Fabricação de 1-D cristal fotônico cavidade em um nanofibras com ablação induzida por laser femtosegundo

Resumo

Nós apresentamos um protocolo para a fabricação de cavidades de cristal fotônico 1-D em fibras de sílica de diâmetro subwavelength (nanofibras ópticos) usando a ablação induzida por laser de femtossegundos.

Resumo

Nós apresentamos um protocolo para a fabricação de 1-D cristal fotônico (APS) cavidades em subwavelength de diâmetro fibras ópticas afiladas, nanofibras ópticos, usando a ablação induzida por laser de femtossegundos. Mostramos que milhares de nano-crateras periódicas são fabricados em uma nanofibras óptica por irradiação com apenas um único pulso de laser de femtossegundos. Para uma amostra típica, periódicos nano-crateras com um período de 350 nm e com um diâmetro variando gradualmente 50-250 nm ao longo de um comprimento de 1 mm são fabricados sobre um nanofibras com diâmetro em torno de 450-550 nm. Um aspecto fundamental de um tal nanofabrication é que o próprio nanofibras actua como uma lente cilíndrica e foca o feixe de laser femtosegundo na sua superfície sombra. Além disso, a fabricação de um único tiro torna imune a instabilidades mecânicas e outras imperfeições de fabricação. Esses nano-crateras periódicos sobre nanofibras, agir como um 1-D CSP e permitir a reflexão forte e de banda larga, mantendo a alta transmissão para fora da faixa de rejeição. Nós também apresentamos um método para controlar o perfil da matriz de nano-cratera para fabricar cavidades PHC apodizada e induzida por defeitos na nanofibras. A forte confinamento do campo, tanto transversal e longitudinal, nas cavidades com base na APS nanofibras ea integração eficiente para as redes de fibra, pode abrir novas possibilidades para aplicações nanophotonic e ciência da informação quântica.

Introdução

confinamento forte de luz em dispositivos nanophotonic abriu novas fronteiras da ciência óptica. Tecnologias de nanofabricação modernas têm permitido a fabricação de 1-D e 2-D cristal fotônico (APS) cavidades para novas perspectivas no lasing ^1, sentindo ² e aplicações de comutação óptica ^3. Além disso, a forte interação da luz com a matéria nestas cavidades APS, abriu novos caminhos para a ciência da informação quântica ^4. Além de cavidades APS, nanocavidades plasmonic também mostraram perspectivas promissoras ^{5, 6, 7.} No entanto, a interface dessas cavidades para rede de comunicação à base de fibras permanece um desafio.

Nos últimos anos, de modo único de fibra óptica afunilada com um diâmetro subwavelength, conhecido como nanofibras óptico, emergiu como um dispositivo nanophotonic promissora. Devido à forteconfinamento transversal do campo de nanofibras guiado e a capacidade de interagir com o meio circundante, o nanofibras é amplamente investigados e adaptada para várias aplicações nanophotonic ^8. Além disso, ele também é fortemente investigada e implementada para a manipulação quântica da luz e da matéria ^9. Acoplamento eficiente de emissão dos emissores quântica como, único alguns átomos / refrigerado a laser e pontos quânticos individuais, para os modos de nanofibras guiada tem sido estudado e demonstrado ^{10, 11, 12, 13, 14, 15.} A interação da luz com a matéria em nanofibras pode ser significativamente melhorada através da implementação de estrutura de cavidade PhC na nanofibras ^{16, 17.}

A vantagem chave para suito um sistema é a tecnologia de fibra em-linha que pode ser facilmente integrado a rede de comunicação. Transmissão de luz de 99,95% através da nanofibras cônico tem sido demonstrada ^18. No entanto, a transmissão de nanofibras é extremamente susceptível a poeira e contaminação. Portanto, a fabricação da estrutura PhC em nanofibras utilizando a técnica de nanofabricação convencional não é muito proveitosa. Embora fabricação cavidade em nanofibras de moagem usando Focused Ion Beam (FIB) foi demonstrada ^{19, 20,} a qualidade óptica e reprodutibilidade não é tão elevado.

Neste protocolo de vídeo, apresentamos uma técnica de ^{21, 22} recentemente demonstrado para fabricar cavidades APS em nanofibras usando ablação a laser de femtossegundos. As formações são realizadas através da criação de um padrão de interferência de dois feixes de laser femtosegundo no nanofibras e IRRADiating um único pulso de laser de femtossegundos. O efeito lensing do nanofibras desempenha um papel importante na viabilidade de tais técnicas, criando crateras de ablação na superfície da sombra do nanofibras. Para uma amostra típica, periódicos nano-crateras com um período de 350 nm e com um diâmetro variando gradualmente 50-250 nm ao longo de um comprimento de 1 mm são fabricados sobre um nanofibras com diâmetro em torno de 450-550 nm. Esses nano-crateras periódicos sobre nanofibras, agir como um 1-D APS. Nós também apresentamos um método para controlar o perfil da matriz de nano-cratera para fabricar cavidades PHC apodizada e induzida por defeitos na nanofibras.

Um aspecto chave de tais nanofabrication é a fabricação de todos os isómeros ópticos, de modo que a alta qualidade óptica pode ser mantida. Além disso, a fabricação é feita por irradiação de apenas um único pulso de laser femtosegundo, tornando a técnica imunológica a instabilidades mecânicas e outras imperfeições de fabrico. Além disso, este permite a produção in-house da APS nanocavidade de fibra de modo a que a probabilidade de contaminação pode ser minimizada. Este protocolo destina-se a ajudar os outros a implementar e adaptar este novo tipo de técnica de nanofabricação.

A Figura 1a mostra o diagrama esquemático da instalação de fabrico. Os detalhes dos procedimentos de configuração fabricação e alinhamento são discutidos em ^{21, 22.} Um laser de femtosegundo com 400 nm de comprimento de onda do centro e 120 fs largura de pulso é incidente em uma máscara de fase. A máscara de fase divide o feixe de laser femtosegundo em a 0 e ± 1 ordens. Um bloco de feixe é usado para bloquear o feixe de 0-fim. Os espelhos rebatíveis simetricamente recombinar os ± 1-encomendas na posição de nanofibras, para criar um padrão de interferência. O passo da máscara de fase é de 700 nm, de modo que o padrão de interferência tem um passo (Λ _L) de 350 nm. A lente cilíndrica foca o feixe de laser femtosegundo ao longo da nanofibras. O tamanho do feixe entre (eixo Y)e ao longo (eixo Z) do nanofibras é de 60 um e 5,6 mm, respectivamente. A fibra cónica está montado sobre um suporte equipado com piezo actuador (PZT) para esticar a fibra. Uma tampa de topo com a placa de vidro é usado para proteger o nanofibras a partir de pó. O titular com a fibra cônico é fixo em um banco de fabricação equipado com tradução (XYZ) e estágios de rotação (θ). O θ-fase permite a rotação da amostra de nanofibras no plano yz. O X-estágio também pode controlar os ângulos de inclinação ao longo XY e XZ-avião. Uma câmara CCD é colocada a uma distância de 20 cm do nanofibras e a um ângulo de 45 ° no plano XY para monitorizar a posição de nanofibras. Todos os experimentos são realizados dentro de uma cabine limpo equipado com filtros HEPA (High Efficiency Particulate prender) para alcançar condições livre de poeira. condição de livre de poeira é essencial para manter a transmissão do nanofibras.

figura 1b mostra o esquema das medições ópticas. Durante o fabrico, as propriedades ópticas são brevemente monitorizada através do lançamento de uma banda larga (gama de comprimento de onda: 700-900 nm) fonte de luz acoplado à fibra para a fibra cónica e medindo o espectro da luz transmitida e reflectida utilizando analisador de espectro de alta resolução. A fonte de laser CW sintonizável é usado para resolver adequadamente os modos de cavidade e para medir a transmissão cavidade absoluta.

Nós apresentamos o protocolo para a fabricação e caracterização. A seção de protocolo é dividido em três subseções, preparação de nanofibras, femtosegundo de fabricação a laser e caracterização das amostras fabricadas.

Protocolo

CUIDADO: Use óculos de segurança e estritamente evite a exposição directa à lâmpada UV e todos os lasers, incluindo o laser de femtosegundo. Usar um terno quarto limpo e luvas para evitar a contaminação. Elimine qualquer lixo fibra corretamente na caixa de lixo designado.

1. Preparação de nanofibras

1. Utilize uma stripper revestimento fibra para remover o revestimento de polímero da fibra óptica de modo único para um comprimento de 5 mm em dois lugares separados por 200 mm. Limpe as duas partes descascadas mecanicamente usando sala limpa toalhete embebido em metanol. Mergulhar a fibra entre estas duas partes descascadas em acetona. Esperar por 10 - 15 minutos até o revestimento da fibra desmoronar. Retire a fibra a partir de acetona e limpe toda a parte despojado usando sala limpa toalhete embebido em metanol.
2. Definir a fibra despojado nas duas fases do nanofibras óptica Fabricação de equipamento (onme) para fabricar o nanofibras.
   1. Lançar o laser sonda na fibra e monitorar a transmission usando o fotodiodo e registrar os dados de transmissão no computador usando o cartão de ADC. Iniciar o fluxo de gás utilizando o software onme e inflamar a chama. Carregar o parâmetro pré-optimizados no software onme para a fabricação de fibras com diâmetro cónico cintura de 500 nm e iniciar o processo de fabricação.
      NOTA: O onme é um dispositivo disponível comercialmente, concebidas para o fabrico de fibras ópticas afiladas utilizando a técnica de calor e tração padrão. Ela usa oxídrica chama para aquecer a fibra e duas fases motorizadas para puxar a fibra. O fluxo de gás e os movimentos de fase são controlados pelo programa de computador. Os parâmetros pré-otimizados podem ser obtidos com o fornecedor, mediante pedido especial.
3. Após a fabricação, pegar a fibra cônico ao titular da nanofibras usando o epóxi curável UV. Cobrir o suporte de nanofibras utilizando a tampa superior com placa de vidro (mostrados na Figura 1A). Coloque a amostra de dentro de uma caixa limpa e transferir para a la femtosegundounidade de Ser fabricação.

Fabrication 2. Femtosecond Laser

1. Alinhamento da instalação de fabricação
   1. Coloque uma placa de vidro sobre a bancada de fabricação a uma altura de 15 mm. Irradiar o laser de femtosegundo por 5 s de energia de pulso de 1 mJ. Identificar o laser femtosegundo induzida ablação da geração de luz branca, e o aparecimento de padrão de ablação como uma linha de danos na placa de vidro.
   2. Repetir o processo, alterando a altura da chapa de vidro utilizando o X-fase do banco de fabricação. Para cada fabrico, traduzir o Y-fase do banco de fabricação por 1 mm para fazer a fabricação de uma nova posição.
   3. Encontrar a altura para o mais forte linha de ablação. Nesta posição, ajustar o ângulo de inclinação e a posição de um dos espelhos de dobragem de modo a maximizar a ablação. Além disso, ajustar a inclinação do X-fase do banco de fabricação para maximizar a ablação.
      NOTA: O ângulo de inclinação do espelho dobrável está sintonizado using os botões de ajuste do suporte do espelho cinemáticos e a posição do espelho é sintonizado mediante a conversão do Z-fase na qual está montada.
   4. Depois da optimização, marcar a posição da linha de ablação no software da câmara CCD e remover a placa de vidro.
      NOTA: O software de controle para a câmera CCD permite a captura de imagem e marcas de desenho na imagem capturada. Também permite guardar os dados da imagem capturada e as marcações. Uma vez que o X-fase do banco de fabricação não tem de referência de posição absoluta, a imagem CCD é utilizada como a referência de posição no eixo X. A resolução da imagem CCD é de 10 mm por pixel.
   5. Usando o -coater platina (Pt), o revestimento da placa de vidro durante 60 s para depositar uma camada de 25 nm de Pt sobre a placa de vidro. Imagem do padrão de ablação na placa de vidro usando um microscópio eletrônico de varredura (MEV). Se o padrão de ablação mostra a estrutura periódica com um período de 350 nm (o padrão de interferência de franja esperada), em seguida, o aiignment é otimizado. Else repita o procedimento (do Passo 2.1.1 - 2.1.4) para as energias de pulso menores (abaixo de 300 μJ) até um padrão periódico de ablação é visto.
2. Fabricação de cavidade PhC apodizada
   1. Coloque a fibra cónica no banco de fabricação aproximadamente paralela à linha de ablação marcado na câmara CCD.
   2. Enviar um laser sonda (potência = 1 mW) através da fibra cônico e observar a dispersão da fibra afunilada na câmara CCD. A parte mais forte dispersão corresponde à região de nanofibras devido ao seu diâmetro subwavelength.
   3. Traduzir o Z-fase do banco de fabricação para centrar o nanofibras para a posição da linha de ablação marcado na câmara CCD.
   4. Desligue o laser da sonda e irradiar o laser de femtosegundo com energia de pulso mínima (<10 μJ). Traduzir Y-palco para sobrepor a nanofibras com o feixe de laser de femtossegundos. A sobreposição é identificado pela iluminação do nanofibras, observed na câmara CCD.
      NOTA: O nanofibras está agora alinhado em relação ao feixe de laser ao longo de femtosegundo Y e eixo-Z.
   5. A fim de alinhar o nanofibras ao longo do eixo X, X-traduzir a fase para se sobrepor à posição de nanofibras para a posição da linha de ablação marcado na câmara CCD.
   6. Traduzir o Y-fase para maximizar a sobreposição de nanofibras com o laser de femtosegundo. Observar o reflexo das duas primeiras ordens do nanofibras (aparece como dois pontos brilhantes na placa de vidro da tampa superior). Observar o movimento desses pontos de reflexão durante a tradução do Y-estágio e para trás.
      NOTA: Se essas manchas avançar para um lado e depois de nanofibras não é paralela à linha de ablação. Neste caso, girar a etapa de rotação para fazer a nanofibras paralela à linha de ablação. Quando eles são paralelos, os pontos de reflexão irá aparecer como um flash.
   7. Depois de fazer a nanofibras paralela à linha de ablação, traduzir o Y-fase para maximizar osobreposição entre o feixe de laser femtosegundo e nanofibras, através da medição da potência do laser femtosegundo espalhados nos modos de nanofibras guiado utilizando um fotodiodo no final da fibra cónica. Depois de maximizar a sobreposição, rodar a etapa de rotação ao ângulo de fabricação θ = 0,5 °.
      NOTA: Para obter a máxima sobreposição entre o feixe de laser de femtossegundo e nanofibras, seria de esperar que o poder da luz do laser femtosegundo espalhados nos modos de nanofibras guiada a ser maximizada.
   8. Bloquear o laser femtosegundo com o medidor de energia e definir a energia de pulso para 0,27 mJ. Altere as configurações de laser de femtossegundos para o modo de irradiação de um único tiro.
      NOTA: Neste modo, apenas um único pulso é gerado quando o interruptor de incêndio é pressionado, caso contrário, não haverá saída a laser.
      1. Retire o medidor de energia a partir do caminho do feixe laser e disparar um único pulso de laser de femtossegundos. Isto completa o processo de fabrico.
3. Fabricatiem induzida por defeito da cavidade PhC
   1. Verificar o alinhamento da instalação por meio da observação da ablação numa placa de vidro, tal como descrito na secção 2.1. Depois de encontrar a altura mais forte para a linha de ablação, inserir um fio de cobre de 0,5 milímetros no centro do feixe de laser, pouco antes da fase de máscara. O fio de cobre deve estar ao longo do eixo Y (perpendicular à linha de ablação).
   2. Verificar o padrão de ablação na placa de vidro, enquanto a mudança da posição do fio de cobre ao longo do eixo-Z. Fixar a posição do fio de cobre quando o padrão de ablação mostra uma única abertura no centro da linha de ablação.
   3. Após o alinhamento, realizar a fabricação femtosecond laser na nanofibras seguindo o procedimento descrito na secção 2.2. Por esta fabricação, definir o ângulo da fabricação para q = 0 graus.

3. caracterização das amostras Fabricadas

1. A medição das propriedades ópticas
   1. Prepare o SETUP para as medições ópticas, tal como mostrado na Figura 1b. Inicie a fonte de luz de banda larga na fibra cónica e medir o espectro de transmissão e de reflexão antes e após o fabrico usando o analisador de espectro. Após a fabricação, o espectro de transmissão irá mostrar uma faixa de rejeição correspondente à ressonância de Bragg da amostra fabricada.
   2. Rode as pás do polarizador de fibra em linha para selecionar a polarização e tomar os espectros de duas ortogonais polarizações X-pol e Y-pol.
      NOTA: Para o X-Pol (polarização ao longo das nano-crateras) a faixa de rejeição será ^azul-21 deslocado (na direcção do comprimento de onda mais curto) e o espalhamento da nanofibras será mais forte. Então, selecione as polarizações, olhando para o espectro ea câmera CCD.
   3. Para uma das polarizações, tomar os espectros de transmissão por alongamento da fibra cónica utilizando o PZT (mostrado na Figura 1b). Tome os espectros por stretching a fibra cónica em passos de 2 uM até que o comprimento máximo de alongamento de 20 uM (limitados pela gama de varrimento de PZT). Observa-se que a ressonância Bragg será vermelho-deslocado (na direcção do comprimento de onda maior) por alongamento da fibra cónica. A partir destes espectros, calcular o desvio de ressonância de Bragg, por unidade de comprimento de alongamento.
   4. Para resolver os modos de cavidade e medição da transmissão cavidade absoluta, use a fonte de laser sintonizável CW. Lançar o laser na fibra cônico e acompanhar a transmissão usando um fotodiodo.
   5. Defina o comprimento de onda do laser para a borda do lado vermelho da faixa de rejeição para Y-pol e usar o polarizador de fibra inline para minimizar a transmissão. Desta forma, o componente X-Pol é suprimida e apenas o Y-Pol é seleccionado. Definir o comprimento de onda do laser para mais longe da do bordo da banda do lado do vermelho e gravar a transmissão durante o alongamento da fibra cónica 0-20 uM.
      1. Repetir a medição mudando a Wavel a laserength para azul-lado em incrementos de 0,3 nm até que toda a faixa de rejeição é coberto. A partir destes dados, reconstruir todo o espectro usando os dados para o deslocamento de ressonância por unidade de comprimento de alongamento medido no passo 3.1.3.
         NOTA: Para obter uma amostra típica, a faixa de rejeição (ressonância Bragg), juntamente com os modos de cavidade turnos por 2 nm por esticar a fibra cônico de 20 mm e a típica faixa espectral livre para os modos de cavidade estão entre 0,05-0,5 nm. Para um dado comprimento de onda do laser de entrada pode-se medir, pelo menos, 3 - 4 modos de cavidade por alongamento da fibra cónica. O espaçamento de frequência entre os modos é inferida a partir dos dados para a mudança de ressonância por unidade de alongamento comprimento medido na etapa 3.1.3. Repetindo a medição, alterando o comprimento de onda do laser em incrementos de 0,3 nm, pelo menos 2 - 3 modos de cavidade consecutivos são re-medida nas medições sucessivas. É possível reconstruir todo o espectro sobrepondo os dados de transmissão para as medições sucessivas enquanto matposição ching dos modos de cavidade medidos-Re.
   6. Agora medir o espectro para o outro polarização usando um procedimento semelhante ao mencionado nos passos 3.1.5 e 3.1.5.1.
2. Imaging o amostra fabricada
   1. Colocar a amostra fabricada numa chapa metálica 2 cm de comprimento e fixar as duas extremidades da fibra cónica para a placa de metal usando UV epoxi curável. Verifique se o lado de irradiação da amostra enfrenta a placa de metal de modo a que o lado sombrio pode ser trabalhada.
   2. Utilizar a Pt-revestidor para o revestimento da amostra durante 30 s e depositar uma camada de Pt com uma espessura de cerca de 10 nm. Colocar a amostra para o SEM. Pegue a imagem SEM da amostra a cada 0,1 mm em toda a região fabricada.

Resultados

A Figura 2 mostra a imagem de SEM de um segmento típica da amostra de nanofibras fabricada. Ele mostra que periódicas nano-crateras são formadas no lado da sombra do nanofibras, com uma periodicidade de 350 nm que corresponde bem com o padrão de interferência. A inserção mostra a vista ampliada da amostra. A forma dos nano-crateras é quase circular, e o diâmetro de um nano-cratera típica é de cerca de 210 nm.

Discussão

O efeito lensing do nanofibras desempenha um papel importante na técnica de fabricação, criando assim nano-crateras na superfície da sombra do nanofibras (mostrado na Figura 2). O efeito lensing do nanofibras também faz com que o processo de fabricação robusta para quaisquer instabilidades mecânicas na direcção transversal (eixo Y). Além disso, devido à irradiação de um único tiro, as instabilidades junto dos outros eixos não afectam a fabricação como o tempo de irradiação é de apen...

Materiais

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