La fabricación de 1-D de cristal fotónico cavidad en un nanofibras Uso de ablación inducida por láser de femtosegundo

Resumen

Se presenta un protocolo para la fabricación de cavidades de cristal fotónico 1-D en fibras de sílice de diámetro sublongitud de onda (nanofibras ópticas) utilizando femtosegundo ablación inducida por láser.

Resumen

Se presenta un protocolo para la fabricación de 1-D de cristal fotónico (APS) en cavidades sublongitud de onda de diámetro fibras ópticas afiladas, nanofibras ópticas, utilizando femtosegundo ablación inducida por láser. Se demuestra que miles de periódicos nano-cráteres se fabrican en una nanofibra óptica irradiando con un solo pulso de láser de femtosegundo. Para una muestra típica, nano-cráteres periódicas con un período de 350 nm y con un diámetro que varía gradualmente desde 50 hasta 250 nm en una longitud de 1 mm se fabrican en una de nanofibras con un diámetro de alrededor de 450 a 550 nm. Un aspecto clave de la nanofabricación de este tipo es que la nanofibra en sí actúa como una lente cilíndrica y enfoca el haz láser de femtosegundo en su superficie sombra. Por otra parte, la fabricación de un solo tiro lo hace inmune a las inestabilidades mecánicas y otras imperfecciones de fabricación. Tales periódicas nano-cráteres en nanofibras, actúan como un 1-D APS y permiten la reflexión fuerte y de banda ancha mientras se mantiene la alta transmisión de la banda de parada. También se presenta un método para controlar el perfil de la matriz de nano-cráter de fabricar cavidades fotónico apodizada y defectos inducidos en la nanofibra. La fuerte confinamiento del campo, tanto transversal como longitudinal, en las cavidades de APS de nanofibras y la integración eficiente de las redes de fibra, puede abrir nuevas posibilidades para aplicaciones nanofotónicos y ciencia de la información cuántica.

Introducción

confinamiento fuerte de la luz en los dispositivos nanofotónicos ha abierto nuevas fronteras en la ciencia óptica. Tecnologías de nanofabricación modernas han permitido la fabricación de cristal fotónico 1-D y 2-D (APS) cavidades para nuevas perspectivas en la acción láser ^{1, 2} y detección de aplicaciones de conmutación óptica ^3. Por otra parte, una fuerte interacción luz-materia en estas cavidades APS ha abierto nuevas vías para la ciencia de la información cuántica ^4. Aparte de cavidades APS, nanocavidades plasmónicas también han mostrado prometedoras perspectivas ^{5, 6, 7.} Sin embargo, la interconexión tales cavidades a la red de comunicación basada en fibra sigue siendo un reto.

En los últimos años, la fibra óptica de modo único cónico con un diámetro de sublongitud de onda, conocido como nanofibras óptico, ha surgido como un dispositivo nanofotónicos prometedor. Debido a la fuerteconfinamiento transversal del campo de nanofibras guiado y la capacidad de interactuar con el medio circundante, la nanofibra es ampliamente adaptado e investigado para varias aplicaciones nanofotónicos ^8. Aparte de eso, también es fuertemente investigado e implementado para la manipulación cuántica de la luz y la materia ^9. Acoplamiento eficiente de la emisión de los emisores cuántica, como pocos átomos individuales / enfriados por láser y puntos cuánticos individuales, en los modos de nanofibras guiada se ha estudiado y demostrado ^{10, 11, 12, 13, 14, 15.} La interacción luz-materia en nanofibras puede mejorarse significativamente mediante la aplicación de estructura de la cavidad PhC en la nanofibra ^{16, 17.}

La ventaja clave para sUCH un sistema es la tecnología de fibra-en-línea que se puede integrar fácilmente en la red de comunicación. La transmisión de luz del 99,95% a través de la nanofibra cónico ha sido demostrada ^18. Sin embargo, la transmisión de nanofibras es extremadamente susceptible al polvo y contaminación. Por lo tanto, la fabricación de la estructura PhC en nanofibras utilizando la técnica de nanofabricación convencional no es muy fructífera. Aunque la fabricación de nanofibras cavidad en el uso de la molienda Focused Ion Beam (FIB) se ha demostrado ^{19, 20,} la calidad óptica y la reproducibilidad no es tan alta.

En este protocolo de vídeo, se presenta una técnica recientemente demostrada ^{21, 22} cavidades para fabricar nanofibras fotónico en el uso de la ablación con láser de femtosegundo. Las fabricaciones se realizan mediante la creación de un patrón de interferencia de dos haces del láser de femtosegundo en la nanofibra y irradiating un único pulso de láser de femtosegundo. El efecto de lente de la nanofibra juega un papel importante en la viabilidad de estas técnicas, la creación de cráteres de ablación en la superficie de la sombra de nanofibras. Para una muestra típica, nano-cráteres periódicas con un período de 350 nm y con un diámetro que varía gradualmente desde 50 hasta 250 nm en una longitud de 1 mm se fabrican en una de nanofibras con un diámetro de alrededor de 450 a 550 nm. Tales periódicas nano-cráteres en nanofibras, actúan como un 1-D APS. También se presenta un método para controlar el perfil de la matriz de nano-cráter de fabricar cavidades fotónico apodizada y defectos inducidos en la nanofibra.

Un aspecto clave de tales nanofabricación es la fabricación de todo óptico, por lo que la alta calidad óptica se puede mantener. Por otra parte, la fabricación se realiza por la irradiación de un solo pulso de láser de femtosegundo, haciendo que el inmune técnica a inestabilidades mecánicas y otras imperfecciones de fabricación. También esto permite la producción propia de la APS nanocavidad de fibra de modo que la probabilidad de contaminación puede ser minimizado. Este protocolo está destinado a ayudar a los demás implementar y adaptar este nuevo tipo de técnica de nanofabricación.

La Figura 1a muestra el diagrama esquemático de la configuración de la fabricación. Los detalles de los procedimientos de configuración de la fabricación y de la alineación se discuten en ^{21, 22.} Un láser de femtosegundos con 400 nm de longitud de onda central y 120 fs ancho de pulso es incidente en una máscara de fase. La máscara de fase divide el haz láser de femtosegundo a 0 y ± 1 órdenes. Un bloque de haz se utiliza para bloquear el haz de 0 orden. Los espejos plegables simétricamente recombinan las ± 1-pedidos en la posición de nanofibras, para crear un patrón de interferencia. El tono de la máscara de fase es de 700 Nm, por lo que el patrón de interferencia tiene un paso (Λ _G) de 350 nm. La lente cilíndrica se enfoca el haz de láser de femtosegundo lo largo de la nanofibra. El tamaño del haz a través de (eje Y)y a lo largo (eje Z) de la nanofibra es 60 micras y 5,6 mm, respectivamente. La fibra cónica está montado en un soporte equipado con actuador piezoeléctrico (PZT) para estirar la fibra. Una cubierta superior con la placa de vidrio se utiliza para proteger la nanofibra de polvo. El titular de la fibra cónica se fija en un banco de fabricación equipado con la traducción (XYZ) y las etapas de rotación (θ). El θ-etapa permite la rotación de la muestra de nanofibras en el plano YZ. El X-etapa también puede controlar los ángulos de inclinación a lo largo de XY y XZ. Una cámara CCD se coloca a una distancia de 20 cm de la nanofibra y en un ángulo de 45 ° en el plano XY para controlar la posición de nanofibras. Todos los experimentos se llevan a cabo dentro de una cabina limpia equipado con filtro HEPA (High Efficiency Particulate detención) filtros para lograr condiciones libres de polvo. condición de libre de polvo es esencial para mantener la transmisión de la nanofibra.

Figura 1b muestra el esquema de las mediciones ópticas. Durante la fabricación, las propiedades ópticas son monitoreados brevemente por el lanzamiento de una banda ancha (longitud de onda: el 700 - 900 nm) de fuente de luz de fibra acoplada en la fibra cónica y medir el espectro de la luz transmitida y reflejada utilizando analizador de espectros de alta resolución. Una fuente de láser sintonizable CW se utiliza para resolver adecuadamente los modos de la cavidad y para medir la transmisión cavidad absoluta.

Se presenta el protocolo para la fabricación y caracterización. La sección del protocolo se divide en tres subsecciones, preparación de nanofibras, de fabricación láser de femtosegundo y caracterización de las muestras fabricadas.

Protocolo

PRECAUCIÓN: Use gafas de seguridad y evitar estrictamente la exposición directa a la lámpara UV y todos los láseres, incluyendo el láser de femtosegundo. Use un traje de sala limpia y guantes para evitar la contaminación. Desechar la basura cualquier fibra adecuada en la caja de basura designada.

1. Preparación de nanofibras

1. Utilice una stripper recubrimiento de fibra para despojar a la camisa de polímero de la fibra óptica monomodo en una longitud de 5 mm en dos lugares separados por 200 mm. Limpiar las dos partes peladas mecánicamente utilizando sala limpia trapo mojado en metanol. Sumergir la fibra entre estas dos partes despojados en acetona. Esperar durante 10 - 15 min hasta que la chaqueta de la fibra se desmorone. Sacar la fibra a partir de acetona y limpiar toda la parte desnuda usando sala limpia del trapo humedecido en metanol.
2. Establecer la fibra eliminado en las dos etapas del nanofibras Instrumento óptico Fabricación (onme) para fabricar el nanofibras.
   1. Lanzar el láser sonda en la fibra y vigilar la transmission utilizando el fotodiodo y registrar los datos de transmisión en el ordenador utilizando la tarjeta ADC. Iniciar el flujo de gas mediante el software onme y encender la llama. Cargar el parámetro pre-optimizado en el software onme para la fabricación de fibra cónica con el diámetro de la cintura de 500 nm e iniciar el proceso de fabricación.
      NOTA: El onme es un dispositivo disponible en el mercado, diseñados para fabricar fibras ópticas afiladas utilizando la técnica de calor y tracción estándar. Utiliza oxhídrico llama para calentar la fibra y dos etapas motorizados para tirar de la fibra. El flujo de gas y los movimientos de la etapa están controlados por programa de ordenador. Los parámetros pre-optimizado se pueden obtener del proveedor, a petición especial.
3. Después de la fabricación, coger la fibra cónica al titular de nanofibras mediante el epoxi curable UV. Cubrir el titular de nanofibras utilizando la cubierta superior con la placa de vidrio (que se muestra en la Figura 1a). Coloque la muestra dentro de una caja limpia y traslado al femtosegundo launidad Ser fabricación.

2. Fabricación de femtosegundo Láser

1. La alineación de la instalación de fabricación
   1. Poner una placa de vidrio en el banco de fabricación a una altura de 15 mm. Irradiar el láser de femtosegundo durante 5 s en la energía de pulso de 1 mJ. Identificar el láser de femtosegundo inducida por la ablación de la generación de luz blanca, y la aparición del patrón de ablación como daños línea sobre la placa de vidrio.
   2. Repetir el procedimiento cambiando la altura de la placa de vidrio usando el X-etapa del banco de fabricación. Para cada fabricación, traducir el Y-etapa del banco de fabricación por 1 mm para que la fabricación en una nueva posición.
   3. Encuentra la altura de la línea de ablación más fuerte. En esta posición, ajustar el ángulo de inclinación y la posición de uno de los espejos plegables para maximizar la ablación. Además, ajustar la inclinación de la X-etapa del banco de fabricación para maximizar la ablación.
      NOTA: El ángulo de inclinación del espejo plegable se sintoniza USIng de los mandos de ajuste de soporte del espejo cinemáticas y la posición del espejo se sintoniza mediante la traducción de la Z-escenario en el que se monta.
   4. Después de la optimización, marcar la posición de la línea de ablación en el software de la cámara CCD y retire la placa de vidrio.
      NOTA: El software de control para la cámara CCD permite la captura de imágenes y las marcas de dibujo de la imagen capturada. También permite guardar los datos de la imagen capturada y las marcas. Dado que el X-etapa del banco de fabricación no tiene referencia de posición absoluta, la imagen CCD se utiliza como la referencia de posición en el eje X. La resolución de la imagen del CCD es de 10 m por píxel.
   5. Uso de la -coater platino (Pt), capa la placa de vidrio durante 60 s para depositar una capa de 25 nm de Pt sobre la placa de vidrio. Image el patrón de ablación en la placa de vidrio usando un microscopio electrónico de barrido (SEM). Si el patrón de ablación muestra estructura periódica con un periodo de 350 nm (el patrón de franjas de interferencia esperada), entonces el alignment está optimizado. Otra cosa repetir el procedimiento (de la etapa 2.1.1 - 2.1.4) para energías de impulso menor (hasta 300 mu J) hasta que un patrón de ablación periódica se ve.
2. La fabricación de la cavidad PhC apodizada
   1. Coloque la fibra cónica en el banco de fabricación de aproximadamente paralela a la línea de ablación marcado en la cámara CCD.
   2. Enviar un láser sonda (potencia = 1 mW) a través de la fibra cónico y observar la dispersión de la fibra cónica de la cámara CCD. La parte más fuerte de dispersión corresponde a la región de nanofibras debido a su diámetro sublongitud de onda.
   3. Traducir el Z-etapa del banco de fabricación para centrar la nanofibra a la posición de la línea de ablación marcado en la cámara CCD.
   4. Apagar el láser sonda y irradiar el láser de femtosegundos con la energía de impulso mínima (<10 mu J). Traducir Y-etapa para solapar el nanofibras con el haz de láser de femtosegundo. La superposición se identifica por la iluminación de la nanofibra, observed en la cámara CCD.
      NOTA: El nanofibras está ahora alineado con respecto al haz de láser de femtosegundo a lo largo de Y y del eje Z.
   5. Con el fin de alinear el nanofibras a lo largo del eje X, X-traducir el escenario para solapar la posición de nanofibras a la posición de la línea de ablación marcado en la cámara CCD.
   6. Traducir el Y-etapa para maximizar el solapamiento de nanofibras con el láser de femtosegundo. Observar el reflejo de las dos primeras órdenes de la nanofibra (aparece como dos manchas brillantes en la placa de cristal de la cubierta superior). Observar el movimiento de estos puntos de reflexión, mientras que la traducción de la Y-etapa de ida y vuelta.
      NOTA: Si estos puntos se mueven hacia un lado y después de nanofibras no es paralela a la línea de ablación. En este caso, gire la etapa de rotación para hacer la nanofibra paralelo a la línea de ablación. Cuando están en paralelo, los puntos de reflexión aparecerán como un flash.
   7. Después de hacer la nanofibra paralela a la línea de ablación, traducir el Y-etapa para maximizar elsolaparse entre el haz de láser de femtosegundo y nanofibras, mediante la medición de la potencia del láser de femtosegundo dispersos en los modos de nanofibras guiada utilizando un fotodiodo en el extremo de la fibra estrechada. Después de maximizar la superposición, rotar la fase de rotación para el ángulo de fabricación θ = 0.5 deg.
      NOTA: Para obtener la máxima coincidencia entre el rayo láser de femtosegundos y nanofibras, uno esperaría que la potencia de la luz láser de femtosegundo dispersos en los modos de nanofibras guiada al ser maximizada.
   8. Bloquear el láser de femtosegundos con el medidor de potencia y ajustar la energía de impulso a 0,27 mJ. Cambie la configuración láser de femtosegundos al modo de la irradiación de un solo tiro.
      NOTA: En este modo, sólo se genera un pulso cuando se pulsa el interruptor de fuego, de lo contrario no hay salida del láser.
      1. Retire el medidor de potencia de la trayectoria del rayo láser y disparar un solo pulso de láser de femtosegundo. Esto completa el proceso de fabricación.
3. Fabricatien de la cavidad PhC defecto inducida
   1. Comprobar la alineación de la configuración mediante la observación de la ablación en una placa de vidrio como se describe en la sección 2.1. Después de encontrar la altura de la línea de ablación más fuerte, insertar un alambre de cobre 0,5 mm en el centro del haz de láser antes de la máscara de fase. El alambre de cobre debe ser lo largo del eje Y (perpendicular a la línea de ablación).
   2. Compruebe el patrón de ablación en la placa de vidrio mientras se cambia la posición del alambre de cobre a lo largo del eje z. Fijar la posición del hilo de cobre cuando el patrón de ablación muestra una sola abertura en el centro de la línea de ablación.
   3. Después de la alineación, realice la fabricación láser de femtosegundo en la nanofibra siguiendo el procedimiento detallado en el apartado 2.2. Para esta fabricación, ajuste el ángulo de la fabricación de theta = 0 grados.

3. Caracterización de las muestras Fabricados

1. Medición de las propiedades ópticas
   1. Preparar la SETUP para las mediciones ópticas como se muestra en la Figura 1b. Poner en marcha la fuente de luz de banda ancha en la fibra cónico y medir el espectro de transmisión y reflexión antes y después de la fabricación usando el analizador de espectro. Después de la fabricación, el espectro de transmisión mostrará una banda de detención que corresponde a la resonancia de Bragg de la muestra fabricada.
   2. Girar las palas del polarizador de fibra en línea para seleccionar la polarización y tomar los espectros para dos polarizaciones ortogonales X e Y-pol-pol.
      NOTA: Para el X-pol (polarización a lo largo de los nano-cráteres) la banda de detención será desplazada al azul ²¹ (en dirección a la longitud de onda más corta) y la dispersión de la nanofibra será más fuerte. Por lo tanto, seleccionar las polarizaciones examinado el espectro y la cámara CCD.
   3. Para una de las polarizaciones, tomar los espectros de transmisión por el estiramiento de la fibra cónica usando el PZT (que se muestra en la Figura 1b). Tome los espectros por stretching la fibra cónica en pasos de 2 micras hasta que la longitud de estiramiento máximo de 20 micras (limitado por el alcance de detección PZT). Observe que la resonancia de Bragg será desplazada al rojo (hacia la longitud de onda más larga) por el estiramiento de la fibra estrechada. A partir de estos espectros, se calcula el cambio de la resonancia de Bragg, por unidad de estiramiento longitud.
   4. Para la resolución de los modos de la cavidad y la medición de la transmisión cavidad absoluta, utilice la fuente de láser sintonizable CW. Lanzar el láser en la fibra cónica y supervisar la transmisión usando un fotodiodo.
   5. Establecer la longitud de onda del láser hasta el borde del lado rojo de la banda de parada para Y-pol y utilizar el polarizador fibra de línea para minimizar la transmisión. De esta manera, el componente X-pol se suprime y se selecciona sólo el Y-pol. Establecer la longitud de onda del láser de más lejos de la banda de borde lateral rojo y grabar la transmisión mientras se estira la fibra cónica 0-20 micras.
      1. Repita la medición cambiando el láser wavelength a lado azul en pasos de 0,3 nm hasta que toda la banda de detención está cubierto. A partir de estos datos, reconstruir todo el espectro usando los datos para el turno de resonancia por unidad de estiramiento longitud medida en la etapa 3.1.3.
         NOTA: Para obtener una muestra típica, la banda de rechazo (resonancia de Bragg), junto con los modos de la cavidad turnos de 2 nm por el estiramiento de la fibra cónica de 20 micras y el típico rango espectral libre para los modos de la cavidad son entre 0,05 - 0,5 Nm. Para una longitud de onda dada de la entrada de láser se puede medir al menos 3 - 4 modos de la cavidad por el estiramiento de la fibra estrechada. La separación de frecuencia entre los modos se deduce de los datos para el cambio de la resonancia de estiramiento por unidad de longitud medida en la etapa 3.1.3. La repetición de la medición al cambiar la longitud de onda de láser en pasos de 0,3 nm, al menos 2 - 3 modos de cavidad consecutivos se vuelven a medir en las mediciones sucesivas. Uno puede reconstruir todo el espectro mediante la superposición de los datos de transmisión para las mediciones sucesivas mientras esteraChing posición de la re-medido modos de la cavidad.
   6. Ahora medir el espectro de la otra polarización usando un procedimiento similar a la mencionada en los pasos 3.1.5 y 3.1.5.1.
2. Imágenes de la muestra fabricada
   1. Coloque la muestra fabricada sobre una placa metálica 2 cm de largo y fijar los dos extremos de la fibra cónica de la placa de metal por medio de UV epoxi curable. Asegúrese de que el lado de la irradiación de la muestra se enfrenta a la placa de metal de manera que el lado de la sombra se pueden obtener imágenes.
   2. Utilice el Pt-coater para recubrir la muestra durante 30 s y depositar una capa de Pt con un espesor de alrededor de 10 nm. Coloque la muestra en el SEM. Tomar la imagen SEM de la muestra a cada 0,1 mm sobre toda la región fabricado.

Resultados

La Figura 2 muestra la imagen SEM de un segmento típico de la muestra de nanofibras fabricado. Esto demuestra que periódicos nano-cráteres se forman en el lado de sombra de la nanofibra, con una periodicidad de 350 nm correspondientes bien a la red de interferencia. El recuadro muestra la vista ampliada de la muestra. La forma de los nano-cráteres es casi circular y el diámetro de un típico nano-cráter es de alrededor de 210 nm.

Discusión

El efecto de lente de la nanofibra juega un papel importante en la técnica de fabricación, creando de esta manera nano-cráteres en la superficie de la sombra de nanofibras (que se muestra en la Figura 2). El efecto de lente de la nanofibra también hace que el proceso de fabricación robusta para cualquier inestabilidades mecánicas en la dirección transversal (eje Y). Por otra parte, debido a la irradiación de un solo disparo, las inestabilidades a lo largo de los otros ejes no afectan a la fabric...

Materiales

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