Fabrication de 1-D Cristal Photonique Cavity sur un nanofibres utilisant Ablation laser femtoseconde induite

Résumé

Nous présentons un protocole de fabrication de 1-D cavités à cristaux photoniques sur des fibres de silice de diamètre Subwavelength (des nanofibres optiques) en utilisant femtoseconde ablation induite par laser.

Résumé

Nous présentons un protocole de fabrication de 1-D Cristal Photonique (PhC) cavités sur Subwavelength diamètre des fibres optiques effilées, nanofibres optiques, en utilisant femtoseconde ablation induite par laser. Nous montrons que des milliers de nano-cratères périodiques sont fabriqués sur une nanofibre optique en irradiant avec juste une impulsion laser femtoseconde unique. Pour un exemple typique, les nano-cratères périodiques avec une période de 350 nm et ayant un diamètre variant progressivement de 50 à 250 nm sur une longueur de 1 mm sont fabriqués sur une nanofibres avec un diamètre d'environ 450 - 550 nm. Un aspect important d'un tel nanofabrication est que la nanofibre lui-même agit comme une lentille cylindrique focalise le faisceau laser femtoseconde sur sa surface d'ombre. En outre, la fabrication à un coup, il est à l'abri des instabilités mécaniques et autres imperfections de fabrication. Ces nano-cratères périodiques sur nanofibres, agissent comme un 1-D PhC et permettent une réflexion forte et à large bande tout en maintenant la haute transmission sur la bande d'arrêt. Nous présentons également une méthode pour contrôler le profil de la matrice de nano-cratère pour fabriquer des cavités PhC apodisées et induite par défaut sur la nanofibre. Le fort confinement du champ, à la fois transversale et longitudinale, dans les cavités PhC à base de nanofibres et l'intégration efficace des réseaux de fibre optique, peut ouvrir de nouvelles possibilités pour les applications nanophotoniques et information quantique.

Introduction

Forte confinement de la lumière dans les dispositifs nanophotoniques a ouvert de nouvelles frontières en science optique. Technologies de nanofabrication modernes ont permis la fabrication de 1-D et 2-D Cristal Photonique (PhC) cavités pour de nouvelles perspectives en ¹ effet laser, détection ² et les applications de commutation optique ^3. En outre, une forte interaction lumière-matière dans ces cavités PhC a ouvert de nouvelles voies pour l' information quantique ^4. En dehors des cavités PhC, nanocavités plasmoniques ont également montré des perspectives prometteuses ^{5, 6, 7.} Cependant, l'interfaçage de telles cavités à un réseau de communication à base de fibres reste un défi.

Ces dernières années, la fibre optique monomode conique avec un diamètre de Subwavelength, connu sous le nom de nanofibres optique, a émergé comme un dispositif nanophotonique prometteur. En raison de la fortele confinement transversal du champ de nanofibres guidée et la capacité d'interagir avec le milieu environnant, la nanofibre est largement étudiée et adaptée pour diverses applications nanophotoniques ^8. En dehors de cela, il est également fortement étudié et mis en œuvre pour la manipulation quantique de la lumière et de la matière ^9. Un couplage efficace de l' émission à partir des émetteurs quantiques tels que , quelques atomes uniques / refroidis par laser et des points quantiques individuels, dans les modes de nanofibres guidée a été étudiée et a démontré ^{10, 11, 12, 13, 14, 15.} L'interaction lumière-matière sur nanofibres peut être considérablement améliorée par la mise en œuvre la structure de la cavité PhC sur le nanofibres ^{16, 17.}

L'avantage clé pour sette un système est la technologie de fibre optique en ligne qui peut être facilement intégré au réseau de communication. Transmission de la lumière de 99,95% par le nanofibres conique a été démontrée ^18. Cependant, la transmission de nanofibres est extrêmement sensible à la poussière et la contamination. Par conséquent, la fabrication de la structure PhC sur nanofibres en utilisant la technique de nanofabrication classique est pas très fructueuse. Bien que la cavité de fabrication sur nanofibres en utilisant Focused Ion Beam (FIB) fraisage a été démontrée ^{19, 20,} la qualité optique et la reproductibilité est pas aussi élevé.

Dans ce protocole vidéo, nous présentons un récemment démontré ^{21, 22} technique pour fabriquer des cavités PhC sur nanofibres en utilisant ablation laser femtoseconde. Les fabrications sont réalisées en créant un motif d'interférence à deux faisceaux du laser femtoseconde sur la nanofibre et IRRADiating une impulsion laser femtoseconde unique. L'effet de lentille de la nanofibre joue un rôle important dans la faisabilité de ces techniques, en créant des cratères d'ablation sur la surface de l'ombre de la nanofibre. Pour un exemple typique, les nano-cratères périodiques avec une période de 350 nm et ayant un diamètre variant progressivement de 50 à 250 nm sur une longueur de 1 mm sont fabriqués sur une nanofibres avec un diamètre d'environ 450 - 550 nm. Ces nano-cratères périodiques sur nanofibres, agissent comme un 1-D PhC. Nous présentons également une méthode pour contrôler le profil de la matrice de nano-cratère pour fabriquer des cavités PhC apodisées et induite par défaut sur la nanofibre.

Un aspect clé de cette nanofabrication est la fabrication tout optique, de sorte que la qualité optique élevée peut être maintenue. En outre, la fabrication est effectuée par l'irradiation d'une simple impulsion laser femtoseconde unique, ce qui rend le système immunitaire à des instabilités mécaniques et autres imperfections de fabrication. Aussi ce qui permet la production interne de PhC nanola cavité de la fibre de telle sorte que la probabilité de contamination peut être réduit au minimum. Ce protocole est destiné à aider les autres à mettre en œuvre et d'adapter ce nouveau type de technique de nanofabrication.

La figure 1a montre le schéma de principe de l'installation de fabrication. Les détails des procédures de configuration de fabrication et d' alignement sont discutés dans ^{21, 22.} Laser femtoseconde à 400 nm de longueur d'onde centrale de 120 fs et la largeur d'impulsion est incidente sur un masque de phase. Le masque de phase se divise le faisceau laser femtoseconde à 0 et ± 1 ordres. Un bloc de faisceau est utilisé pour bloquer le faisceau d'ordre 0. Les rétroviseurs rabattables recombinent symétriquement ± 1-commandes à la position de nanofibres, pour créer un motif d'interférence. Le pas du masque de phase est de 700 nm, de sorte que le motif d'interférence présente un pas (Λ _G) de 350 nm. La lentille cylindrique focalise le faisceau laser femtoseconde sur la nanofibre. La taille du faisceau à travers (axe Y)et le long (axe Z), la nanofibre est de 60 pm et 5,6 mm, respectivement. La fibre conique est montée sur un support muni d'actionneur piézo-électrique (PZT) pour étirer la fibre. Un couvercle supérieur avec plaque de verre est utilisé pour protéger le nanofibres de la poussière. Le titulaire avec la fibre conique est fixé sur un banc de fabrication équipé de traduction (XYZ) et rotation (θ) étapes. La θ-étape permet la rotation de l'échantillon de nanofibres dans le plan YZ. Le X-étape peut également contrôler les angles d'inclinaison le long XY- et XZ. Une caméra CCD est placée à une distance de 20 cm de la nanofibre et à un angle de 45 ° dans le plan XY pour surveiller la position de nanofibres. Toutes les expériences sont effectuées à l'intérieur d'une cabine propre équipée HEPA (de blocage de particules à haute efficacité) filtres pour obtenir des conditions sans poussière. état sans poussière est essentielle pour maintenir la transmission de la nanofibre.

Figure 1b montre le schéma des mesures optiques. Lors de la fabrication, les propriétés optiques sont brièvement suivis par le lancement d'une large bande (plage de longueur d'onde: 700-900 nm) source lumineuse à fibre couplée dans la fibre conique et mesurer le spectre de la lumière transmise et réfléchie en utilisant un analyseur de spectre à haute résolution. Une source laser accordable en ondes entretenues est utilisé pour résoudre correctement les modes de cavité et pour mesurer la transmission de la cavité absolue.

Nous présentons le protocole pour la fabrication et la caractérisation. La section de protocole est divisé en trois sous-sections, préparation de nanofibres, femtoseconde fabrication laser et de caractérisation des échantillons fabriqués.

Protocole

ATTENTION: Porter des lunettes de sécurité et éviter strictement l'exposition directe à la lampe UV et tous les lasers, y compris le laser femtoseconde. Portez une combinaison et des gants de salle blanche pour éviter toute contamination. Éliminer tous les déchets de fibre correctement dans la boîte de poubelle désignée.

1. Préparation de nanofibres

1. Utiliser un décapant de revêtement de fibre pour enlever l'enveloppe de polymère de la fibre optique monomode pour une longueur de 5 mm, en deux endroits séparés par 200 mm. Nettoyer les deux parties dénudées mécaniquement par cleanroom Essuyez trempées dans du méthanol. Trempez la fibre entre ces deux parties dénudées dans de l'acétone. Attendre 10 - 15 min jusqu'à ce que la gaine de la fibre se désagréger. Sortez la fibre à partir d'acétone et de nettoyer toute la partie dénudée en utilisant cleanroom lingette trempé dans du méthanol.
2. Réglez la fibre dénudée sur les deux étapes du nanofibres optique Fabrication Equipment (ONME) pour fabriquer le nanofibres.
   1. Lancer le laser de la sonde dans la fibre et de surveiller la transmission en utilisant la photodiode et d'enregistrer les données de transmission à l'ordinateur en utilisant la carte ADC. Démarrez le flux de gaz en utilisant le logiciel ONME et allumer la flamme. Chargez le paramètre pré-optimisé dans le logiciel ONME pour la fabrication de la fibre effilée avec un diamètre de taille de 500 nm et de commencer le processus de fabrication.
      NOTE: Le ONME est un dispositif disponible dans le commerce, conçues pour fabriquer des fibres optiques effilées en utilisant la technique de la chaleur et de traction standard. Il utilise une flamme oxhydrique pour chauffer la fibre et deux étapes motorisées pour tirer la fibre. Le flux gazeux et les mouvements de scène sont commandés par un programme informatique. Les paramètres de pré-optimisés peuvent être obtenus auprès du fournisseur, sur demande spéciale.
3. Après la fabrication, la capture de la fibre effilée sur le support de nanofibres en utilisant l'époxyde durcissable aux UV. Couvrir le support de nanofibres en utilisant le capot supérieur avec plaque de verre (représentée sur la figure 1a). Mettre l'échantillon dans une boîte propre et transférer à la femtoseconde launité ser de fabrication.

2. Fabrication laser femtoseconde

1. L'alignement de l'installation de fabrication
   1. Mettez une plaque de verre sur le banc de fabrication à une hauteur de 15 mm. Irradier le laser femtoseconde pour 5 s à l'énergie d'impulsion de 1 mJ. Identifier le laser femtoseconde induite par l'ablation de la génération de la lumière blanche, et l'apparition de motif d'ablation en dommages-ligne sur la plaque de verre.
   2. Répéter la procédure en modifiant la hauteur de la plaque de verre en utilisant le X-étape du banc de fabrication. Pour chaque fabrication, traduire le Y-étape du banc de fabrication de 1 mm pour rendre la fabrication dans une nouvelle position.
   3. Trouvez la hauteur de la ligne d'ablation la plus forte. A cette position, ajuster l'angle d'inclinaison et la position de l'un des miroirs de pliage afin de maximiser l'ablation. Aussi, affiner l'inclinaison de la X-étape du banc de fabrication afin de maximiser l'ablation.
      REMARQUE: L'angle d'inclinaison du miroir de pliage est accordé using les cinématiques porte-miroir boutons de réglage et la position du miroir est réglé en traduisant le Z-scène sur laquelle il est monté.
   4. Après l'optimisation, marquer la position de la ligne d'ablation sur le logiciel de la caméra CCD et retirer la plaque de verre.
      REMARQUE: Le logiciel de contrôle de la caméra CCD permet la capture d'image et les marques de dessin sur l'image capturée. Elle permet également d'enregistrer les données de l'image capturée et les marquages. Étant donné que la phase X du banc de fabrication n'a pas absolue référence de position, l'image CCD est utilisée comme référence de position sur l'axe des abscisses. La résolution de l'image CCD est de 10 um par pixel.
   5. En utilisant la -coater platine (Pt), enduire la plaque de verre pendant 60 secondes pour déposer une couche de 25 nm de Pt sur la plaque de verre. L'image du motif d'ablation de la plaque de verre à l'aide d'un microscope électronique à balayage (MEB). Si le motif d'ablation montre structure périodique avec une période de 350 nm (le motif de franges d'interférence attendu), puis l'alignment est optimisée. Sinon répéter la procédure (de l'étape 2.1.1 - 2.1.4) pour les énergies d'impulsions inférieures (vers le bas à 300 pJ) jusqu'à un motif d'ablation périodique est vu.
2. Fabrication de la cavité PhC apodisée
   1. Placer la fibre effilée sur le banc à peu près parallèle à la ligne d'ablation est indiqué sur la caméra CCD de fabrication.
   2. Envoyer un laser de sonde (puissance = 1 mW) à travers la fibre conique et d'observer la diffusion de la fibre effilée sur la caméra CCD. La partie la plus forte de diffusion correspond à la région de nanofibres en raison de son diamètre SWC.
   3. Traduire le Z-étape du banc de fabrication pour centrer la nanofibre à la position de la ligne d'ablation marquée sur la caméra CCD.
   4. Eteindre le laser de la sonde et irradier le laser femtoseconde avec une énergie d'impulsion minimale (<10 pJ). Traduire platine Y pour recouvrir la nanofibre avec le faisceau laser femtoseconde. Le chevauchement est identifié par l'illumination de la nanofibre, obsdé- laissées sur la caméra CCD.
      NOTE: Le nanofibres est maintenant aligné par rapport au faisceau laser femtoseconde selon Y et l'axe Z.
   5. Afin d'aligner la nanofibre le long de l'axe X, X traduire la scène pour chevaucher la position de nanofibres à la position de la ligne d'ablation marquée sur la caméra CCD.
   6. Traduire la platine Y afin de maximiser le recouvrement des nanofibres avec le laser femtoseconde. Observez la réflexion des deux premiers ordres du nanofibres (apparaît comme deux points lumineux sur la plaque de verre du capot supérieur). Observer le mouvement de ces points de réflexion tout en traduisant la platine Y avant et en arrière.
      NOTE: Si ces taches se déplacent vers un côté puis nanofibres est pas parallèle à la ligne d'ablation. Dans ce cas, faire tourner la phase de rotation pour rendre le nanofibres parallèle à la ligne d'ablation. Quand ils sont parallèles, les taches de réflexion apparaissent comme un flash.
   7. Après avoir effectué la nanofibre parallèle à la ligne d'ablation, traduire la platine Y pour maximiser lachevauchement entre le faisceau laser femtoseconde et nanofibres, en mesurant la puissance du laser femtoseconde dispersés dans les modes de nanofibres guidé à l'aide d'une photodiode à l'extrémité de la fibre effilée. Après maximiser le chevauchement, faire tourner la phase de rotation à l'angle de fabrication θ = 0,5 deg.
      NOTE: Pour chevauchement maximal entre le faisceau laser femtoseconde et nanofibres, on peut s'y attendre de la puissance de la lumière laser femtoseconde dispersés dans les modes de nanofibres guidée à être maximisée.
   8. Bloquer le laser femtoseconde avec le compteur de puissance et régler l'énergie d'impulsion à 0,27 mJ. Modifiez les paramètres du laser femtoseconde au mode d'irradiation unique-shot.
      NOTE: Dans ce mode, une seule impulsion est générée lorsque le feu-interrupteur est enfoncé, sinon il n'y a pas de sortie de laser.
      1. Retirer l'appareil d'alimentation de la trajectoire du faisceau laser et déclenche une impulsion laser femtoseconde unique. Ceci complète le processus de fabrication.
3. Fabricatisur de la cavité induite par PhC défauts
   1. Vérifiez l'alignement de l'installation en observant l'ablation sur une plaque de verre comme décrit dans la section 2.1. Après avoir trouvé la hauteur de la ligne d'ablation plus fort, insérer un fil de cuivre de 0,5 mm au centre du faisceau laser juste avant que le masque de phase. Le fil de cuivre doit être le long de l'axe Y (perpendiculaire à la ligne d'ablation).
   2. Vérifier le motif d'ablation sur la plaque de verre, tout en changeant la position du fil de cuivre le long de l'axe Z. Fixer la position du fil de cuivre lorsque le motif d'ablation montre un écart unique au centre de la ligne d'ablation.
   3. Après l'alignement, effectuer la fabrication de laser femtoseconde sur le nanofibres suivant la procédure décrite dans la section 2.2. Pour cette fabrication, régler l'angle de la fabrication à thetav = 0 deg.

3. Caractérisation des échantillons Fabricated

1. Mesure des propriétés optiques
   1. Préparer le soitup pour les mesures optiques comme le montre la figure 1b. Lancez la source de lumière à large bande dans la fibre conique et mesurer le spectre de transmission et de réflexion avant et après la fabrication en utilisant l'analyseur de spectre. Après la fabrication, le spectre de transmission affiche une bande d'arrêt correspondant à la résonance de Bragg de l'échantillon fabriqué.
   2. Faites tourner les pales du polariseur en ligne de fibre pour sélectionner la polarisation et de prendre les spectres pour deux polarisations orthogonales X-pol et Y-pol.
      REMARQUE: Pour le X-pol (polarisation le long des nano-cratères) la bande d' arrêt sera décalée vers le bleu ²¹ (vers la longueur d' onde plus courte) et la dispersion de la nanofibres sera plus forte. Donc, sélectionnez les polarisations en regardant le spectre et la caméra CCD.
   3. Pour l' une des polarisations, prendre les spectres de transmission par l' étirement de la fibre effilée à l' aide du PZT (représentée sur la figure 1b). Prenez les spectres par stretching la fibre conique dans les étapes de 2 pm jusqu'à ce que la longueur d'étirement maximale de 20 pm (limité par la plage de balayage de PZT). Remarquez que la résonance de Bragg sera décalée vers le rouge (vers la longueur d'onde) en étirant la fibre conique. A partir de ces spectres, calculer le décalage de la résonance de Bragg, par unité de longueur d'étirement.
   4. Pour résoudre les modes de cavité et la mesure de la transmission de la cavité absolue, utilisez la source accordable laser CW. Lancer le laser dans la fibre conique et surveiller la transmission en utilisant une photodiode.
   5. Régler la longueur d'onde du laser rouge au bord latéral de la bande d'arrêt pour Y-pol et en utilisant le polariseur en ligne de la fibre pour réduire la transmission. De cette manière, le composant X-pol est supprimée et que le Y-pol est sélectionné. Régler la longueur d'onde du laser supplémentaire hors de la bande rouge bord latéral et d'enregistrer la transmission tout en étirant la fibre effilée 0-20 um.
      1. Répétez la mesure en changeant la Wavel laserONGUEUR bleu côté dans les étapes de 0,3 nm jusqu'à ce que toute bande d'arrêt est couvert. A partir de ces données, de reconstruire l'ensemble du spectre en utilisant les données pour le décalage de résonance par unité de longueur d'étirement mesurée à l'étape 3.1.3.
         NOTE: Pour un échantillon typique, la bande d'arrêt (Bragg résonance) ainsi que les modes de la cavité se décale de 2 nm en étirant la fibre effilée de 20 um et la gamme spectrale libre typique pour les modes de cavité sont entre 0,05 à 0,5 nm. Pour une longueur d'onde donnée du laser d'entrée, on peut mesurer au moins 3 - 4 modes de cavité en étirant la fibre effilée. L'espacement de fréquence entre les modes est déduit à partir des données pour le décalage de résonance par unité de longueur d'étirement mesurée à l'étape 3.1.3. Répéter la mesure en changeant la longueur d'onde du laser par pas de 0,3 nm, au moins 2 - 3 modes de cavité consécutifs sont de nouveau mesurés dans les mesures successives. On peut reconstruire l'ensemble du spectre en superposant les données de transmission pour les mesures successives tout en matla position ching des modes de cavité re-mesurée.
   6. Maintenant mesurer le spectre de l'autre polarisation en utilisant une procédure similaire à celle mentionnée dans les étapes 3.1.5 et 3.1.5.1.
2. Imagerie l'échantillon fabriqué
   1. Mettre l'échantillon fabriqué sur une plaque métallique 2 cm de long et fixer les deux extrémités de la fibre conique à la plaque de métal en utilisant UV époxy durcissable. Assurez-vous que le côté de l'irradiation de l'échantillon fait face à la plaque métallique de telle sorte que le côté de l'ombre peut être imagée.
   2. Utiliser le Pt-coucheuse pour enduire l'échantillon pendant 30 secondes et à déposer une couche de Pt ayant une épaisseur d'environ 10 nm. Placer l'échantillon dans la MEB. Prenez l'image SEM de l'échantillon à tous les 0,1 mm sur toute la région fabriquée.

Résultats

La figure 2 montre l'image MEB d'un segment typique de l'échantillon de nanofibres fabriqué. Il montre que les nano-cratères périodiques sont formées sur le côté de l'ombre de la nanofibre, avec une périodicité de 350 nm, correspondant bien à la configuration d'interférence. L'encart montre la vue agrandie de l'échantillon. La forme des nano-cratères est presque circulaire et le diamètre d'un nano-cratère typique est d'e...

Discussion

L'effet de lentille de la nanofibre joue un rôle important dans la technique de fabrication, en créant ainsi des nano-cratères sur la surface d'ombre de la nanofibre (représentée sur la figure 2). L'effet de lentille de la nanofibre rend également le procédé de fabrication robuste à tous les instabilités mécaniques dans la direction transversale (axe Y). En outre, en raison de l' irradiation à un coup, les instabilités le long des autres axes ne modifient pas la fabrication ...

matériels

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