[論文レビュー] Laser Nano-Filament Explosion for Enabling Open-Grating Sensing in Optical Fibre

Keivan Mahmoud Aghdami, Abdullah Rahnama+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2020

Advanced Fiber Optic Sensors参考文献 65被引用数 38

ひとこと要約

本論文では、シリカ光ファイバのクラッドおよびコアを貫通する高長径比・波長未満のナノホールを生成するためのレーザー・ナノフィラメント爆発技術を提案する。これにより、強固でオープン・グレーティング構造を有するフォトニック・ブレグ・グレーティング（FBG）が実現され、強力な光子的ストップバンドを示す。フェムト秒レーザー・フィラメントとその後行う化学エッチングを組み合わせることで、高屈折率（RI）感度が最大600 nm/RIUに達する鋭いピークシフトを示すFBGが実現され、ファイバの薄化や損傷を伴わず、ナノホールへのキャピラリー吸引を介して液体やガスのリアルタイムで高分解能なセンシングが可能となる。

ABSTRACT

Embedding strong photonic stopbands into traditional optical fibre that can directly access and sense the outside environment is challenging, relying on tedious nanoprocessing steps that result in fragile thinned fibre. Ultrashort pulsed laser filaments have recently provided a non contact means of opening high aspect ratio nanoholes inside of bulk transparent glasses. This method has been extended here to optical fibre, resulting in high density arrays of laser filamented holes penetrating transversely through the silica cladding and guiding core to provide high refractive index contrast Bragg gratings in the telecommunication band. The point by point fabrication was combined with post-chemical etching to engineer strong photonic stopbands directly inside of the compact and flexible fibre. Fibre Bragg gratings with sharply resolved pi-shifts are presented for high resolution refractive index sensing from n = 1 to 1.67 as the nano-holes were readily wetted and filled with various solvents and oils through an intact fibre cladding.

研究の動機と目的

• 環境センシングを目的として、固体コア光ファイバに直接、高コントラストの光子的ストップバンドを埋め込む非接触で耐久性のある手法を開発すること。
• 機械的薄化やクラッド除去を要しないことで、従来のナノ加工ファイバーセンサの脆さや複雑さを克服すること。
• ファイバーコアおよびクラッドにオープンでキャピラリー通過可能なナノホールアレイを形成することで、強力でチューナブルかつ高感度な屈折率センシングを実現すること。
• 分解能を高めるために、狭いライン幅（<200 pm）の高品質因子（Q）を有するpシフト型FBG共鳴を実現すること。

提案手法

• 収差補正プレートを備えたフェムト秒レーザー・フィラメントを用いることで、ファイバ断面を貫通する高長径比ナノホール（直径約200 nm）の非接触で正確な加工が可能となる。
• レーザー誘起ナノ爆発により、熱影響領域を最小限に抑えつつ、孤立した貫通ホールが形成され、ファイバの機械的整合性が保持される。
• 後続の化学エッチング（HF酸）により、ナノホール径を200 nmから700 nmまで制御的に増大させ、フォトニックバンドギャップのエンジニアリングが可能となる。
• 周期的ナノホールアレイ（周期Λ = 1.072 μm）をパターン形成し、1550 nm帯の通信帯域で強いストップバンド応答を示す2次高次のブレッググレーティングを形成する。
• ナノホールアレイにpシフト型欠陥を導入することで、狭帯域で高Q共鳴（Q ~ 10^4）を生成し、センシング分解能を向上させる。
• キャピラリー力により、屈折率（n = 1.002～1.67）が異なる液体が、自然にナノホールに充填可能となり、リアルタイムのオプトフロイドセンシングが実現される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェムト秒レーザー・フィラメントを用いて、クラッドの損傷を伴わず、ファイバの薄化を要せず、高長径比の貫通ナノホールを形成できるか？
• RQ2 レーザー・フィラメントと化学エッチングを用いて形成されたナノホールFBGで達成可能な最大屈折率感度はどの程度か？
• RQ3 ナノホールアレイにpシフト型欠陥を組み込むことで、FBGのスペクトル応答およびセンシング分解能にどのような影響を与えるか？
• RQ4 キャピラリー作用が、多様な液体に対して自然かつ可逆的にナノホールを充填できる程度はどの程度か？
• RQ5 レーザー・ナノフィラメントと化学エッチングの組み合わせにより、実用的センシング用途に適した強固で機械的安定性を有するFBGと強力なフォトニック・ストップバンドを実現できるか？

主な発見

• レーザー・ナノフィラメント爆発技術により、標準的なSMF-28ファイバのクラッドおよびコアを貫通する200 nmのナノホールが、構造的損傷を引き起こさずに作成された。長径比は約500に達した。
• 化学エッチングは、初期2分の遅延を経て、100 nm/minの割合でナノホール径を増大させることができ、フォトニックバンドギャップのチューナブルなエンジニアリングが可能となった。
• 作製されたFBGは、高屈折率（n = 1.66）および大きなホール径（700 nm）条件下で最大600 nm/RIUの屈折率感度を示し、従来のFBGを大きく上回った。
• pシフト型FBGは100 pm（3 dB）のライン幅を達成し、高品質因子（Q ~ 10^4）を示しており、高分解能センシングに適した。
• キャピラリー流動により、空気（n = 1.002）から油（n = 1.670）まで、1秒未満から数秒のスケールでナノホールが完全に湿潤化され、リアルタイムセンシングが可能となった。
• シミュレーションと実験の両方で、屈折率の変化に伴い迅速にシフトする強力でスペクトル的に狭いストップバンドが確認され、オープン・グレーティング構造の高感度性と耐久性が裏付けられた。