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).

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 <ol><li> 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. </li><li> Definir a fibra despojado nas duas fases do nanofibras óptica Fabricação de equipamento (onme) para fabricar o nanofibras. <ol><li> 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. </li></ol></li><li> 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. </li></ol> Fabrication 2. Femtosecond Laser <ol><li> Alinhamento da instalação de fabricação <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Fabricação de cavidade PhC apodizada <ol><li> Coloque a fibra cónica no banco de fabricação aproximadamente paralela à linha de ablação marcado na câmara CCD. </li><li> 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. </li><li> Traduzir o Z-fase do banco de fabricação para centrar o nanofibras para a posição da linha de ablação marcado na câmara CCD. </li><li> Desligue o laser da sonda e irradiar o laser de femtosegundo com energia de pulso mínima (&lt;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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. <ol><li> 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. </li></ol></li></ol></li><li> Fabricatiem induzida por defeito da cavidade PhC <ol><li> 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). </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li></ol> 3. caracterização das amostras Fabricadas <ol><li> A medição das propriedades ópticas <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. <ol><li> 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. </li></ol></li><li> Agora medir o espectro para o outro polarização usando um procedimento semelhante ao mencionado nos passos 3.1.5 e 3.1.5.1. </li></ol></li><li> Imaging o amostra fabricada <ol><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Femtosecond Laser</td><td>Coherent Inc.</td><td>Libra HE</td><td></td></tr><tr><td>Phase Mask</td><td>Ibsen Photonics</td><td>Custom Made</td><td></td></tr><tr><td>Optial Nanofiber Manufacturing Equipment&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td><td>Ishihara Sangyo</td><td>ONME</td><td></td></tr><tr><td>ADC Card</td><td>PicoTech</td><td>ADC-24</td><td></td></tr><tr><td>Single mode fiber</td><td>Fujikura</td><td>FutureGuide-SM</td><td></td></tr><tr><td>Broadband source</td><td>NKT Photonics</td><td>SuperK EXTREME</td><td></td></tr><tr><td>CW Tunable Laser</td><td>Coherent Inc.</td><td>MBR-110</td><td></td></tr><tr><td>Spectrum analyser (Transmission spectrum)</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>Nicolet 8700</td><td></td></tr><tr><td>Spectrum analyser (Reflection spectrum)</td><td>Ocean Optics</td><td>QE65000</td><td></td></tr><tr><td>CCD Camera</td><td>Thorlabs</td><td>DCC1545M</td><td></td></tr><tr><td>Power Meter</td><td>Thorlabs</td><td>D3MM</td><td></td></tr><tr><td>Pt-Coater</td><td>Vacuum Device Inc.</td><td>MSP-1S</td><td></td></tr><tr><td>Scanning Electron Microscope</td><td>Keyence</td><td>VE-9800</td><td></td></tr><tr><td>UV Curable Epoxy</td><td>NTT-AT</td><td>AT8105</td><td></td></tr><tr><td>Photodiode</td><td>ThorLabs</td><td>PDA 36A-EC</td><td></td></tr><tr><td>Clean room wipe</td><td>TExWipe</td><td>TX-404</td><td></td></tr><tr><td>Fiber coating stripper</td><td>NTT-AT</td><td>Fiber nippers 250 &amp;mu;m&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Cover glass</td><td>Matsunami Glass IND,LTD</td><td>NEO micro cover glass 0.12-0.17 mm&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>PZT</td><td>NOLIAC</td><td>NAC 2011-H20</td><td></td></tr><tr><td>Cylindrical lens stage</td><td>NewPort</td><td>M-481-A&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Y,Z stages</td><td>Chuo Precision Industrial Co., LTD.</td><td>LD-149-C7</td><td></td></tr><tr><td>Rotation stage</td><td>SIGMA KOKI</td><td>KSPB-1026MH</td><td></td></tr><tr><td>Z-stage(1), Z-stage(2)</td><td>NewPort</td><td>M-460P&amp;nbsp;</td><td></td></tr></tbody></table>

fabrication of 1-d photonic crystal cavity on a nanofiber using femtosecond laser-induced ablation

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.

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. <p class="jove_content" fo:keep-together.within...

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Fabrication of 1-D Photonic Crystal Cavity on a Nanofiber Using Femtosecond Laser-induced Ablation

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.

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

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using ...

fabrication-1-d-photonic-crystal-cavity-on-nanofiber-using

Research

JoVE Journal

Engineering

9.7K visualizações.  University of Electro-Communications.  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. 

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Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the quality factor (Q) of the cavity, can be in excess of 500ns for cavities with Q factors above 100 million. As a result of their low material losses, silica microcavities have demonstrated some of the longest photon lifetimes to date1-2. Since a portion of the circulating light extends outside the resonator, these devices can also be used to probe the surroundings. This interaction has enabled numerous experiments in biology, such as single molecule biodetection and antibody-antigen kinetics, as well as discoveries in other fields, such as development of ultra-low-threshold microlasers, characterization of thin films, and cavity quantum electrodynamics studies.3-7
The two primary silica resonant cavity geometries are the microsphere and the microtoroid. Both devices rely on a carbon dioxide laser reflow step to achieve their ultra-high-Q factors (Q&gt;100 million).1-2,8-9 However, there are several notable differences between the two structures. Silica microspheres are free-standing, supported by a single optical fiber, whereas silica microtoroids can be fabricated on a silicon wafer in large arrays using a combination of lithography and etching steps. These differences influence which device is optimal for a given experiment.
Here, we present detailed fabrication protocols for both types of resonant cavities. While the fabrication of microsphere resonant cavities is fairly straightforward, the fabrication of microtoroid resonant cavities requires additional specialized equipment and facilities (cleanroom). Therefore, this additional requirement may also influence which device is selected for a given experiment.
Introduction
An optical resonator efficiently confines light at specific wavelengths, known as the resonant wavelengths of the device. 1-2 The common figure of merit for these optical resonators is the quality factor or Q. This term describes the photon lifetime (&tau;o) within the resonator, which is directly related to the resonator's optical losses. Therefore, an optical resonator with a high Q factor has low optical losses, long photon lifetimes, and very low photon decay rates (1/&tau;o). As a result of the long photon lifetimes, it is possible to build-up extremely large circulating optical field intensities in these devices. This very unique property has allowed these devices to be used as laser sources and integrated biosensors.10
A unique sub-class of resonators is the whispering gallery mode optical microcavity. In these devices, the light is confined in circular orbits at the periphery. Therefore, the field is not completely confined within the device, but evanesces into the environment. Whispering gallery mode optical cavities have demonstrated some of the highest quality factors of any optical resonant cavity to date.9,11 Therefore, these devices are used throughout science and engineering, including in fundamental physics studies and in telecommunications as well as in biodetection experiments. 3-7,12
Optical microcavities can be fabricated from a wide range of materials and in a wide variety of geometries. A few examples include silica and silicon microtoroids, silicon, silicon nitride, and silica microdisks, micropillars, and silica and polymer microrings.13-17 The range in quality factor (Q) varies as dramatically as the geometry. Although both geometry and high Q are important considerations in any field, in many applications, there is far greater leverage in boosting device performance through Q enhancement. Among the numerous options detailed previously, the silica microsphere and the silica microtoroid resonator have achieved some of the highest Q factors to date.1,9 Additionally, as a result of the extremely low optical loss of silica from the visible through the near-IR, both microspheres and microtoroids are able to maintain their Q factors over a wide range of testing wavelengths.18 Finally, because silica is inherently biocompatible, it is routinely used in biodetection experiments.
In addition to high material absorption, there are several other potential loss mechanisms, including surface roughness, radiation loss, and contamination loss.2 Through an optimization of the device size, it is possible to eliminate radiation losses, which arise from poor optical field confinement within the device. Similarly, by storing a device in an appropriately clean environment, contamination of the surface can be minimized. Therefore, in addition to material loss, surface scattering is the primary loss mechanism of concern.2,8
In silica devices, surface scattering is minimized by using a laser reflow technique, which melts the silica through surface tension induced reflow. While spherical optical resonators have been studied for many years, it is only with recent advances in fabrication technologies that researchers been able to fabricate high quality silica optical toroidal microresonators (Q&gt;100 million) on a silicon substrate, thus paving the way for integration with microfluidics.1
The present series of protocols details how to fabricate both silica microsphere and microtoroid resonant cavities. While silica microsphere resonant cavities are well-established, microtoroid resonant cavities were only recently invented.1 As many of the fundamental methods used to fabricate the microsphere are also used in the more complex microtoroid fabrication procedure, by including both in a single protocol it will enable researchers to more easily trouble-shoot their experiments.

We describe the use of a carbon dioxide laser reflow technique to fabricate silica resonant cavities, including free-standing microspheres and on-chip microtoroids. The reflow method removes surface imperfections, allowing long photon lifetimes within both devices. The resulting devices have ultra high quality factors, enabling applications ranging from telecommunications to biodetection.

Fabricação de Sílica Ultra microresonators alto fator de qualidade

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the ...

Engenharia

A Method to Fabricate Disconnected Silver Nanostructures in 3D

The standard nanofabrication toolkit includes techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating metal patterns on a submicron scale requires a combination of nanofabrication tools and several material processing steps. For example, steps to create planar metal structures using ultraviolet photolithography and electron-beam lithography can include sample exposure, sample development, metal deposition, and metal liftoff. To create 3D metal structures, the sequence is repeated multiple times. The complexity and difficulty of stacking and aligning multiple layers limits practical implementations of 3D metal structuring using standard nanofabrication tools. Femtosecond-laser direct-writing has emerged as a pre-eminent technique for 3D nanofabrication.1,2 Femtosecond lasers are frequently used to create 3D patterns in polymers and glasses.3-7 However, 3D metal direct-writing remains a challenge. Here, we describe a method to fabricate silver nanostructures embedded inside a polymer matrix using a femtosecond laser centered at 800 nm. The method enables the fabrication of patterns not feasible using other techniques, such as 3D arrays of disconnected silver voxels.8 Disconnected 3D metal patterns are useful for metamaterials where unit cells are not in contact with each other,9 such as coupled metal dot10,11or coupled metal rod12,13 resonators. Potential applications include negative index metamaterials, invisibility cloaks, and perfect lenses.
In femtosecond-laser direct-writing, the laser wavelength is chosen such that photons are not linearly absorbed in the target medium. When the laser pulse duration is compressed to the femtosecond time scale and the radiation is tightly focused inside the target, the extremely high intensity induces nonlinear absorption. Multiple photons are absorbed simultaneously to cause electronic transitions that lead to material modification within the focused region. Using this approach, one can form structures in the bulk of a material rather than on its surface.
Most work on 3D direct metal writing has focused on creating self-supported metal structures.14-16 The method described here yields sub-micrometer silver structures that do not need to be self-supported because they are embedded inside a matrix. A doped polymer matrix is prepared using a mixture of silver nitrate (AgNO3), polyvinylpyrrolidone (PVP) and water (H2O). Samples are then patterned by irradiation with an 11-MHz femtosecond laser producing 50-fs pulses. During irradiation, photoreduction of silver ions is induced through nonlinear absorption, creating an aggregate of silver nanoparticles in the focal region. Using this approach we create silver patterns embedded in a doped PVP matrix. Adding 3D translation of the sample extends the patterning to three dimensions.

Femtosecond-laser direct-writing is frequently used to create three-dimensional (3D) patterns in polymers and glasses. However, patterning metals in 3D remains a challenge. We describe a method for fabricating silver nanostructures embedded inside a polymer matrix using a femtosecond laser centered at 800 nm.

Um método para fabricar nanoestruturas de prata desconectados em 3D

The standard nanofabrication toolkit includes  techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating  metal patterns on a ...

Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view and for its considerable potential for practical applications. Slow light photonic crystal waveguides, in particular, have played a major part and have been successfully employed for delaying optical signals1-4 and the enhancement of both linear5-7 and nonlinear devices.8-11
Photonic crystal cavities achieve similar effects to that of slow light waveguides, but over a reduced band-width. These cavities offer high Q-factor/volume ratio, for the realization of optically12 and electrically13 pumped ultra-low threshold lasers and the enhancement of nonlinear effects.14-16 Furthermore, passive filters17 and modulators18-19 have been demonstrated, exhibiting ultra-narrow line-width, high free-spectral range and record values of low energy consumption.
To attain these exciting results, a robust repeatable fabrication protocol must be developed. In this paper we take an in-depth look at our fabrication protocol which employs electron-beam lithography for the definition of photonic crystal patterns and uses wet and dry etching techniques. Our optimised fabrication recipe results in photonic crystals that do not suffer from vertical asymmetry and exhibit very good edge-wall roughness. We discuss the results of varying the etching parameters and the detrimental effects that they can have on a device, leading to a diagnostic route that can be taken to identify and eliminate similar issues.
The key to evaluating slow light waveguides is the passive characterization of transmission and group index spectra. Various methods have been reported, most notably resolving the Fabry-Perot fringes of the transmission spectrum20-21 and interferometric techniques.22-25 Here, we describe a direct, broadband measurement technique combining spectral interferometry with Fourier transform analysis.26 Our method stands out for its simplicity and power, as we can characterise a bare photonic crystal with access waveguides, without need for on-chip interference components, and the setup only consists of a Mach-Zehnder interferometer, with no need for moving parts and delay scans.
When characterising photonic crystal cavities, techniques involving internal sources21 or external waveguides directly coupled to the cavity27 impact on the performance of the cavity itself, thereby distorting the measurement. Here, we describe a novel and non-intrusive technique that makes use of a cross-polarised probe beam and is known as resonant scattering (RS), where the probe is coupled out-of plane into the cavity through an objective. The technique was first demonstrated by McCutcheon et al.28 and further developed by Galli et al.29

Use of photonic crystal slow light waveguides and cavities has been widely adopted by the photonics community in many differing applications. Therefore fabrication and characterization of these devices are of great interest. This paper outlines our fabrication technique and two optical characterization methods, namely: interferometric (waveguides) and resonant scattering (cavities).

Fabricação e caracterização de guias de onda de luz de cristal fotônico lentas e cavidades

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view ...

Fabrication of Nano-engineered Transparent Conducting Oxides by Pulsed Laser Deposition

Nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition of metal oxides with tunable morphology, structure, density and stoichiometry by a proper control of the plasma plume expansion dynamics. Such versatility can be exploited to produce nanostructured films from compact and dense to nanoporous characterized by a hierarchical assembly of nano-sized clusters. In particular we describe the detailed methodology to fabricate two types of Al-doped ZnO (AZO) films as transparent electrodes in photovoltaic devices: 1) at low O2 pressure, compact films with electrical conductivity and optical transparency close to the state of the art transparent conducting oxides (TCO) can be deposited at room temperature, to be compatible with thermally sensitive materials such as polymers used in organic photovoltaics (OPVs); 2) highly light scattering hierarchical structures resembling a forest of nano-trees are produced at higher pressures. Such structures show high Haze factor (&gt;80%) and may be exploited to enhance the light trapping capability. The method here described for AZO films can be applied to other metal oxides relevant for technological applications such as TiO2, Al2O3, WO3 and Ag4O4.

We describe the experimental method to deposit nanostructured oxide thin films by nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas. By using this method Al-doped ZnO (AZO) films, from compact to hierarchically structured as nano-tree forests, can be deposited.

Fabricação de Nano-engenharia transparentes Óxidos Realização por deposição por laser pulsado

Nanosecond Pulsed  Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition  of metal oxides with tunable morphology, structure, ...

Fabrication of Polymer Microspheres for Optical Resonator and Laser Applications

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, interface precipitation, and mini-emulsion. In all methods, well-defined, micrometer-sized spheres are obtained from a self-assembling process in solution. The vapor diffusion method can result in spheres with the highest sphericity and surface smoothness, yet the types of the polymers able to form these spheres are limited. On the other hand, in the mini-emulsion method, microspheres can be made from various types of polymers, even from highly crystalline polymers with coplanar, &#960;-conjugated backbones. The photoluminescent (PL) properties from single isolated microspheres are unusual: the PL is confined inside the spheres, propagates at the circumference of the spheres via the total internal reflection at the polymer/air interface, and self-interferes to show sharp and periodic resonant PL lines. These resonating modes are so-called "whispering gallery modes" (WGMs). This work demonstrates how to measure WGM PL from single isolated spheres using the micro-photoluminescence (&#181;-PL) technique. In this technique, a focused laser beam irradiates a single microsphere, and the luminescence is detected by a spectrometer. A micromanipulation technique is then used to connect the microspheres one by one and to demonstrate the intersphere PL propagation and color conversion from coupled microspheres upon excitation at the perimeter of one sphere and detection of PL from the other microsphere. These techniques, &#181;-PL and micromanipulation, are useful for experiments on micro-optic application using polymer materials.

Protocols for the synthesis of microspheres from polymers, the manipulation of microspheres, and micro-photoluminescence measurements are presented.

Fabricação de Microsferas de Polímeros para Resonadores Ópticos e Aplicações Laser

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, ...

Femtosecond Laser Filaments for Use in Sub-Diffraction-Limited Imaging and Remote Sensing

Probing remote matter with laser light is a ubiquitous technique used in circumstances as diverse as laser-induced breakdown spectroscopy and barcode scanners. In classical optics, the intensity that can be brought to bear on a remote target is limited by the spot size of the laser at the distance of the target. This spot size has a lower bound determined by the diffraction limit of classical optics. However, amplified femtosecond laser pulses generate intensity sufficient to modify the refractive index of the ambient air and undergo self-focusing. This self-focusing effect leads to the generation of highly intense laser filaments which maintain their intensity and small sub-millimeter diameter size at distances well beyond the classical Rayleigh length. Such intensity provides the capability of remote scanning, imaging, sensing, and spectroscopy with enhanced spatial resolution. We describe a technique for generating filaments with a femtosecond regenerative chirped-pulse amplifier, and for using the resulting filament to conduct imaging and spectroscopic measurements at remote distances of at least several meters.

High-intensity femtosecond pulses of laser light can undergo cycles of Kerr self-focusing and plasma defocusing, propagating an intense sub-millimeter-diameter beam over long distances. We describe a technique for generating and using these filaments to perform remote imaging and sensing beyond the classical diffraction limits of linear optics.

Filamentos de Femtosecond Laser para uso em Sub-Diffraction-Limited imagens e sensoriamento remoto

Probing remote matter with laser light is a ubiquitous technique used in circumstances as diverse as laser-induced breakdown spectroscopy and barcode ...

Low-cost Custom Fabrication and Mode-locked Operation of an All-normal-dispersion Femtosecond Fiber Laser for Multiphoton Microscopy

A protocol is presented to build a custom low-cost yet high-performance femtosecond (fs) fiber laser. This all-normal-dispersion (ANDi) ytterbium-doped fiber laser is built completely using commercially available parts, including $8,000 in fiber optic and pump laser components, plus $4,800 in standard optical components and extra-cavity accessories. Researchers new to fiber optic device fabrication may also consider investing in basic fiber splicing and laser pulse characterization equipment (~$63,000). Important for optimal laser operation, methods to verify true versus apparent (partial or noise-like) mode-locked performance are presented. This system achieves 70 fs pulse duration with a center wavelength of approximately 1,070 nm and a pulse repetition rate of 31 MHz. This fiber laser exhibits the peak performance that may be obtained for an easily assembled fiber laser system, which makes this design ideal for research laboratories aiming to develop compact and portable fs laser technologies that enable new implementations of clinical multiphoton microscopy and fs surgery.

A method is presented to build a custom low-cost, mode-locked femtosecond fiber laser for potential applications in multiphoton microscopy, endoscopy, and photomedicine. This laser is built using commercially available parts and basic splicing techniques.

Fabricação personalizada de baixo custo e operação bloqueada pelo modo de um laser de fibra femtosecond de dispersão normal para microscopia multifoton

A protocol is presented to build a custom low-cost yet high-performance femtosecond (fs) fiber laser. This all-normal-dispersion (ANDi) ytterbium-doped ...

Fabrication of Nanoheight Channels Incorporating Surface Acoustic Wave Actuation via Lithium Niobate for Acoustic Nanofluidics

Controlled nanoscale manipulation of fluids is known to be exceptionally difficult due to the dominance of surface and viscous forces. Megahertz-order surface acoustic wave (SAW) devices generate tremendous acceleration on their surface, up to 108 m/s2, in turn responsible for many of the observed effects that have come to define acoustofluidics: acoustic streaming and acoustic radiation forces. These effects have been used for particle, cell, and fluid manipulation at the microscale, although more recently SAW has been used to produce similar phenomena at the nanoscale through an entirely different set of mechanisms. Controllable nanoscale fluid manipulation offers a broad range of opportunities in ultrafast fluid pumping and biomacromolecule dynamics useful for physical and biological applications. Here, we demonstrate nanoscale-height channel fabrication via room-temperature lithium niobate (LN) bonding integrated with a SAW device. We describe the entire experimental process including nano-height channel fabrication via dry etching, plasma-activated bonding on lithium niobate, the appropriate optical setup for subsequent imaging, and SAW actuation. We show representative results for fluid capillary filling and fluid draining in a nanoscale channel induced by SAW. This procedure offers a practical protocol for nanoscale channel fabrication and integration with SAW devices useful to build upon for future nanofluidics applications.

We demonstrate fabrication of nanoheight channels with the integration of surface acoustic wave actuation devices upon lithium niobate for acoustic nanofluidics via liftoff photolithography, nano-depth reactive ion etching, and room-temperature plasma surface-activated multilayer bonding of single-crystal lithium niobate, a process similarly useful for bonding lithium niobate to oxides.

Fabricação de canais de nanoaltura incorporando atuação de onda acústica superficial via Niobate de lítio para nanofluidos acústicos

Controlled nanoscale manipulation of fluids is known to be exceptionally difficult due to the dominance of surface and viscous forces. Megahertz-order ...

Fabricação de um Etalon de Fabry-Pérot para aplicação em espectroscopia de gases traços

Fabrication of a Low-Cost, Fiber-Coupled, and Air-Spaced Fabry-P&#233;rot Etalon

Fabry-P&#233;rot etalons (FPE) have found their way into many applications. In fields such as spectroscopy, telecommunications, and astronomy, FPEs are used for their high sensitivity as well as their exceptional filtering capability. However, air-spaced etalons with high finesse are usually built by specialized facilities. Their production requires a clean room, special glass handling, and coating machinery, meaning commercially available FPEs are sold for a high price. In this article, a new and cost-effective method to fabricate fiber-coupled FPEs with standard photonic laboratory equipment is presented. The protocol should serve as a step-by-step guide for the construction and characterization of these FPEs. We hope this&#160;will enable researchers to conduct fast and cost-effective prototyping of FPEs for various fields of application. The FPE, as presented here, is used for spectroscopic applications. As shown in the representative results section via proof of principle measurements of water vapor in ambient air, this FPE has a finesse of 15, which is sufficient for the photothermal detection of trace concentrations of gases.

Autor em destaque: Fabricação de um Fabry-Pérot Etalon de baixo custo, acoplado a fibra e espaçado a ar  

This protocol describes the construction of a low-cost, discrete, fiber-coupled, and air-spaced Fabry-Perot etalon with various applications, such as in trace-gas spectroscopy. The fabrication is possible in any facility with standard optical laboratory equipment available.

Fabricação de um Etalon Fabry-Pérot de baixo custo, acoplado à fibra e com espaço a ar

Fabry-P&#233;rot etalons (FPE) have found their way into many applications. In fields such as spectroscopy, telecommunications, and astronomy, FPEs are ...

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

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Fabricação personalizada de baixo custo e operação bloqueada pelo modo de um laser de fibra femtosecond de dispersão normal para microscopia multifoton

Fabricação de canais de nanoaltura incorporando atuação de onda acústica superficial via Niobate de lítio para nanofluidos acústicos

Fabricação de um Etalon Fabry-Pérot de baixo custo, acoplado à fibra e com espaço a ar

Fabricação de um Etalon Fabry-Pérot de baixo custo, acoplado à fibra e com espaço a ar