تلفيق من السيليكا عالية جدا Microresonators عامل الجودة

1. Microsphere تلفيق

1. حدد كمية صغيرة (حوالي 5 بوصة) من الألياف الضوئية، وقطاع ~ 1.5 "الكسوة واحدة من نهاية وتنظيف إما مع الميثانول أو الايثانول (الشكل 1A، ب).
2. إذا كانت متوفرة، يلتصق نهاية مع الساطور الألياف البصرية. إذا لم يتوفر، وقطع مع قواطع للاسلاك أو مقص بحيث يتم ترك ~ 0.5 ". وميزة استخدام الألياف البصرية الساطور هو أنها تنتج على نحو سلس جدا، وقطع موحدة كما في الشكل 1B. خشونة الزائدة أو عيوب من قطع قد يسبب إنحسر متفاوت، وتخفيض عامل الجودة من المجالات الناتجة عن ذلك.
3. كشف نهاية الألياف تنظيفها إلى 3W من قوة ليزر ثاني أكسيد الكربون ₂ ركز على ~ 500μm قطرها حجم البقعة لل~ 1 ثانية (الشكل 1C، د، ه). وتنتج هذه المجالات ~ 200μm في القطر، ولكن يمكن ضبطها حجم بالزيادة أو النقصان القطر من الألياف البصرية. تعديل طفيف قد كثافة الليزر أيضا باللازمة لمجالات إنحسر أكبر أو أصغر ه.

2. Microtoroid تلفيق

1. تصميم وصنع الضوئية الرئيسية مع الدوائر، والظلام الصلبة، في التباعد وقطر من اختيارك. من المهم أن نلاحظ أن toroids المنتجة ستكون 25-30٪ أصغر من الدوائر على القناع. على سبيل المثال، فإن دائرة الصلبة التي يبلغ قطرها 100 ميكرون إنتاج حلقي التي يبلغ قطرها حوالي 75 ميكرون. أيضا، فمن المستحسن أن يترك ما لا يقل عن 1-2mm في المسافة بين كل دائرة وعلى الأقل 5mm من الفضاء بين صفوف من دوائر وحول حواف قناع. منذ يجب أن يكون التعامل معها بعناية رقائق عينة مع ملاقط، من المهم أن يترك مساحة للملاقط إلى قبضة دون الإضرار toroids. مساحة إضافية كما يوفر مجالا للألياف الضوئية مدبب على ضوء زوجان في الأجهزة المصنعة، ويسمح بخفض عينات إلى أصغر المصفوفات أكثر سهولة. لهذا الإجراء، استخدمنا قناع مع صفوف من دي ميكرون 160الدوائر ameter ~ 1MM بعيدا، مع 5mm ~ المسافة بين كل صف من الدوائر. وtoroids أنهى ما يقرب من 110 ميكرون في القطر.
2. تبدأ مع رقائق السيليكون مع طبقة سميكة من 2 ميكرومتر السيليكا نمت حراريا. يلتصق رقائق لتناسب نمط microdisk المطلوب على قناع ضوئيه، مما يترك مجالا للمقاومة للضوء حافة حبة. لاحظ أنه في بداية من تلفيق، فإنه عادة ما يكون الأكثر ملاءمة لصفائف عدة حفر من الدوائر على أكبر قطعة من رقائق السيليكون (~ الطول عدة سم X عدة). أكبر رقائق تسمح ضوئيه والبنك البريطاني الحفر من أكثر العينات في وقت واحد، ويتم التعامل معها بسهولة أكبر مع ملاقط. في وقت لاحق، وذلك قبل الحفر XeF الخطوة _2، فمن المستحسن أن يلتصق أكبر إلى أصغر رقائق صفائف للسماح أسرع وأكثر اتساقا XeF ₂ الحفر.
3. في fumehood، تماما تنظيف رقائق من قبل الشطف مع الميثانول، الأسيتون، الأيزوبروبانول، والماء منزوع الأيونات. ضربة العينات الجافة باستخدام النتروجين أو شركات تمت تصفيتهاضبط ressed بندقية الهواء، ووضعها على طبق من ذهب حار إلى 120 درجة مئوية لمدة لا تقل عن 2 دقيقة حتى يجف.
4. بعد السماح للرقائق بارد، ووضعها في fumehood القابلة للاشتعال / المذيبات وفضح لHMDS لمدة 2 دقيقة باستخدام طريقة ترسيب البخار. وترسب بخار بسيط الأسلوب: وضع بضع قطرات من HMDS في كوب صغير 10ML، ومن ثم تغطية وعاء رقائق صغيرة مع وعاء زجاجي أكبر لعقد بخار.
5. وضع عينة على الدوار مع جبل بحجم مناسب. باستخدام زجاجة قطارة أو حقنة والتصفية، وتطبيق الواقي الضوئي للعينة. تدور معطف S1813 مقاومة للضوء على كل عينة لمدة 5 ثوان في 500rpm، تليها 45 ثانية في 3000rpm. ليست هناك حاجة حافة حبة إزالة إذا كانت الرقاقة كبيرة بما فيه الكفاية بحيث حبة حافة لا تتداخل مع الزخرفة.
6. لينة خبز مقاوم الضوء على طبق ساخن على 95 درجة مئوية لمدة 2 دقيقة.
7. باستخدام قناع اليجنر الأشعة فوق البنفسجية والضوئية الرئيسية المطلوبة، يعرض عينات مقاومة للضوء المغطاة إلىمجموعه 80mJ/cm ² من الأشعة فوق البنفسجية.
8. تزج العينات في المطور MF-321 لإزالة مقاومة للضوء والتي تعرضت للأشعة فوق البنفسجية. في حين النامية، وتراقب عن كثب كما يتم إزالة مقاوم الضوء من رقاقة وحلها. من المهم أن يحرك / حفيف الحاوية باستمرار خلال هذه العملية لضمان إزالة مقاومة للضوء بشكل موحد. للمعلمات معينة، ومقاومة للضوء يأخذ حوالي 30 ثانية للتطوير.
9. عندما أكثر من مقاومة للضوء غير مرغوب فيه قد حلت في المطور، شطف العينات بدقة تحت الماء الجاري، ضربة بلطف تجفيف العينات باستخدام النتروجين أو بندقية الهواء، وفحص العينات تحت المجهر للتأكد من تمت إزالة كل مقاومة للضوء غير مرغوب فيها. إذا لزم الأمر، يمكن أن تكون مغمورة العينات مرة أخرى في التطوير، ولكن ينبغي للمرء أن يكون حريصا على عدم تنمية متزايدة العينات كما يمكن أيضا أنماط مقاومة للضوء المطلوب للتلف. (إذا كان المطلوب من أنماط التالفة أو المعيبة، يمكن أن تكون مقاومة للضوءإزالة مع الأسيتون والخطوات التي يمكن أن تتكرر مرة أخرى 2،1-2،9).
10. بعد النامية، وشطفها جيدا العينات في المياه الجارية، ضربة بلطف تجفيف العينات، وخبز الثابت لهم على طبق ساخن على 110 درجة مئوية لمدة 2 دقيقة. هذه الخطوة مع ارتفاع درجات الحرارة ومقاومة للضوء فوق الزجاج في درجة الحرارة التي تمر بمرحلة انتقالية، الإنحسار ومقاومة للضوء وخشونة إصلاح جزئيا التي وقعت خلال عملية النامية.
11. باستخدام أواني التفلون والمعدات اللازمة واقية، غمر العينات في تحسين ضوئي أكسيد مخزنة (البنك المركزي البريطاني). BOE يحتوي HF، الذي يحفر في السيليكا التي لا تغطيها مقاومة للضوء لتشكيل منصات السيليكا التعميم على رقاقة السيليكون (الشكل 2A-C). تحسن HF مخزنة تنتج أكثر سلاسة حفر، التقليل من خشونة في الدوائر السيليكا الناتجة عن ذلك. في حين أنه من الممكن خلط مخزنة HF HF بدءا من 49٪، وهذا يمكن أن يؤدي إلى نتائج شديدة التباين وعادة ما تتم كميات صغيرة فقط.
12. بعد حوالي 15-20 دقيقة (دepending على عينة الأنماط والأحجام وعدد العينات)، وإزالة عينات من البنك البريطاني باستخدام تفلون ملاقط. شطف بعناية العينات في المياه الجارية. تمت إزالة السيليكا عندما العينات أصبح مسعور.
13. بعد الحفر، الشطف، وتجفيف العينات، وتفتيشها باستخدام المجهر الضوئي. تحقق للتأكد من تم محفورا أنماط المطلوب تماما وتمت إزالة جميع السيليكا غير المرغوب فيها. إذا لزم الأمر، والعودة العينات الى البنك البريطاني للمزيد من الحفر. وينبغي للمرء أن يكون حريصا على عدم overetch العينات، أو قد يكون معطوبا أنماط دائرية تحت مقاومة للضوء.
14. مرة واحدة الحفر BOE كاملة، شطف جيدا العينات في الماء منزوع الأيونات وضربة الجافة. إذا كانت العينات على قطع كبيرة من رقاقة السيليكون، ويوصى أيضا على قطع منها (باستخدام منشار أو التكعيب الكاتب الماس) إلى أجزاء أصغر مع الصفوف الفردية من الدوائر السيليكا. وحفرت الصفوف الفردية من الدوائر بسرعة أكبر وبشكل موحد في XeF₂ خطوة الحفر (2.16). تتم إزالة الغبار السيليكون التي تنتجها عدة قطاعات خلال تنظيف في الخطوة التالية.
15. إزالة مقاومة للضوء وذلك بدهن مع الميثانول، الأسيتون، الأيزوبروبانول، والماء منزوع الأيونات، وتجفيف العينات باستخدام بندقية النيتروجين والتدفئة على طبق من 120 ° C ساخنة لما لا يقل عن 2 دقيقة.
16. باستخدام مطبوع ₂ XeF، تنتقص من السيليكون تحت منصات السيليكا دائري لتشكيل microdisks السيليكا (الشكل 2D-F). يجب أن يكون محفورا مبلغ يقارب 1/3 من حجم الدائرة السيليكا، وبذلك يتسنى للعمود microdisk الناتج هو 1/3-1/2 ما يقرب من قطر القرص الإجمالي، على النحو الذي يحدده التفتيش مع المجهر الضوئي. عدد النبضات ₂ XeF ومدة كل نبضة يعتمد على كمية من السيليكون في الغرفة ونوع مطبوع ₂ XeF المستخدمة.
17. بعد الحفر ₂ XeF، يعرض عينات لشعاع ليزر ثاني أكسيد الكربون وركزت ₂ في ما يقرب من 1يتم تشكيل 2W كثافة ثوان 3 ~ أو حتى حلقي السلس (الشكل 2G-I). قد تكون هناك حاجة اعتمادا على حجم الدقيق للقرص ومقدار XeF ₂ تقوض، وكثافة أعلى قليلا أو أقل، ومدة التعرض لتشكيل microtoroid. من المهم أن يتم محاذاة وسط شعاع الليزر ومركز microdisk، بحيث microdisk السيليكا ستشكل على نحو سلس، microtoroid دائري.

3. ممثل النتائج

ولا يمكن تصوير الأجهزة microsphere وmicrotoroid باستخدام كل من المجهر الضوئي والمجهر الإلكتروني (الشكل 1D، والبريد، والشكل 2H، ط). في جميع الصور، والتوحيد من سطح الجهاز هو واضح بشكل واضح.

للتحقق من أن نهج مفصل يخلق فائقة س الأجهزة، ونحن تتميز أيضا عامل س من العديد من الأجهزة عن طريق إجراء (Δλ) linewidth قياس واحتساب المحملةس من تعبير بسيط: س = λ / Δλ = ωτ، حيث λ = الطول الموجي الرنانة، ω = تردد، وτ حياة الفوتون =. ويرد أطياف ممثل عن كل جهاز ملفقة باستخدام الإجراءات التفصيلية سابقا ^1،9 و رسم بياني مقارنة بين العديد من الأجهزة في الشكل 3. عوامل الجودة لجميع الأجهزة هي أكثر من 10 مليون نسمة، وغالبيتهم من أكثر من 100 مليون نسمة.

وكان هذا الطيف من microsphere صدى واحد، مشيرا إلى أن ضوء يقترن إما إلى وضع عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة بصري التكاثر. ومع ذلك، عرضت لطيف من حلقي صدى الانقسام، مشيرا إلى أن ضوء بالإضافة إلى وسائط على حد سواء في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة في وقت واحد. هذه الظاهرة تحدث عندما يكون هناك نقص طفيف في موقع اقتران. من المناسب للطيف لLorentzian المزدوج، يمكن تحديد عامل س كل من وسائط. والظاهرة الانقسام صدىيمكن أن تحدث في كل من نا المجال ومرنانات حلقي، ولكن على نحو أكثر تواترا لوحظ في toroids كما هم أكثر عرضة للعيوب ولها وسائل أقل البصرية مقارنة المجالات.

الرسم البياني رقم 1 التدفق. عملية تجويف تلفيق microsphere. أ) التقديم وب) مجهرية ضوئية من الألياف الضوئية وتنظيف المشقوق. ج) تقديم، د) صورة مجهرية ضوئية وه) مسح صورة مجهرية الإلكترون من microspere مرنان.

الرسم البياني رقم 2 التدفق. عملية تجويف تلفيق microtoroid. 1 التقديم)، ب) من أعلى إلى مشاهدة صورة مجهرية ضوئية وج) جنبا إلى رأي مسح صورة مجهرية الإلكترون من لوحة أكسيد دائري، على النحو المحدد من قبل ضوئيه والحفر على البنك البريطاني. لاحظ طفيف إسفين شكل أكسيد التي يتم تشكيلها من قبل البنك البريطاني. د) والتقديم، ه) من أعلى إلى رأي صورة مجهرية ضوئية وو) جنبا إلى رأي مسح صورة مجهرية الإلكترون من لوحة أكسيد بعد الحفر XeF الخطوة _2. لاحظ أن القرص أكسيد يحافظ على المحيط على شكل وتد. ز) التقديم، ح) من أعلى إلى مشاهدة صورة مجهرية ضوئية وط) جنبا إلى رأي مسح صورة مجهرية الإلكترون من تجويف microtoroid.

الشكل 3. أطياف الممثل عامل نوعية microsphere) أ و ب) تجاويف الرنانة microtoroid كما هو محدد باستخدام طريقة قياس linewidth. س في الأجهزة عالية جدا، ويمكن للمرء أن مراقبة الوضع تقسيم أو ذروة مزدوجة، والتي تعكس ضوء قبالة عيب صغير وتعمم في كلا الاتجاهين في اتجاه عقارب الساعة وعكس عقارب الساعة. ج) رسم بياني يوضح مقارنة العوامل س من microsphere عدة والتجاويف الرنانة microtoroid. اضغط هنا للحصول على أكبر شخصية .

= "jove_content">
الشكل 4. تخطيطي ليزر CO ₂ إنحسر انشاء. وينعكس شعاع ليزر ثاني أكسيد الكربون ₂ (الخط الأزرق الصلبة)، وركزت بعد ذلك على عينة. يمر من خلال 10.6 ميكرون / 633 نانومتر شعاع الموحد، الذي ينقل 10،6 ميكرون، ويعكس 633 نانومتر. الصور الضوئية العمود انعكاس للنموذج الخروج من شعاع الموحد، وبالتالي، كانت الصورة الحمراء إلى حد ما. قائمة الأجزاء اللازمة لهذا الإعداد هو في الجدول رقم 4.

الشكل 5. reflowed بشكل غير صحيح microsphere) و ب) تجاويف الرنانة microtoroid. بسبب وضع غير صحيح ضمن شعاع، والجهاز هو سوء تشكيلها. ج) ونتيجة لضعف أو الطباعة الحجرية الضوئية الرئيسية الفقراء، وحلقي والقمر على شكل.

كما هو الحال مع أي بنية البصرية، والحفاظ على النظافة في كل خطوة من عملية التصنيع ذات أهمية حاسمة. كما أن هناك العديد من الكتب المدرسية مكتوبة حول هذا الموضوع من الطباعة الحجرية وتلفيق، وليس المقصود الاقتراحات دون أن يكون شاملا، ولكن تسليط الضوء على عدد قليل من القضايا الأكثر شيوعا التي يواجهها الباحثون. ^19-20

لانها تصر على وحدة محيط microtoroid من قبل التوحيد من القرص الأولية، من المهم جدا أن الأقراص نمط دائري جدا. مشاكل مشتركة محددة لmicrotoroid هي: 1) من غرابة الأطوار الصور والأقنعة، و2) ضوئيه الفقراء (تحت أو أكثر من التعرض، تحت أو فوق النامية، والحفر على الخام أو غير المتكافئ)، و 3) التصاق الفقراء من مقاوم الضوء على السيليكا؛ هنا نتناول كل قضية على حدة.

من المهم جدا للحصول على دقة عالية صورة أقنعة. في حين photomasks دقة منخفضة أو photomasks الحبر النفاث هي readilذ المتاحة، وسوف تؤدي هذه الدوائر في "مخبول" أو خشنة الذي لن إنحسر بشكل صحيح، مما أدى إلى عدم التعميم toroids. البروتوكولات الحالية تعطي مرات التعرض للأشعة فوق البنفسجية للفيلم مقاوم الضوء محددة جدا سمك في شدة الأشعة فوق البنفسجية محددة. وتستخدم في حالة فيلم سمك مختلفة أو إذا انتهت مدة صلاحية ومقاومة للضوء، ثم وقت التعرض مختلفة سيكون ضروريا. كما أنه من المستحسن لمعايرة photoaligner واحد لضمان يعطى التعرض للأشعة فوق البنفسجية الصحيح. وبالمثل، فإن الوقت اللازم في المطور تختلف كما هي محددة لسمك الفيلم مقاومة للضوء، ويفترض أن يتم كشفها بشكل كامل مقاومة للضوء. أخيرا، إذا لم يتم كشفها السيليكا إلى HMDS فورا قبل تطبيق مقاومة للضوء، فإن مقاومة للضوء لا تلتزم بشكل جيد للرقاقة. ونتيجة لذلك، عندما يتم محفورا العينة باستخدام بنك انجلترا، وسوف تشهد إضعاف شديد وغير موحدة.

هناك قضية واحدة أخرى أيضا التي تنشأ في كثير من الأحيان مع عملية تلفيق حلقي وغيرتتعلق الخطوة ₂ XeF إضعاف. نظرا لدرجة عالية من الانتقائية في XeF ₂ للسيليكون أكثر من السيليكا، ستقوم ₂ XeF ليس حفر مباشرة أكسيد الأم التي هي موجودة أصلا على رقاقة السيليكون. ولذلك، فمن المهم للتأكد من للحد من النمو المحتمل للأكسيد من هذا القبيل، والقضاء على أي زيادة نمو أكسيد المزيد من تطهير بدقة ₂ XeF غرفة حفر مع النتروجين. إذا لم يتم ذلك، فإن حفر XeF2 تكون خشنة للغاية أو جيوبهم.

بالإضافة إلى ذلك، من أجل تشكيل بنية دائرية، من المهم جدا لاستخدام الخواص السيليكون ضوئي. في حين XeF ₂ هو ضوئي الأكثر استخداما في عملية تلفيق microtoroid، وهناك آخرون، مثل HNA التي هي مزيج من حمض الهيدروفلوريك، حمض النيتريك وحمض الخليك ^(20). ومع ذلك، لأنه يحتوي على HF، فإنه ليست انتقائية كما لل السيليكون كما XeF ₂ هو، والنقش من مو السيليكاأن تؤخذ في الاعتبار الأول.

ويجب أن يتم في ثاني إنحسر ليزر ₂ العملية المستخدمة بدقة متناهية الى افتعال بنجاح المجهرية وmicrotoroids. ويرد واحد الإعداد إنحسر القياسية وبسيط في الشكل (4) مع قائمة من أجزاء في الجدول رقم 4. هناك الكثير من الطرق الممكنة لبناء مثل هذا الإعداد والتخطيط وقطع الغيار المستخدمة تختلف يمكن. ومع ذلك، يجب تصميم تلبية معيارين مهم. أولا، يجب أن تكون المسافة بين العينة وCO ₂ الليزر عدسة التركيز يكون مساويا لطول العدسة والتنسيق، بحيث يقع العينة في تركيز شعاع الليزر. ثانيا، على وحدة ليزر CO ₂ عبر بقعة ووضع الجهاز في وسط بقعة هي في غاية الأهمية. هذا يتطلب أن كل من علم البصريات مساحة حرة هي في التوافق، وبطبيعة الحال، والبصريات المساحة الحرة يمكن أن ينجرف مع تقلبات درجات الحرارة والرطوبة. أجهزة سبيل المثال التي كانت ملفقة مع غير صحيحعلم البصريات هي الانحياز في الشكل 5. للمساعدة على تجنب ويمكن استخدام هذه المحاذاة المشاكل، والكاميرات، ومراحل للسماح أسهل وأكثر دقة لتحديد المواقع للعينة تحت الشعاع. بينما باستخدام جدول بصري أو عزل الاهتزاز غير مطلوب، لا يمكن وجود مكونات إنحسر متكاملة وتأمينها على اللوح تحسين المحاذاة.

إذا كان ليزر CO ₂ غير متوفر، ويمكن استخدام طرق بديلة إنحسر. لmicrosphere، يمكن أن تستخدم شعلة الهيدروجين كطريقة بديلة. إذا تم استخدام هذا النهج، من المهم جدا أن تتبع جميع البروتوكولات السلامة المطلوبة عند بناء إنحسر مجموعة المتابعة، مثل دمج الحاجز الفلاش باك على خزان الهيدروجين واستخدام الهيدروجين الشعلة، والقضاء على المخاطر المحتملة للانفجار. عادة، عندما يتم استخدام هذا النهج، ونظام التصوير مماثلة لتلك التي وصفها ليصل مجموعة CO ₂ الليزر يستخدم لرصد عملية إنحسر. ومع ذلك، فإن شعلة الهيدروجين ليس ثORK لmicrotoroid، وإلى درجة حرارة انصهار السيليكون هو أقل من ذلك من السيليكا. في CO ₂ الليزر يتغلب على هذه المشكلة، وذلك لأن السيليكا تمتص بقوة ضوء الليزر بينما السيليكون لا. ولذلك، فقد وجدنا أن إنحسر مع شعاع ليزر ثاني أكسيد الكربون بشكل صحيح محاذاة ₂ يسمح لنا للحصول على إنحسر الأكثر اتساقا اللازمة لجودة عالية microsphere عامل ومرنانات microtoroid.

قدم زوج من هنا طرق تمكن من تصنيع تجاويف السيليكا فائقة س الرنانة. نتيجة لحياتهم الفوتون طويل، وهذه الأجهزة لها تطبيقات هامة عديدة، وخاصة في العلوم البيولوجية.