המצאה של 1-D פוטוניים Crystal חלל על nanofiber שימוש Femtosecond אבלציה לייזר המושרה
Summary
אנו מציגים פרוטוקול עבור בודה חללים גבישים פוטוניים 1-D על סיבי סיליקה בקוטר subwavelength (nanofibers אופטי) באמצעות אבלציה לייזר המושרה femtosecond.
Abstract
אנו מציגים פרוטוקול עבור בודה 1-D פוטוניים קריסטל (PHC) חללים על סיבים אופטיים מחודדות בקוטר subwavelength, nanofibers אופטי, באמצעות אבלציה לייזר המושרה femtosecond. אנו מראים כי אלפי מכתשי ננו תקופתי מיוצרים על nanofiber אופטי על ידי הקרנת רק עם דופק לייזר femtosecond יחיד. עבור מדגם טיפוסי, מכתשים-ננו תקופתיים עם תקופה של 350 ננומטר עם קוטר משתנה בהדרגה מ 50 – 250 ננומטר לאורך של 1 מ"מ מיוצרים על nanofiber עם קוטר כ -450 – 550 ננומטר. היבט מרכזי של nanofabrication כזו היא כי nanofiber עצמו פועל כעדשה גלילי וממקדת קרן לייזר femtosecond על משטח הצל שלה. יתר על כן, ייצור יחיד ירה עושה את זה חסין מפני אי יציבות מכאנית ופגמי ייצור אחרים. ננו-מכתשים תקופתיים על nanofiber, לשמש PHC 1-D ולאפשר השתקפות חזקה בפס רחב תוך שמירה על השידור הגבוה מתוך stopband. כמו כן, אנו מציגים שיטה לשלוט הפרופיל של מערך ננו-המכתש לפברק apodized ו-induced פגמו חללי PHC על nanofiber. הכליאה החזקה של השדה, הן רוחבית אורך ורוחב, בתוך חללי PHC מבוסס nanofiber ואת האינטגרציה היעילה לרשתות הסיבים, עשויה לפתוח אפשרויות חדשות עבור יישומי nanophotonic ומדע מידע קוונטי.
Introduction
כליאה חזקה של אור במכשירי nanophotonic פתחה אופקים חדשים במדע אופטי. טכנולוגיות nanofabrication מודרניות אפשרו ייצור של 1-D ו 2-D פוטוניים קריסטל (PHC) חורים בתור לקוחות פוטנציאליים חדשים ב lasing 1, חישת 2 ויישומי מיתוג אופטיים 3. יתר על כן, אינטראקציה אור-משנה חזקה חללים PHC אלה פתחה אפיקים חדשים למדע מידע קוונטי 4. מלבד עששת PHC, nanocavities plasmonic הראה גם 5 תחזיות מבטיחות, 6, 7. עם זאת, התממשקות חללים כאלה לרשת תקשורת מבוססת סיבים עדיין מהווה אתגר.
בשנים האחרונות, סיב אופטי במצב יחיד מחודד עם קוטר subwavelength, המכונה nanofiber האופטי, התפתח כהתקן nanophotonic מבטיח. בשל חזקכליאה רוחבית של השדה מודרך nanofiber ואת היכולת ליצור אינטראקציה עם המדיום שמסביב, nanofiber מותאם נרחבת וחקר ליישומי nanophotonic שונים 8. חוץ מזה, הוא גם נחקר בחום ויושם מניפולציה הקוונטי של אור וחומר 9. צימוד יעיל של פליטה מ קרינת קוונטים כמו, אטומי ליזר מקורר יחידים / מעטי נקודות קוונטיות יחידות, לתוך מצבי מודרך nanofiber נחקר והפגין 10, 11, 12, 13, 14, 15. האינטראקציה אור-משנה על nanofiber ניתן לשפר באופן משמעותי על ידי יישום מבנה חלל PHC על nanofiber 16, 17.
היתרון העיקרי עבור such מערכת היא סיב-ב-קו הטכנולוגיה אשר ניתן לשלב בקלות לרשת תקשורת. העברת אור של 99.95% דרך nanofiber המחודדת הודגמה 18. עם זאת, משמעות הדבר ששידור nanofiber רגיש מאוד אבק וזיהום. לכן, ייצור של מבנה PHC על nanofiber באמצעות טכניקת nanofabrication קונבנציונלית אינו פורה מאוד. למרות ייצור חלל על nanofiber באמצעות אלומת יונים ממוקדת (FIB) טחינה הודגם 19, 20, האיכות האופטית השחזור הוא לא גבוה.
בפרוטוקול הווידאו הזאת, אנו מציגים טכניקה 21 הוכיחו לאחרונה, 22 לפברק חללים PHC על nanofiber באמצעות אבלציה לייזר femtosecond. הבדיות מבוצעות על ידי יצירת תבנית ההתאבכות שני-קרן הלייזר femtosecond על nanofiber ו irradiating דופק לייזר femtosecond יחיד. ההשפעה של עידוש nanofiber ממלאת תפקיד חשוב ביכולת המימוש של טכניקות כגון, יצירת מכתשים אבלציה על פני השטח בצל nanofiber. עבור מדגם טיפוסי, מכתשים-ננו תקופתיים עם תקופה של 350 ננומטר עם קוטר משתנה בהדרגה מ 50 – 250 ננומטר לאורך של 1 מ"מ מיוצרים על nanofiber עם קוטר כ -450 – 550 ננומטר. ננו-מכתשים תקופתיים על nanofiber, לשמש PHC 1-D. כמו כן, אנו מציגים שיטה לשלוט הפרופיל של מערך ננו-המכתש לפברק apodized ו-induced פגמו חללי PHC על nanofiber.
היבט מרכזי של nanofabrication כזה הוא ההמצאה האופטית הכל, כך איכות אופטית גבוהה יכולה להישמר. יתר על כן, הייצור נעשה על ידי ההקרנה של רק דופק ליזר femtosecond אחת, מה שהופך את חיסון הטכניקה אי יציבות מכאנית ופגמי ייצור אחרים. כמו כן זה מאפשר in-house ייצור של ננו PHCחלל סיבים כך ההסתברות של זיהום ניתן למזער. פרוטוקול זה נועד לעזור לאחרים ליישם ולהתאים לסוג חדש זה של טכניקת nanofabrication.
איור 1 א מציג את תרשים סכמטי של ההתקנה ייצור. הפרטים של הליכי ההתקנה ויישור ייצור נדונים 21, 22. ליזר femtosecond עם 400 אורך גל מרכז ננומטר רוחב הפולס 120 FS הוא אירוע על מסכת שלב. מסכת השלב מפצלת את קרן ליזר femtosecond ב ל 0 ו ± 1 הזמנות. זינוק קרן משמש כדי לחסום את הקורה 0 מסדר. המראות מתקפלות באופן סימטרי ולשלב מחדש את ± 1 הזמנות במיקום nanofiber, ליצור תבנית התאבכות. ההגשה של מסכת השלב היא 700 ננומטר, ולכן תבנית ההתאבכות יש מגרש (Λ G) של 350 ננומטר. העדשה הגלילית מתמקדת קרן ליזר femtosecond לאורך nanofiber. גודל הקרן פני (ציר Y)ולאורך (Z ציר) את nanofiber הוא 60 מיקרומטר ו -5.6 מ"מ, בהתאמה. הסיבים המחודדים הוא רכוב על בעל מצויד הינע פייזו (PZT) עבור מתיחת הסיבים. כיסוי עליון עם צלחת זכוכית משמש כדי להגן על nanofiber מפני אבק. הבעל עם הסיבים המחודדים הוא קבוע על ספסל ייצור מאובזר עם תרגום (XYZ) וסיבוב (θ) בשלבים. Θ שלבית מאפשר סיבוב של המדגם nanofiber ב מטוס- YZ. The X-שלב יכול גם לשלוט על זוויות הטיה יחד XY- ו XZ-המטוס. מצלמת CCD הוא ממוקם במרחק של 20 ס"מ מן nanofiber ו בזווית של 45 מעלות במישור-XY לפקח על המיקום nanofiber. כל הניסויים מבוצעים בתוך תא נקי מצויד HEPA (מעצר חלקיקי יעילות גבוהה) מסנן כדי להשיג תנאים ללא אבק. אבק ללא תנאי הכרחי כדי לשמור על העברת nanofiber.
איור 1ב מציג את סכימטי של המדידות האופטיות. במהלך ייצור, התכונות האופטיות מנוטרות בקצרה בעזרת השקה (טווח אורכי גל: 700 – 900 ננומטר) פס רחב מקור אור מצמיד סיבים לתוך הסיב המחודד ומדידת הספקטרום של משודר והשתקפות האור באמצעות נתח ספקטרום ברזולוציה גבוהה. מקור ליזר CW מתכונן משמש כדי לפתור את מצבי החלל כראוי וכדי למדוד את הולכת החלל המוחלטת.
אנו מציגים פרוטוקול עבור ייצור ואפיון. באזור הפרוטוקול חולק לשלושה סעיפים קטנים, הכנת nanofiber, ייצור ליזר femtosecond ואפיון של הדגימות המפוברקות.
Protocol
Representative Results
Discussion
ההשפעה של עידוש nanofiber ממלאת תפקיד חשוב טכניקת הייצור, ובכך ליצור מכתשי ננו על פני השטח בצל nanofiber (שמוצג באיור 2). ההשפעה של עידוש nanofiber גם הופכת את תהליך הייצור חזק כדי אי יציבות מכאנית בכל בכיוון הרוחבי (ציר Y). יתר על כן, בשל הקרנה חד נורה, הוא אי היציבות לאורך צי?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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).
Materials
| 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 | |
| Fiber coating stripper | NTT-AT | Fiber nippers 250 μm |
References
- Painter, O. J., et al. Two-Dimensional Photonic Band-Gap Defect Mode Laser. Science. 284, 1819-1821 (1999).
- Loncar, M., Scherer, A., Qiu, Y. Photonic crystal laser sources for chemical detection. Appl. Phys. Lett. 82, 4648 (2003).
- Tanabe, T., Notomi, M., Mitsugi, S., Shinya, A., Kuramochi, E. All-optical switches on a silicon chip realized using photonic crystal nanocavities. Appl. Phys. Lett. 87, 151112 (2005).
- Yoshie, T., et al. Vacuum Rabi splitting with a single quantum dot in a photonic crystal nanocavity. Nature. 432, 200-203 (2004).
- Akimov, A. V., et al. Generation of single optical plasmons in metallic nanowires coupled to quantum dots. Nature. 450, 402-406 (2007).
- Noginov, M. A., et al. Demonstration of a spaser-based nanolaser. Nature. 460, 1110-1112 (2009).
- Zhang, X. Y., Zhang, T., Hu, A., Song, Y. J., Duley, W. W. Controllable plasmonic antennas with ultra narrow bandwidth based on silver nano-flags. Appl. Phys. Lett. 101, 153118 (2012).
- Tong, L., Zi, F., Guo, X., Lou, J. Optical microfibers and nanofibers: A tutorial. Opt. Comm. 285, 4641-4647 (2012).
- Morrissey, M. J., et al. Spectroscopy, manipulation and trapping of neutral atoms, molecules, and other particles using optical nanofibers: A review. Sensors. 13, 10449-10481 (2013).
- Kien, F. L., Dutta Gupta, S., Balykin, V. I., Hakuta, K. Spontaneous emission of a cesium atom near a nanofiber: Efficient coupling of light to guided modes. Phys. Rev. A. 72, 032509 (2005).
- Nayak, K. P., Melentiev, P. N., Morinaga, M., Kien, F. L., Balykin, V. I., Hakuta, K. Optical nanofiber as an efficient tool for manipulating and probing atomic fluorescence. Opt. Express. 15, 5431-5438 (2007).
- Nayak, K. P., Hakuta, K. Single atoms on an optical nanofiber. New J. Phys. 10, 053003 (2008).
- Nayak, K. P., Kien, F. L., Morinaga, M., Hakuta, K. Antibunching and bunching of photons in resonance fluorescence from a few atoms into guided modes of an optical nanofiber. Phys. Rev. A. 79, 021801 (2009).
- Yalla, R., Nayak, K. P., Hakuta, K. Fluorescence photon measurements from single quantum dots on an optical nanofiber. Opt. Express. 20, 2932-2941 (2012).
- Yalla, R., Kien, F. L., Morinaga, M., Hakuta, K. Efficient Channeling of Fluorescence Photons from Single Quantum Dots into Guided Modes of Optical Nanofiber. Phys. Rev. Lett. 109, 063602 (2012).
- Kien, F. L., Hakuta, K. Cavity-enhanced channeling of emission from an atom into a nanofiber. Phys. Rev. A. 80, 053826 (2009).
- Kato, S., Aoki, T. Strong coupling between a trapped single atom and an all-fiber cavity. Phys. Rev. Lett. 115, 093603 (2015).
- Hoffman, J. E., et al. Ultrahigh transmission optical nanofibers. AIP Advances. 4, 067124 (2014).
- Nayak, K. P., et al. Cavity formation on an optical nanofiber using focused ion beam milling technique. Opt. Express. 19, 14040-14050 (2011).
- Kien, F. L., Nayak, K. P., Hakuta, K. Nanofibers with Bragg gratings from equidistant holes. J. Modern Opt. 59, 274-286 (2012).
- Nayak, K. P., Hakuta, K. Photonic crystal formation on optical nanofibers using femtosecond laser ablation technique. Opt. Express. 21, 2480-2490 (2013).
- Nayak, K. P., Zhang, P., Hakuta, K. Optical nanofiber-based photonic crystal cavity. Opt. Lett. 39, 232-235 (2014).
- Becker, M., et al. Fiber Bragg grating inscription combining DUV sub-picosecond laser pulses and two-beam interferometry. Opt. Express. 16, 19169-19178 (2008).
