuren 4 en 5, tonen stopband gebieden waar meer dan 98% van de input licht wordt gereflecteerd en transmissie daalt tot enkele procenten. De transmissie van het stopband is ongeveer 100% zodat de fabricage aanzienlijk verlies induceert enhandhaaft de optische kwaliteit van de nanovezel. Bovendien is de waargenomen hoge finesse holte modes (in tabel 1 vermeld) in de stopband verzekert verder de kwaliteit van de fabricage. De stopband is goed begrepen uit de Bragg reflectie van de periodieke nano-kraters op de nanovezel. De Bragg resonantie (λ R = 2n eff Λ G) is afhankelijk van de effectieve index (n eff) van de geleide modus en de toonhoogte (Λ G) van de interferentierand. In de in dit protocol gegevens wordt de stopband waargenomen rondom een golflengte van 800 nm. De stopband en de holte modi kunnen dan 10-15 nm worden afgestemd door het uitrekken van de taps toelopende vezel. Echter, de golflengte resonantie veranderen verder moet men de nanovezel diameter naar een andere n eff realiseren of wissel fasemasker een andere Λ G realiseren.
Uit de in tabel 1, finesse genoemde holte modeswaarden variërend 30-500 kunnen worden gerealiseerd. Door de sterke transversale opsluiting van de nanovezel geleide modi, hoge coöperativiteit / Purcell factoren verwacht voor dergelijke finesse waarden 16. De breedband tunability samen met een sterke opsluiting van het veld op een zodanige glasvezel gebaseerde PhC holte biedt grote vraag voor verschillende toepassingen, variërend van nanofotonica quantum informatica.
Concluderend, hebben wij een protocol voorgesteld voor het vervaardigen 1D PhC holten op subwavelength diameter siliciumdioxidevezels behulp femtoseconde laser geïnduceerde ablatie. Dergelijke fabricagetechniek kan worden toegepast op verschillende nanofonische componenten uit micro / nanovezels te maken en kunnen worden aangepast aan andere nanofabricage processen.
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. Demonstration of a spaser-based nanolaser. Nature. 460, 1110-1112 (2009).
- 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).
