Изготовление 1-D фотонного кристалла резонатором на нановолокна Использование фемтосекундного лазера абляции

Резюме

Мы представляем протокол для изготовления 1-D фотоннокристаллических полости от диаметра субволновых кварцевых волокон (оптические нановолокна) с использованием фемтосекундного лазера абляции.

Аннотация

Мы представляем протокол для изготовления 1-D фотоннокристаллических (ПОЗ) полости на субволновых диаметра конусных оптических волокон, оптических нановолокон, с использованием фемтосекундного лазера абляции. Мы покажем, что тысячи периодических нано- кратеров изготовлены на оптическом нановолокна, облучая с помощью всего одного фемтосекундного лазерного импульса. Для типичного образца, периодические нано-кратеры с периодом 350 нм и диаметром постепенно изменяющейся от 50 - 250 нм на длине 1 мм изготавливаются на нановолокна с диаметром около 450 - 550 нм. Ключевым аспектом такого нанофабрикации является то, что само по себе нановолокна действует как цилиндрическая линза и фокусирует фемтосекундного лазерного луча на ее теневой поверхности. Кроме того, изготовление однократная делает его невосприимчивым к механическим нестабильностей и других дефектов изготовления. Такие периодические нано-кратеры на нановолокна, действуют как 1-D ПМСП и включить сильную и широкополосного отражения, сохраняя при этом высокую скорость передачи из режекции, Мы также представляем метод управления профилем массива нано-кратер для изготовления аподизированная и дефектоиндуцированной полости РНС на нановолокна. Сильное заключение поля, как поперечное и продольное, в основе нановолокон полостей и ФК-эффективной интеграции в волоконно-оптических сетей, может открыть новые возможности для нанофотоники приложений и квантовой информатики.

Введение

Сильное удержания света в нанофотонных устройств открывает новые горизонты в оптической науке. Современные технологии позволили Nanofabrication изготовление 1-D и 2-D фотонного кристалла (РНС) полости для новых перспектив в лазерной генерации ^{1, 2} зондирования и оптических применений переключения ^3. Кроме того, сильный свет материи взаимодействие в этих полостях ПЖС открывает новые возможности для квантовой информатики ^4. Помимо полостей ФК - , плазмонных Нанопустоты также показали многообещающие перспективы ^{5, 6, 7.} Тем не менее, взаимодействие таких полостей волокна на основе сети связи остается проблемой.

В последние годы, конический одномодовое оптическое волокно с диаметром субволновую, известный как оптический нановолокна, возникла в качестве перспективного нанофотонной устройства. Из-за сильногопоперечного удержания нановолокна руководствоваться поля и способности взаимодействовать с окружающей средой, нановолокна широко адаптирован и исследован для различных применений нанофотонных ^8. Кроме того, он также сильно исследованы и реализованы для квантовой манипуляции света и материи ^9. Эффективное сцепление излучения квантовых излучателей , таких как, одиночные / несколько охлажденных лазером атомов и одиночных квантовых точек, в нановолокон модах была изучена и продемонстрирована ^{10, 11, 12, 13, 14, 15.} Взаимодействие света и вещества на нановолокна может быть значительно улучшена за счет реализации структуры полости PHC на нановолокна ^{16, 17.}

Главное преимущество для SUCH система является технология волоконно-в-линии, которые могут быть легко интегрированы в сети связи. Светопропускание 99,95% через коническим нановолокна было продемонстрировано ^18. Тем не менее, передача нановолокна чрезвычайно чувствительны к воздействию пыли и загрязнений. Таким образом, изготовление структуры РНС на нановолокна с использованием традиционной техники Nanofabrication не очень плодотворными. Хотя изготовление полости на нановолокна с использованием сфокусированного ионного пучка (FIB) фрезерование было продемонстрировано ^{19, 20,} оптическое качество и воспроизводимость не так высока.

В этом видео - протокол, мы представляем недавно продемонстрировали ^{21, 22} техники изготовить РНС полостей на нановолокна с использованием фемтосекундного лазерной абляции. Измышления выполняются путем создания двухлучевой интерференционной картины фемтосекундного лазера на нановолокна и IRRADiating единого фемтосекундного лазерного импульса. Линзирования эффект нановолокна играет важную роль в реализации таких методов, создавая абляции кратеры на теневой поверхности нановолокна. Для типичного образца, периодические нано-кратеры с периодом 350 нм и диаметром постепенно изменяющейся от 50 - 250 нм на длине 1 мм изготавливаются на нановолокна с диаметром около 450 - 550 нм. Такие периодические нано-кратеры на нановолокна, действуют как 1-D РНС. Мы также представляем метод управления профилем массива нано-кратер для изготовления аподизированная и дефектоиндуцированной полости РНС на нановолокна.

Ключевым аспектом такого нанофабрикации является все оптическое производство, так что высокое оптическое качество может быть сохранен. Кроме того, изготовление осуществляется путем облучения всего одного фемтосекундного лазерного импульса, что делает технику невосприимчивым к механическим нестабильностей и других дефектов изготовления. Кроме того, это позволяет производить в доме ПМП нановолокна полости таким образом, что вероятность загрязнения могут быть сведены к минимуму. Этот протокол предназначен, чтобы помочь другим реализовать и адаптировать этот новый тип техники Nanofabrication.

На рисунке 1а показана принципиальная схема установки изготовления. Подробности процедуры установки изготовления и выравнивания обсуждаются в ^{21, 22.} Фемтосекундного лазера с 400 нм центральной длины волны и 120 фс длительности импульса падает на фазовой маски. Фаза маска разбивает фемтосекундного лазерного луча в 0 ° и ± 1 порядков. Блок луч используется для блокировки луча 0-го порядка. Складные зеркала симметрично рекомбинировать ± 1 заказы на позиции нановолокна, чтобы создать интерференционную картину. Шаг фазовой маски составляет 700 нм, поэтому интерференционная картина имеет шаг (Λ _G) 350 нм. Цилиндрическая линза фокусирует фемтосекундного лазерного луча вдоль нановолокна. Размер пучка через (Y-ось)и вдоль (Z-оси) нановолокна составляет 60 мкм и 5,6 мм, соответственно. Конусный волокно установлен на держателе, оборудованного пьезоэлектрический привод (ЦТС) для растягивания волокна. Верхняя крышка со стеклянной пластиной используется для защиты от пыли нановолокна. Держатель с коническим волокном закреплен на скамейке изготовления оборудованного с переводом (XYZ) и вращение (θ) этапов. Θ-этап позволяет вращение образца нановолокон в YZ-плоскости. X-ступень может также контролировать углы наклона вдоль XY- и XZ-плоскости. Камера CCD находится на расстоянии 20 см от нановолокна и под углом 45 ° в XY-плоскости для контроля положения нановолокон. Все эксперименты проводятся в чистом стенде, оборудованного HEPA (высокоэффективная частиц арестовывать) фильтров для достижения беспыльных условий. Пылесухость условие является существенным для поддержания передачи нановолокна.

Рисунок 1б показана схема оптических измерений. В процессе изготовления, оптические свойства кратко отслеживается запуск широкополосного (диапазон длин волн: 700 - 900 нм) Волокно связью источник света в сужающейся волокна и измерения спектра прошедшего и отраженного света с использованием высокого разрешения анализатора спектра. Перестраиваемый CW лазерный источник используется для правильного разрешения режимов полости и для измерения абсолютной передачи полости.

Мы представляем протокол для изготовления и определения характеристик. Раздел протокол разделен на три подраздела, подготовка нановолокна, лазерная изготовления фемтосекундного и характеристика изготавливаемых образцов.

протокол

ВНИМАНИЕ: используйте защитные очки и строго избегать прямого воздействия УФ-лампы и все лазеры, включая фемтосекундного лазера. Носите чистую комнату костюм и перчатки, чтобы избежать загрязнения. Утилизировать любые волокна мусор должным образом в коробке назначенный для мусора.

1. Nanofiber Приготовление

1. Используйте съемник покрытия оптоволокна, чтобы лишить полимерную оболочку из одномодового оптического волокна на длине 5 мм в двух местах, разделенных на 200 мм. Очистите два механически зачищенные части, используя чистую комнату салфетку, смоченной в метаноле. Dip волокна между этими двумя оголенных частей в ацетоне. Подождите 10 - 15 мин до куртка волокна разваливаются. Выньте волокно из ацетона и очищают всю оголенную часть, используя чистую комнату салфетку, смоченной в метаноле.
2. Установите зачищенный волокна на двух этапах оптического нановолокна Производство оборудования (ONME) для изготовления нановолокна.
   1. Запуск зонда лазера в волокно и контролировать transmissioп используя фотодиод и записывать данные передачи в компьютер с помощью АЦП карты. Запуск потока газа с помощью программного обеспечения ONME и зажечь пламя. Загрузите предварительно оптимизированный параметр в программном обеспечении ONME для изготовления конического волокна с диаметром талии 500 нм и начать процесс изготовления.
      Примечание: ONME является коммерчески доступным устройством, предназначенный для изготовления конусообразных оптических волокон с использованием стандартных тепла и тянуть технику. Он использует водородном пламени для нагрева волокна и две моторизованные стадии, чтобы вытащить волокна. Поток газа, и движения ступени управляются с помощью компьютерной программы. Предварительно оптимизированные параметры могут быть получены от поставщика, по специальному заказу.
3. После изготовления, поймать конического волокна к держателю нановолокна с использованием отверждаемой эпоксидной смолы УФ. Закройте держатель нановолокон , используя верхнюю крышку со стеклянной пластиной ( как показано на рисунке 1a). Поместите образец в чистую коробку и передать фемтосекундного Лос-Анджелесеизготовление Ser блок.

2. фемтосекундный лазер Fabrication

1. Выравнивание установки по изготовлению
   1. Поместите стеклянную пластину на стенде изготовления на высоте 15 мм. Облучают фемтосекундного лазера в течение 5 сек при энергии импульса 1 мДж. Определение фемтосекундного лазера абляции от белого света поколения, а также внешний вид абляции рисунка как повреждение линии на стеклянной пластине.
   2. Повторите процедуру путем изменения высоты стеклянной пластины с использованием X-этап лавку изготовления. Для каждого производства, перевести Y-этап изготовления скамейки на 1 мм, чтобы сделать изготовление в новом положении.
   3. Найти высоту для самой сильной абляции линии. В этом положении точно настроить угол наклона и положение одного из складных зеркал, чтобы максимизировать абляции. Кроме того, тонкая настройка наклон X-стадии изготовления скамейки, чтобы максимизировать абляции.
      Примечание: Угол наклона откидного зеркала настраивается USIнг кинематических держателя зеркала настройки ручки и положение зеркала настраивается путем перевода Z-этап, на котором он установлен.
   4. После оптимизации, отметьте положение абляции линии на программное обеспечение CCD камеры и снимите стеклянную пластину.
      Примечание: Управляющее программное обеспечение для камеры CCD позволяет захватывать изображения и нанесения пометок на захваченном изображении. Она также позволяет сохранять данные захваченного изображения и маркировки. Так как X-этап изготовления скамьи не имеет абсолютной ссылки положение, ПЗС изображение используется в качестве опорной позиции в X-оси. Разрешение CCD изображения составляет 10 мкм на пиксель.
   5. Использование платины (Pt) -coater, пальто стеклянная пластина в течение 60 с для осаждения 25 нм слой Pt на стеклянной пластине. Изображение образец абляция на стеклянной пластине с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM). Если шаблон абляции показывает периодическую структуру с периодом 350 нм (ожидаемая картина интерференционных полос), то алignment оптимизирован. Иначе повторите процедуру с шага (2.1.1 - 2.1.4) для более низких энергий импульсов (вплоть до 300 мкДж) до периодической модели абляции виден.
2. Изготовление аподизированной РНС полости
   1. Поместите коническую волокна на стенде изготовления приблизительно параллельно абляции линии, отмеченной на ПЗС-камеры.
   2. Отправить зонд лазера (мощность = 1 мВт) через конического волокна и наблюдать рассеяние от конического волокна на ПЗС-камеры. Самая сильная часть рассеяния соответствует области нановолокна из-за ее диаметра субволновую.
   3. Перевести Z-этап изготовления скамьи до центра нановолокна в положение абляции линии, отмеченной на ПЗС-камеры.
   4. Выключите лазера зонда и облучать фемтосекундного лазера с минимальной энергией импульса (<10 мкДж). Перевести Y-сцену, чтобы перекрывать нановолокна с помощью фемтосекундного лазерного луча. Перекрытие идентифицируется освещения нановолокна, наблerved на ПЗС-камеры.
      Примечание: нановолокна теперь совмещен относительно фемтосекундного лазерного луча вдоль Y и Z-оси.
   5. Для того, чтобы выровнять нановолокна вдоль оси Х, перевести X-сцену, чтобы перекрывать позицию нановолокон в положение абляции линии, отмеченной на ПЗС-камеры.
   6. Перевести Y-сцену, чтобы максимально увеличить перекрытие нановолокна с фемтосекундного лазера. Обратите внимание на отражение двух первых порядков из нановолокна (появляется в виде двух ярких пятен на стеклянной пластине верхней крышки). Обратите внимание на движение этих отражений пятен при переводе Y-этап назад и вперед.
      Примечание: Если эти пятна двигаться в одну сторону, то нановолокна не параллельно абляции линии. В этом случае поворот поворотного столика, чтобы сделать нановолокна параллельно абляции линии. Когда они параллельны, отражение пятна будут появляться в качестве вспышки.
   7. После создания нановолокон параллельно абляции линии, перевести Y-сцену, чтобы максимизироватьперекрытие между фемтосекундным лазерным лучом и нановолокна, путем измерения мощности фемтосекундного лазера, рассеянного в нановолокна волноводных мод с использованием фотодиода в конце сужающейся волокна. После максимального перекрытия, повернуть этап вращения на угол θ = фабрикации 0,5 град.
      Примечание: Для получения максимального совпадения между фемтосекундным лазерным лучом и нановолокна, можно было бы ожидать, что мощность фемтосекундного лазерного излучения, рассеянного в нановолокна модах, чтобы быть максимальным.
   8. Блок фемтосекундного лазера с измерителем мощности и установить энергию импульса до 0,27 МДж. Изменение параметров фемтосекундных лазерных в режим облучения однократном.
      Примечание: В этом режиме только один импульс генерируется при нажатии пожарной выключатель, в противном случае нет никакого выхода лазера.
      1. Удалить измеритель мощности от пути лазерного луча и огонь одного фемтосекундного лазерного импульса. Это завершает процесс изготовления.
3. Fabricatiна из дефектоиндуцированной РНС полости
   1. Проверьте выравнивание установки путем наблюдения абляции на стеклянной пластине, как описано в разделе 2.1. После нахождения высоты для самой сильной абляции линии, вставьте 0,5 мм медной проволоки в центре лазерного луча непосредственно перед фазовой маски. Медный провод должен быть вдоль оси ординат (перпендикулярно к абляции линии).
   2. Проверьте шаблон абляции на стеклянной пластине, изменяя положение медной проволоки вдоль Z-оси. Зафиксировать положение медной проволоки, когда рисунок абляция показывает единственный промежуток в центре абляции линии.
   3. После выравнивания выполнить лазерное изготовление фемтосекундного на нановолокна ниже процедуру, описанную в разделе 2.2. Для этого изготовления, установить угол изготовления для q = 0 град.

3. Определение характеристик сфабрикованных образцов

1. Измерение оптических свойств
   1. Приготовьте себетуп для оптических измерений , как показано на рисунке 1b. Запуск широкополосного источника света в коническом волокне и измерение спектра пропускания и отражения до и после изготовления с использованием анализатора спектра. После изготовления, спектр пропускания покажет полосе задерживания, соответствующий Брэгга резонанса сфабрикованному образца.
   2. Поворот лопастей волокна встроенного поляризатора, чтобы выбрать поляризацию и взять спектры для двух ортогональных поляризаций X-Pol и Y-Pol.
      Примечание: Для X-Pol (поляризации вдоль нано-кратеров) непропускания будет синим смещенной ²¹ ( в сторону более коротких длин волн) и рассеяние от нановолокна будет сильнее. Итак, выберите поляризаций, глядя на спектр и ПЗС-камеры.
   3. Для одной из поляризаций, принимают спектры пропускания путем растягивания конического волокна с использованием ЦТС ( как показано на рисунке 1b). Возьмите спектры по сне tretching конического волокна с шагом 2 мкм до максимального растяжения длиной 20 мкм (ограничена диапазоном сканирования ЦТС). Заметим, что резонансная Брэгга будет красное смещение (в сторону большей длины волны), растягивая конического волокна. Из этих спектров, вычислить сдвиг резонанса Брэгга, в расчете на единицу длины растяжку.
   4. Для получения разрешения мод резонатора и измерения абсолютной передачи резонатора, использовать перестраиваемый лазерный источник CW. Запуск лазера в коническом волокне и контролировать передачу с использованием фотодиода.
   5. Установите длину волны лазера в длинноволновую область на стороне края режекции для Y-Pol и использовать волокно встроенный поляризатор, чтобы свести к минимуму передачу. Таким образом, компонент Х-Pol подавляется, и выбирается только Y-Pol. Установите длину волны лазера для дальнейшего из красной боковой полосы краем и записывать передачи, растягивая коническую волокно от 0 - 20 мкм.
      1. Повторите измерение путем изменения лазерного Вавельength к синему стороне с шагом 0,3 нм, пока весь непропускания не покрывается. Исходя из этих данных, реконструировать весь спектр, используя данные для резонансного сдвига на единицу длины растяжения, измеренного на этапе 3.1.3.
         Примечание: Для типичного выборки, непропускания (Брэгга резонанс) наряду со сдвигами мод резонатора на 2 нм, растягивая конического волокна 20 мкм и типичного свободного спектрального диапазона для мод полости между 0,05 - 0,5 нм. Для заданной длины волны возбуждающего лазера можно измерить по крайней мере, 3 - 4 режима полости растяжение конического волокна. Разнос частот между режимами выводится из данных для резонансного сдвига на единицу длины растяжения, измеренного на этапе 3.1.3. Повторив измерения путем изменения длины волны лазерного излучения с шагом 0,3 нм, по меньшей мере 2 - 3 последовательных моды резонатора переоцениваются в последовательных измерений. Можно восстановить весь спектр путем накладывания данных передачи для последовательных измерений в то время как матцин положение мод резонатора на переоцениваются.
   6. Теперь измерения спектра для другой поляризации, используя аналогичную процедуру, как указано в пунктах 3.1.5 и 3.1.5.1.
2. Визуализация сфабрикованному образца
   1. Поместите Сфабрикованный образец на 2 см длиной металлической пластиной и зафиксировать оба конца сужающейся волокна к металлической пластине с помощью УФ-отверждаемые эпоксидная смола. Убедитесь, что облучение сторона образца обращена к металлической пластины таким образом, что теневая сторона может быть отображена.
   2. Используйте Pt-устройства для нанесения покрытия для покрытия образца в течение 30 с и нанесения слоя Pt с толщиной около 10 нм. Поместите образец в РЭМ. Возьмем сканирующего электронного микроскопа изображение образца на каждые 0,1 мм по всей сфабрикованному области.

Результаты

На рисунке 2 показана СЭМ изображение типичного сегмента сфабрикованному образца нановолокна. Это показывает, что периодические нано-кратеры образуются на теневой стороне нановолокна, с периодичностью 350 нм, соответствующих хорошо интерференционной картин...

Обсуждение

Линзированием эффект нановолокна играет важную роль в технологии изготовления, создавая тем самым нано-кратеры на теневой поверхности нановолокна (показано на фиг.2). Линзирования эффект нановолокна также делает процесс изготовления надежной для любых механических нестабил...

Материалы

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