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