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요약

우리는 펨토초 레이저 유발 절제하여 파장 이하 직경의 실리카 섬유 (나노 파이버 광)의 1-D 광결정 공동을 제조하는 프로토콜을 제시한다.

초록

우리는 펨토초 레이저 유발 절제하여 서브 파장 직경 테이퍼 광섬유, 광학 나노 파이버, 1-D 광결정 (PHC) 공동을 제조하는 프로토콜을 제시한다. 우리는주기적인 나노 분화구의 수천 단지 하나의 펨토초 레이저 펄스를 조사하여 광학 나노 섬유를 제조하는 것으로 나타났다. 전형적인 샘플의 경우, 점차적으로 50에서 다양한 직경 350 나노 미터와 함께 기간과주기적인 나노 분화구 - 550 nm의 - 1mm의 길이에 걸쳐 250 내지 450의 주위에 직경이 나노 섬유에 제조된다. 이러한 나노의 주요 양태는 나노 파이버 자체가 원통형 렌즈로서 작용하고 그림자 표면에 펨토초 레이저 빔을 초점을 맞추고있다. 또, 단발 제조 기계적 불안정성 등의 제조 결함으로는 면역한다. 나노 그러한 주기적 나노 크레이터는 1-D PHC 역할과 정지 대역에서 높은 투과율을 유지하면서 강력한 광대역 반사 있도록. 또한 나노 섬유에 apodized 결함 유도 PHC 공동을 제조하기 위해 나노 분화구 어레이의 프로파일을 제어하기위한 방법을 제시한다. 나노 섬유 기반 PHC 캐비티와 광 네트워크의 효율적인 통합 횡 방향 및 종 방향 양쪽 필드의 강한 제한은 나노 포토 닉 애플리케이션 양자 정보학의 새로운 가능성을 열고있다.

서문

나노 포토 닉 장치에서 빛의 강한 감금 광학 과학의 새로운 국경을 열었습니다. 현대 나노 기술 1 발진이 감지 광학 스위칭 애플리케이션 3의 1-D 및 2-D 광결정 (PHC) 새로운 잠재위한 공동의 제조를 사용할 수있다. 또한, 이러한 PHC 공동의 강한 빛 - 물질 상호 작용은 양자 정보 과학 4 새로운 길을 열었습니다. 그렇다 PHC 캐비티로부터 플라즈몬 nanocavities도 유망한 5, 6, 7에 도시 하였다. 그러나, 섬유 기반 통신 네트워크에 이러한 충치를 인터페이스하는 것은 도전 남아있다.

최근 몇 년 동안, 광학 나노 섬유로 알려진 서브 파장 직경과 테이퍼 단일 모드 광섬유, 유망 나노 포토 닉 장치로 떠오르고있다. 때문에 강한로나노 섬유 유도 필드와 주변 매질과 상호 작용하는 능력 횡 한정은 나노 널리 구성된 다양한 나노 포토 닉 애플리케이션 8 조사된다. 그 외에도에서, 그것은 또한 강력하게 조사하고 빛의 양자 조작에 구현 (9) 문제가된다. 나노 섬유 가이드 모드로 같은 양자 터, 단일 / 몇 레이저 냉각 원자와 단일 양자 도트에서 발광 효율 결합 연구, 10, 11, 12, 13, 14, 15이 증명되었다. 나노 섬유의 발광 물질의 상호 작용은 크게 나노 섬유 (16), (17) PHC 캐비티 구조를 구현함으로써 개선 될 수있다.

s의 주요 장점UCH 시스템 용이 통신 네트워크에 통합 될 수있는 섬유 - 라인 기술이다. 테이퍼 나노 섬유를 통해 99.95 %의 광 투과율은 18 증명되었다. 그러나, 나노 파이버 전송 먼지 오염에 매우 민감하다. 따라서, 종래의 나노 기술을 이용하여 나노 섬유에 PHC 구조체의 제조는 매우 유익한 아니다. 집속 이온 빔 (FIB) 밀링을 사용하는 나노 섬유의 제조가 캐비티 (19), (20), 증명되었지만 광학 품질 및 재현성은 높지 않다.

이 비디오 프로토콜에서는 펨토초 레이저 어블 레이션을 이용하여 나노 섬유에 PHC 공동을 제조하기 위해 최근에 증명 (21, 22) 기법을 제안한다. 날조는 나노 파이버와 irrad에 펨토초 레이저의 2 광속 간섭 패턴을 생성하여 수행하나의 펨토초 레이저 펄스를 iating. 나노 섬유의 렌즈 효과의 영향은 나노 섬유의 그림자 표면에 박리 크레이터 생성 그러한 기술의 가능성에 중요한 역할을한다. 전형적인 샘플의 경우, 점차적으로 50에서 다양한 직경 350 나노 미터와 함께 기간과주기적인 나노 분화구 - 550 nm의 - 1mm의 길이에 걸쳐 250 내지 450의 주위에 직경이 나노 섬유에 제조된다. 나노 그러한 주기적 나노 크레이터는 1-D PHC 역할. 또한 나노 섬유에 apodized 결함 유도 PHC 공동을 제조하기 위해 나노 분화구 어레이의 프로파일을 제어하기위한 방법을 제시한다.

높은 광학 품질을 유지할 수 있도록 이러한 나노의 주요 측면은 전체 광학 제조된다. 또한, 제조 기계적 불안정성 등의 제조 결함으로 면역 기술을 단지 하나의 펨토초 레이저 펄스의 조사에 의해 수행된다. 또한이 PHC 나노의 자체 생산을 가능하게오염의 가능성을 최소화 할 수 있도록 섬유 공동. 이 프로토콜은 다른 사람이 구현 및 나노 기술의 새로운 유형을 적용하기위한 것입니다.

도 1a는 제조 셋업의 개략도를 도시한다. 제조 설치 및 정렬 절차의 세부 사항은, (22) (21)에서 논의된다. 400 nm의 중심 파장 120 FS 펄스 폭이 펨토초 레이저는 위상 마스크에 입사된다. 위상 마스크는 0 ± 1 주문에의 펨토초 레이저 빔을 분할합니다. 빔 블록은 0 차 빔을 차단하기 위해 사용된다. 폴딩 거울 대칭 간섭 패턴을 생성하기 위해, 나노 섬유의 위치에 ± 1 주문 재결합. 상기 위상 마스크의 피치는 700 ㎚이며, 따라서 간섭 패턴은 350 nm의 피치 (Λ G)을 갖는다. 원통형 렌즈는 파이버 따라 펨토초 레이저 빔을 집중한다. 에서 빔 크기 (Y 축)및 (Z 축)을 따라 나노 파이버는 각각 60 ㎛ 내지 5.6 mm이다. 테이퍼 섬유는 섬유를 연신 압전 액츄에이터 (PZT)를 구비 한 홀더에 장착된다. 유리 접시와 상단 덮개는 먼지로부터 나노 섬유를 보호하는 데 사용됩니다. 테이퍼 섬유와 홀더는 번역 (XYZ) 및 회전 (θ) 단계가 장착 된 제조 벤치에 고정되어있다. θ-단계는 YZ 평면의 나노 섬유 샘플의 회전을 할 수 있습니다. 상기 X 스테이지는 XY- 및 XZ면을 따라 경사 각도를 제어 할 수있다. CCD 카메라는 나노 파이버로부터 20cm의 거리에서 상기 나노 파이버 위치를 모니터링하는 XY 평면에서 45 °의 각도로 배치된다. 모든 실험은 먼지없는 환경을 달성하는 HEPA (고효율 미립자 체포) 필터가 장착 된 깨끗한 부스 내부에서 수행된다. 먼지가없는 상태에서는 나노 파이버의 송신을 유지하는 것이 필수적이다.

그림 1B는 광학 측정의 회로도를 보여줍니다. 테이퍼 섬유에 광섬유 결합 형 광원과 고분해능 스펙트럼 분석기를 이용하여 송신되고 반사 된 빛의 스펙트럼을 측정 : - 제조 동안에, 광학 특성 간단히 광대역 (900 내지 700 nm 파장 영역)을 실행하여 모니터링된다. 파장 가변 CW 레이저 소스 적절히 캐비티 모드를 해결 절대 캐비티 전송을 측정하기 위해 사용된다.

우리는 제조 및 특성에 대한 프로토콜을 제시한다. 프로토콜 섹션은 세 개의 하위 섹션, 제작 된 샘플의 나노 섬유 제조, 펨토초 레이저의 제조 및 특성에 분할된다.

프로토콜

주의 : 안전 안경을 착용하고 엄격하게 직접 UV 램프에 노출과 펨토초 레이저를 포함한 모든 레이저를 피하십시오. 오염을 방지하기 위해 클린 룸 슈트와 장갑을 착용 할 것. 지정된 쓰레기통에서 제대로 모든 섬유 쓰레기를 폐기 할 것.

1. 나노 섬유의 제조

  1. 200mm 의해 분리 된 두 위치에서 5 mm의 길이를위한 단일 모드 광섬유의 폴리머 재킷 스트립 섬유 코팅 스트리퍼를 사용한다. 클린 룸을 사용하여 두 기계적으로 제거 부분이 메탄올에 담근 닦아 청소합니다. 아세톤이 두 박탈 부분 사이의 섬유를 찍어. 섬유의 재킷이 붕괴까지 15 분 - 10 기다립니다. 아세톤에서 섬유를 가지고 메탄올에 담근 와이프 클린 룸을 사용하여 전체 벗겨진 부분을 청소합니다.
  2. 나노 섬유를 제조하는 광학 나노 섬유 제조 장비 (ONME)의 두 단계에서 제거 섬유를 설정합니다.
    1. 섬유에 프로브 레이저를 실행하고 transmissio을 모니터링N 개의 포토 다이오드를 이용하여 ADC 카드를 사용하여 컴퓨터에서의 송신 데이터를 기록한다. ONME 소프트웨어를 이용하여 상기 가스 유동을 시작하고 불꽃을 점화. 500nm의 허리 직경 테이퍼 섬유의 제조를위한 ONME 소프트웨어에서 미리 최적화 된 파라미터를로드하고 제조 공정을 시작한다.
      주 : ONME 표준 열 풀 기법을 사용하여 테이퍼 진 광섬유를 제조하기위한 시판되는 장치이다. 그것은 섬유를 뽑아 섬유와 두 개의 모터 스테이지를 가열하는 불꽃 산수소 사용합니다. 가스 흐름 및 스테이지 동작은 컴퓨터 프로그램에 의해 제어된다. 사전에 최적화 된 매개 변수는 특별 요청에 따라 공급 업체로부터 얻을 수있다.
  3. 제조 후, UV 경화 에폭시를 이용하여 나노 파이버 홀더 테이퍼 섬유 타기. 합니다 (그림 1a 참조) 유리 접시와 상단 덮개를 사용하여 나노 섬유 홀더를 커버. 깨끗한 상자 안에 샘플을 넣고 펨토초 라로 전송산이 제조 장치.

2. 펨토초 레이저 제작

  1. 제조 설정의 정렬
    1. 15mm의 높이로 제작 벤치 유리판을 넣어. 1 mJ의 펄스 에너지를 5 초 동안 펨토초 레이저를 조사. 백색광 세대 절제를 유도 펨토초 레이저 및 유리 접시에 손상을 줄뿐만 절제 패턴의 모양을 확인합니다.
    2. 제조 벤치의 X 스테이지를 사용하여 유리 기판의 높이를 변경하는 절차를 반복한다. 각각의 제조를위한, 새로운 위치에 제작을 위해 1mm로 제작 벤치 Y 스테이지 변환.
    3. 강한 절제 라인의 높이를 찾을 수 있습니다. 이 위치에서 미세 조정 폴딩 미러 중 하나의 틸트 각도와 위치를 박리를 최대화한다. 또한, 미세 조정 제조 벤치의 X-단계의 기울기는 절제을 극대화한다.
      주 : 폴딩 미러의 경사각도가 USI를 튜닝키네마 틱 미러 홀더 조정 노브와 미러의 위치를 ​​ng를하는 실장되는 Z 스테이지를 변환함으로써 조정된다.
    4. 최적화 후, CCD 카메라 소프트웨어에서 절제 라인의 위치를 ​​표시하고 유리판을 제거한다.
      주 : CCD 카메라의 제어 소프트웨어는 캡처 된 이미지에 대한 이미지 포착 및 도면 표시를 가능하게한다. 또한, 상기 캡쳐 이미지와 표시의 데이터를 저장할 수있다. 제조 벤치의 X 스테이지가 절대 위치의 기준을 가지고 있지 않기 때문에, CCD 이미지는 X 축의 위치를 ​​기준으로서 사용된다. 이 CCD 이미지의 해상도, 픽셀 당 10 μm의 것이다.
    5. 백금 (PT) -coater를 사용하여, 피막 (60)들에 대한 유리판의 유리판의 Pt 25 nm의 층을 증착한다. 이미지 사형 전자 현미경 (SEM)을 이용하여 유리판에 절제 패턴. 절제 패턴은 350 nm의 기간 (예상되는 간섭 무늬 패턴) 알와주기적인 구조를 표시하는 경우ignment이 최적화되어 있습니다. 주기적인 절제 패턴을 볼 때까지 낮은 펄스 에너지 (300 μJ에 이르기까지)에 대한 - 그렇지 않은 경우 (2.1.4 단계 2.1.1에서) 절차를 반복합니다.
  2. apodized PHC 공동의 제작
    1. CCD 카메라에 표시된 절제 라인과 거의 평행 제조 벤치에 테이퍼 섬유를 놓습니다.
    2. 테이퍼 섬유를 통해 프로브 레이저 (전력 = 1 mW의)을 전송하고 CCD 카메라에 테이퍼 섬유에서 산란을 관찰합니다. 강한 산란 부분 인해 서브 파장 직경에 나노 영역에 대응한다.
    3. CCD 카메라에 표시된 박리 선 위치로 나노 파이버의 중심을 제조 벤치 Z 스테이지 번역.
    4. 프로브 레이저를 끄고 최소 펄스 에너지 (<10 μJ)로 펨토초 레이저를 조사. 펨토초 레이저 빔을 나노 겹쳐 Y 스테이지 번역. 오버랩은 나노, OBS의 조명에 의해 식별되고CCD 카메라에 erved.
      주 : 나노 이제 펨토초 Y를 따라 레이저 빔 및 Z 축에 대하여 정렬된다.
    5. 절제 라인 위치로 나노 파이버 위치를 중첩하도록 X 스테이지를 X 축에 따른 나노 파이버를 정렬 변환하기 위해 CCD 카메라의 표시.
    6. 펨토초 레이저와 나노 섬유의 중복을 극대화 할 수있는 Y 스테이지를 번역합니다. 나노 섬유에서 두 개의 첫 주문의 반사를 관찰합니다 (상단 덮개의 유리 접시에 두 밝은 점으로 표시). 앞뒤로 Y 스테이지를 번역하면서이 반사 지점의 움직임을 관찰한다.
      참고 :이 장소는 한쪽으로 이동할 경우, 나노 섬유는 절제 라인에 평행하지 않습니다. 이 경우, 박리 라인에 나노 평행하게 회전 스테이지를 회전한다. 그들은 평행 할 때, 반사 반점은 플래시로 표시됩니다.
    7. 절제 라인에 나노 평행하게 한 후,를 최대화하기 위해 Y 스테이지 번역테이퍼 섬유의 끝에서, 포토 다이오드를 사용하여 나노 섬유 안내 모드 내로 분산 펨토초 레이저의 파워를 측정함으로써, 펨토초 레이저 빔과 나노 파이버 사이에 중첩된다. 중복을 극대화 한 후, 제조 θ = 0.5 도의 각도로 회전 무대를 돌립니다.
      주 : 펨토초 레이저 빔과 나노 파이버 사이의 최대 오버랩 들어, 하나의 나노 안내 모드 내로 분산 펨토초 레이저 광의 전력이 최대화 될 것으로 예상된다.
    8. 전력계로 펨토초 레이저를 차단 mJ을 0.27으로 펄스 에너지를 설정한다. 단일 샷 조사 모드로 펨토초 레이저 설정을 변경합니다.
      주 :이 모드에서는 단지 하나의 펄스가 그렇지 않으면 레이저 출력이없는 불 스위치를 누를 때 발생한다.
      1. 레이저 빔 경로에서 전력 미터를 분리 한 펨토초 레이저 펄스를 발생. 이는 제조 공정을 완료한다.
  3. Fabricati결함에 의한 PHC 공동의에
    1. 섹션 2.1에 설명 된대로 유리 접시에 절제를 관찰하여 설치의 정렬을 확인합니다. 강한 박리 라인 높이를 찾은 후, 단지 위상 마스크 전에 레이저 빔의 중심에 0.5 mm의 구리 와이어를 삽입한다. 구리 배선은 Y 축을 따라 (박리 선에 수직 인)되어야한다.
    2. Z 축을 따라 구리 와이어의 위치를 ​​변경하면서 유리 기판의 박리 패턴을 확인한다. 절제 패턴 박리 라인의 중앙에 하나의 갭을 표시 할 때 구리 와이어의 위치를 ​​고정한다.
    3. 정렬 후, 2.2 절에 설명 된 절차에 따라 나노 섬유의 펨토초 레이저 가공을 수행합니다. 이 제조를 들어, = 0 °의 θ하기 위해 제작의 각도를 설정합니다.

제작 된 샘플 3. 특성

  1. 광학 특성의 측정
    1. 준비 선생도 1b에 도시 된 바와 같이, 광 측정 TUP. 테이퍼 섬유에 광대역 광원을 시작 전과 스펙트럼 분석기를 이용하여 제작 한 후, 투과 및 반사 스펙트럼을 측정한다. 제작 한 후, 투과 스펙트럼은 샘플 제조의 브래그 공진에 대응하는 스톱 밴드를 표시한다.
    2. 편광를 선택하고 두 개의 직교 편광의 X-POL 및 Y-POL의 스펙트럼을 취할 섬유 인라인 편광판의 패를 돌립니다.
      참고 : (나노 분화구를 따라 편광)을 X-폴은 정지 대역은 블루 시프트 (21) (짧은 파장으로)입니다 및 나노 섬유의 산란이 강한 것입니다. 그래서, 스펙트럼 CCD 카메라를보고 편광을 선택합니다.
    3. 편광 중 하나, (도 1b에 도시 됨)를 이용하여 PZT 테이퍼 섬유를 연신하여 투과 스펙트럼을 취. 들에 의해 스펙트럼을 가지고20 μm의 최대 연신 길이까지 2 μm의 단계에 테이퍼 섬유를 tretching합니다 (PZT 스캔 범위에 의해 제한). 브래그 공명이 적색 편이 테이퍼 섬유를 연신하여 (긴 파장으로) 될 것으로 관찰한다. 이러한 스펙트럼으로부터, 길이의 단위 연신 브래그 공명 시프트를 계산한다.
    4. 캐비티 모드를 해결 절대 캐비티 전송을 측정하기위한, 가변 CW 레이저 소스를 사용한다. 테이퍼 섬유에 레이저를 발사하고, 포토 다이오드를 사용하여 송신을 모니터링한다.
    5. Y-POL 대한 정지 대역의 적색 측 가장자리 레이저 파장을 설정하고, 송신을 최소화하기 위해 섬유 인라인 편광자를 사용한다. 이러한 방식으로, X-POL 성분 억제 만 Y-POL 선택된다. 20 μm의 - 0에서 테이퍼 섬유를 스트레칭하는 동안 더 빨강 측 대역 가장자리의 출력 및 전송을 기록하기 위해 레이저 파장을 설정합니다.
      1. 레이저 wavel을 변경함으로써 측정을 반복전체 정지 대역이 덮여 때까지 0.3 나노 미터의 단계에 블루 측에 ength. 이들 데이터로부터, 단계 3.1.3에서 측정 된 길이를 연신 단위당 공진 시프트에 대한 데이터를 이용하여 전체 스펙트럼을 재구성.
        참고 : 20 μm의 공동 모드 0.05 사이의 일반적인 무료 스펙트럼 범위에서 테이퍼 섬유 스트레칭으로 2 nm의에 의해 공동 모드 변화와 함께 전형적인 샘플, 정지 대역 (브래그 공명) 용 - 0.5 nm의. 테이퍼 섬유를 연신하여 4 캐비티 모드 - 입력 레이저의 특정 파장에 대한 하나 이상의 셋을 측정 할 수있다. 모드 사이의 주파수 간격은 단계 3.1.3에서 측정 된 길이를 연신 단위 공진 시프트의 데이터로부터 추정된다. 적어도이 0.3 nm 인 단계의 레이저 파장을 변경함으로써 측정을 반복 - 연속 3 캐비티 모드는 연속적인 측정에 다시 측정한다. 하나는 매트 동안 연속 측정을 위해 송신 데이터를 오버레이하여 전체 스펙트럼을 재구성 할재 측정 된 캐비티 모드 칭 위치.
    6. 지금 단계 3.1.5 및 3.1.5.1에 ​​언급 한 바와 같이 유사한 과정을 사용하여 다른 편광에 대한 스펙트럼을 측정한다.
  2. 제작 된 샘플을 이미징
    1. 2 ㎝ 길이 금속판 제조 된 샘플을 넣고, UV 경화 에폭시를 사용하는 금속판에 테이퍼 광섬유의 양단을 고정한다. 샘플의 사출 측 그림자 측 결상되도록 금속판 대향 확인.
    2. 30 초 동안 코팅 샘플을 백금 코터를 사용하여 약 10 nm 두께의 Pt 층을 증착. 주사 전자 현미경으로 샘플을 놓습니다. 전체 제작 영역에 걸쳐 모든 0.1 mm의 시료의 SEM 이미지를 가져 가라.

결과

도 2는 제조 된 나노 섬유 샘플의 대표적인 부분의 SEM 화상을 나타낸다. 이는 주기적 나노 크레이터 간섭 줄무늬에 잘 대응하는 350 ㎚의 주기로, 나노 섬유의 그림자 측에 형성되어 있음을 보여준다. 삽입 된 샘플의 확대도를 나타낸다. 나노 크레이터 형상은 거의 원형이며, 전형적인 나노 구멍의 직경은 약 210 ㎚이다.

토론

나노 섬유의 렌즈 효과의 영향 (도 2 참조)하여 나노 섬유의 그림자 표면에 나노 크레이터 만드는 제조 기술에서 중요한 역할을한다. 나노 섬유의 렌즈 효과 효과는 폭 방향 (Y 축)에 기계적 불안정성 견고한 제조 공정을 만든다. 조사 시간은 단지 120 FS (즉, 펄스 폭)는 더욱이 의한 단발 조사에 다른 축을 따라 불안정성 제조에 영향을주지 않는다. 그 결과, 잘 정의 된주기와주기?...

공개

The authors have nothing to disclose.

감사의 말

This work was supported by the Japan Science and Technology Agency (JST) through the Strategic Innovation Program. KPN acknowledges support from a grant-in-aid for scientific research (Grant no. 15H05462) from the Japan Society for the Promotion of Science (JSPS).

자료

NameCompanyCatalog NumberComments
Femtosecond LaserCoherent Inc.Libra HE
Phase MaskIbsen PhotonicsCustom Made
Optial Nanofiber Manufacturing Equipment  Ishihara SangyoONME
ADC CardPicoTechADC-24
Single mode fiberFujikuraFutureGuide-SM
Broadband sourceNKT PhotonicsSuperK EXTREME
CW Tunable LaserCoherent Inc.MBR-110
Spectrum analyser (Transmission spectrum)Thermo Fisher ScientificNicolet 8700
Spectrum analyser (Reflection spectrum)Ocean OpticsQE65000
CCD CameraThorlabsDCC1545M
Power MeterThorlabsD3MM
Pt-CoaterVacuum Device Inc.MSP-1S
Scanning Electron MicroscopeKeyenceVE-9800
UV Curable EpoxyNTT-ATAT8105
PhotodiodeThorLabsPDA 36A-EC
Clean room wipeTExWipeTX-404
Fiber coating stripperNTT-ATFiber nippers 250 μm 
Cover glassMatsunami Glass IND,LTDNEO micro cover glass 0.12-0.17 mm 
PZTNOLIACNAC 2011-H20
Cylindrical lens stageNewPortM-481-A 
Y,Z stagesChuo Precision Industrial Co., LTD.LD-149-C7
Rotation stageSIGMA KOKIKSPB-1026MH
Z-stage(1), Z-stage(2)NewPortM-460P 

참고문헌

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