Lab-on-Fiber Technology PDF by Andrea Cusano, Marco Consales, Alessio Crescitelli, and Armando Ricciardi

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Lab-on-Fiber Technology

By Andrea Cusano, Marco Consales, Alessio Crescitelli, and Armando Ricciardi

Lab-on-Fiber Technology

Contents

1 Multimaterial Fibers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Guangming Tao, Ayman F. Abouraddy, Alexander M. Stolyarov and Yoel Fink

1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Material Constraints and Fiber Drawing . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Multimaterial Preform Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3.1 Rod-in-Tube Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3.2 Extrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3.3 Stack-and-Draw Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3.4 Thin-Film Rolling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.4 Photonic Multimaterial Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.4.1 Multimaterial PBG Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.5 Optoelectronic Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.5.1 Metal-Insulator-Semiconductor Fibers . . . . . . . . . . . . 12

1.5.2 Crystalline-Semiconductor-Core Fibers . . . . . . . . . . . 15

1.6 In-Fiber Synthesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.7 Other Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.8 Conclusions and Outlook. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2 Optical Micro/Nanofiber as Valuable Technological Platform

for Lab on Fiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Xiaoqin Wu, Limin Tong and Eric Mazur

2.1 Fabrication. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.2 Micromanipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.3 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.3.1 Waveguiding Modes in MNFs . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.3.2 Evanescent Coupling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.3.3 Bending Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.4 Platform for Lab on Fiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.4.1 MNF-Based Passive Components and Devices . . . . . . 34

2.4.2 MNF Lasers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.4.3 MNF Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.5 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3 SOI Microring Resonator Sensor Integrated on a Fiber Facet . . . 53

Cristina Lerma Arce, Katrien De Vos, Tom Claes,

Katarzyna Komorowska and Peter Bienstman

3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.2 Silicon-on-Insulator Ring Resonator Biosensors . . . . . . . . . . . 56

3.3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.3.1 Design of the Optical Circuit to be Transferred

on the Fiber Facet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.3.2 Transfer of the Photonic Chip to the Fiber Facet . . . . 61

3.3.3 Characterization of the Fiber Probe Sensor . . . . . . . . 64

3.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4 Monolithic Silicon Photonic Crystal Fiber Tip Sensors. . . . . . . . . 69

Bryan Park and Olav Solgaard

4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.2 Photonic Crystals Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.3 Photonic Crystal Fabrication and Fiber Sensor Assembly . . . . 74

4.3.1 Photonic Crystal Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.3.2 Fiber Tip Sensor Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.4 Fiber Tip Sensor Characterization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.4.1 Sensitivity to Refractive Index . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.4.2 Sensitivity to Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.4.3 Simultaneous Detection of Refractive Index

and Temperature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.4.4 High Temperature Measurement. . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

5 Hybrid Nanoimprint-Soft Lithography for Highly Curved

Surface with Sub-15 nm Resolution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Haixiong Ge, Wei Wu and Wen-Di Li

5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

5.2 Hybrid Nanoimprint-Soft Lithography. . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

5.3 Patterning with HNSL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

5.4 Double Transfer UV-Curing Nanoimprint Lithography . . . . . . 99

5.5 Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

5.6 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

6 Functional Metamaterials for Lab-on-Fiber. . . . . . . . . . . . . . . . . 111

Peter Reader-Harris and Andrea Di Falco

6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

6.2 Flexible Metasurfaces for Lab-on-Fiber. . . . . . . . . . . . . . . . . 113

6.2.1 Fabrication Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

6.2.2 Fiber Mounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

6.3 Demonstration of Use on Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

6.3.1 Guided Mode Resonance Filter . . . . . . . . . . . . . . . . 123

6.3.2 Angular Robustness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

6.4 Conclusions and Outlook. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

7 Multifunctional Fiber Optic Plasmonic Nanoprobes. . . . . . . . . . . 133

  1. Crescitelli, M. Consales, E. Esposito, G. Quero, A. Ricciardi and A. Cusano

7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

7.2 Fabrication Technique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

7.3 Structure Design and Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

7.4 Structure Fabrication and Characterization. . . . . . . . . . . . . . . 138

7.5 Biological and Chemical Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

7.5.1 Bulk Refractive Index Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . 140

7.5.2 Surface Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

7.6 Acoustic Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

7.7 Resonance Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

7.7.1 Slab Thickness Impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

7.7.2 Effect of the High RI Overlay . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

7.7.3 Polarization Dependent Nanostructures . . . . . . . . . . . 151

7.8 Conclusions and Outlook. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

8 Miniaturized Optical Tweezers Through Fiber-End Microfabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

Carlo Liberale, Gheorghe Cojoc, Vijayakumar Rajamanickam, Lorenzo Ferrara, Francesca Bragheri, Paolo Minzioni,

Gerardo Perozziello, Patrizio Candeloro, Ilaria Cristiani and Enzo di Fabrizio

8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

8.2 Fiber-Optical Tweezers: Working Principle . . . . . . . . . . . . . . 161

8.3 On-Fiber Fabrication. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

8.3.1 FIB Fiber-End Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

8.3.2 Two-Photon Lithography Fiber-End Fabrication . . . . . 164

8.4 Trapping Experiments with Fiber-OT . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

8.4.1 Microfluidic Chip Integration. . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

8.5 Conclusions and Outlook. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

9 Hydrogen Detection Using a Single Palladium Nano-Aperture

on a Fiber Tip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

Steven J. McKeown and Lynford L. Goddard

9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

9.2 Palladium-Hydrogen System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

9.3 Fiber Optic Hydrogen Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

9.4 Metallic Nano-Apertures and Extraordinary

Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

9.5 Nano-Aperture Sensor Structure and Layout . . . . . . . . . . . . . 192

9.6 Nano-Aperture Sensor Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

9.7 Fabrication and Measurement of a Fiber Nano-Aperture

Hydrogen Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

9.8 a Phase Transmission Measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

9.9 b Phase Transmission Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

9.10 Polarization Dependent Transmission Measurements. . . . . . . . 201

9.11 Reflection Measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

9.12 Conclusions and Outlook. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

10 Lab-in-a-Microfibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

John Canning

10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

10.2 Spilt Coffee and Silica Microfibres. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

10.3 The Nanostructure of Silica Microfibres . . . . . . . . . . . . . . . . 217

10.4 Doped Microwires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

10.5 Complex and Mixed Nanoparticle Self-Assembly. . . . . . . . . . 225

10.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

11 Lab on Fiber by Using the Breath Figure Technique . . . . . . . . . . 233

Marco Pisco, Giuseppe Quero, Agostino Iadicicco, Michele Giordano, Francesco Galeotti and Andrea Cusano

11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

11.2 Lab on Fiber Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

11.3 Breath Figure Structures onto the Optical Fiber Tip . . . . . . . . 238

11.4 Morphological Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

11.5 Spectral Reflectance via Numerical and Experimental Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

11.6 Sensing Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

11.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

12 Electrohydrodynamic Dispenser for Delivering Multiphase Samples at Nanoscale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

Sara Coppola, Veronica Vespini, Francesco Merola, Melania Paturzo, Lisa Miccio, Oriella Gennari, Simonetta Grilli and Pietro Ferraro

12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252

12.2 Manipulation of Polymer- and Oil-Based Materialsn for Patterning Micro Lenses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252

12.3 Pyro-Electrohydrodynamic Platform for Manipulating

Multiphase Liquids at Nanoscale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

12.4 Self-assembling of Polymeric Liquids for Fabricating Single or Arrays of 3D Microstructures. . . . . . . .  . . . . . . . 267

12.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

13 Fiber Optic Sensors Based on Nanostructured Materials . . . . . . . 277

Cesar Elosua, Miguel Hernaez, Ignacio R. Matias and Francisco J. Arregui

13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

13.2 Multilayer Based Nanostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

13.3 Sol-Gel Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

13.3.1 Chemical Reaction and Morphology . . . . . . . . . . . . . 283

13.3.2 Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

13.4 Molecularly Imprinted Polymers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287

13.4.1 Molecular Imprinting Basic Concepts . . . . . . . . . . . . 287

13.4.2 Sensors Based on MIPs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

13.5 Metallic Nano Thin Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290

13.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

14 Sensitive and Selective Lab-on-a-Fiber Sensor for Bacteria Detection in Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

Wojtek J. Bock, Saurabh Mani Tripathi and Mateusz Smietana

14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

14.2 Materials and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

14.2.1 LPFG Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

14.2.2 E. coli Culturing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304

14.2.3 T4 Bacteriophage Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . 304

14.2.4 Experimental Set-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

14.3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

14.3.1 Physical Adsorption Based Sensing . . . . . . . . . . . . . 305

14.3.2 Covalent Bacteriophage Immobilization

and Quantitative E. coli Detection . . . . . . . . . . . . . . 308

14.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

15 Photonic Crystal Fiber as a Lab-in-Fiber Optofluidic

Platform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

Fei Tian, Svetlana Sukhishvili and Henry Du

15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316

15.2 PCF as a Light Guide and Its Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . 316

15.3 PCF as Optofluidics Platform. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

15.4 PCF as Lab-in-Fiber Microreactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

15.5 PCF as Optofluidic Sensor and Process Monitor. . . . . . . . . . . 320

15.5.1 SERS-Active PCF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320

15.5.2 Long-Period Gratings in PCF as Index Transduction Platform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324

15.6 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332

16 Overview of Micro- and Nano-Structured Surface Plasmon

Resonance Fiber Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335

Byoungho Lee and Taerin Chung

16.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335

16.2 Fundamentals of Fiber-Optic Surface Plasmon Resonance Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336

16.2.1 Basic Principles of Surface Plasmon Resonance . . . . . 337

16.2.2 Schematic and Sensing Principles of Fiber SPR Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337

16.3 Various Micro- and Nano-Structured SPR Fiber Sensors . . . . . 340

16.3.1 Micro- and Nano-Structured SPR Fiber Sensors Based on Fiber Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340

16.3.2 Micro- and Nano-Structured Fiber SPR Sensors Based on Gratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344

16.3.3 Nano-Structured LSPR Fiber Sensors . . . . . . . . . . . . 348

16.4 Other Structures of SPR Fiber Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . 350

16.5 Conclusion and Prospect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355

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