Herstellung von Silica Ultra High Quality Factor Mikroresonatoren

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist die Herstellung von Mikrosphären- und Siliziumdioxid-OID-Resonatoren mit extrem hohen Qualitätsfaktoren, die Anwendungen von der Telekommunikation bis zur Biodetektion ermöglichen. Die Herstellung von Mikrosphären beginnt mit der Vorbereitung eines sauberen, abisolierten optischen Faserendes. Mikro-OID-Herstellung, Fotolithographie und Ätzschritte werden im Reinraum durchgeführt, um das Silizium unter kreisförmigen Silikonpads zu unterschneiden und Silizium-Mikroscheiben zu formen, die auf Säulen sitzen.

Der nächste Schritt beider Herstellungsprozesse besteht darin, die optische Faser und/oder die Siliziumdioxid-Mikroscheibe einem richtig ausgerichteten CO2-Laserstrahl auszusetzen. Der CO2-Laserstrahl schmilzt das Siliziumdioxid und bildet Mikrokügelchen oder glatte Siliziumdioxid-OIDs. Der letzte Schritt besteht darin, die Geräte mit einem Mikroskop zu inspizieren, um den richtigen Reflow sicherzustellen.

Letztendlich werden Linienbreitenmessungen verwendet, um den Qualitätsfaktor der resultierenden Kugeln und OIDs zu bestimmen. Die Motivation für die Verwendung von CO2-Laser-Reflow zur Herstellung von Mikrosphären und Mikrogeräten ist die Fähigkeit, Qualitätsfaktoren von über hundert Millionen zu erreichen. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da das Reflowen einen hohen Qualitätsfaktor darstellt.

Die Atemwege können schwierig sein. Die Ergebnisse können von Probe zu Probe variieren, daher müssen Sie sorgfältig darauf achten, dass der Laserstrahl richtig ausgerichtet ist und die richtigen Einstellungen hat. Um mit der Herstellung von Mikrosphären zu beginnen, wählen Sie eine kleine Menge optischer Fasern aus, entfernen Sie etwa 1,5 Zoll der Ummantelung von einem Ende, reinigen Sie das abisolierte Faserende entweder mit Methanol oder Ethanol und spalten Sie das abisolierte Ende mit einem optischen Fasermesser.

Der Vorteil der Verwendung eines Glasfaser-Hackmessers besteht darin, dass es einen sehr glatten, gleichmäßigen Schnitt erzeugt. Übermäßige Rauheit oder Defekte aus einem Schnitt können zu einem ungleichmäßigen Reflow führen, der den Qualitätsfaktor der resultierenden Kugeln verringert. Der richtige Reflow ist der wichtigste Schritt dieses Verfahrens, um den Erfolg sicherzustellen.

Die Proben der optischen Fasern und Mikroscheiben müssen richtig ausgerichtet und in gutem Zustand sein. Die richtige Ausrichtung des Laserstrahls und die Verwendung der richtigen Intensitäts- und Zeiteinstellungen sind von entscheidender Bedeutung. Platzieren Sie die saubere Faser in den Weg des CO2-Lasers.

Setzen Sie das gereinigte Faserende etwa eine Sekunde lang drei Watt CO2-Laserleistung aus, die auf eine Spotgröße von 500 Mikrometern fokussiert ist. Dabei entstehen Kugeln mit einem Durchmesser von etwa 200 Mikrometern. Die Größe kann jedoch durch Vergrößern oder Verkleinern des Durchmessers der optischen Faser abgestimmt werden.

Eine leichte Anpassung der Laserintensität kann auch erforderlich sein, um größere oder kleinere Kugeln zu reflowen. Die Herstellung von Mikro-OIDs beginnt mit der Erzeugung einer Fotomaske mit dunklen, durchgezogenen Kreisen mit vorgefertigten Abständen und Durchmessern, die mindestens ein bis zwei Millimeter Abstand zwischen jedem Kreis und mindestens fünf Millimeter Abstand zwischen den Kreisanordnungen und um die Ränder der Maske lassen. Für dieses Verfahren wurde eine Maske mit Reihen von Kreisen mit einem Durchmesser von 160 Mikrometern hergestellt, was zu fertigen OIDs mit einem Durchmesser von etwa 110 Mikrometern führte.

Da die Probenwafer vorsichtig mit einer Pinzette angefasst werden müssen, ist es wichtig, Platz für die Pinzette zu lassen, ohne die OIDs zu beschädigen. Dieser Raum bietet Platz für eine konische optische Faser, um das Licht in die fertigen Geräte einzukoppeln, und ermöglicht es, Proben leichter in kleinere Arrays zu schneiden. Die Schritte der Fotolithographie und des Ätzens werden im schriftlichen Verfahren ausführlich beschrieben.

Diese Schritte können hier nicht demonstriert werden, da sie im Reinraum stattfinden. Hier werden Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen in der Seitenansicht von verschiedenen Punkten des Herstellungsprozesses gezeigt. Während der Herstellung werden die Proben in verbessertes gepuffertes Oxidätzen, abgekürzt BOE, getaucht, das das nicht vom Fotolack bedeckte Siliziumdioxid ätzt, um kreisförmige Siliziumdioxidpads auf dem Siliziumwafer zu bilden.

Nach dem Entfernen des Fotolacks wird mit einem Xenon-Difluorid-Ätzer das Silizium unter den kreisförmigen Kieselsäure-Pads unterschnitten, um Kieselsäure-Mikroscheiben zu bilden. Die geätzte Menge sollte ungefähr ein Drittel der Größe des Siliziumdioxidkreises betragen, so dass die resultierende Säule der Mikroscheiben etwa ein Drittel bis die Hälfte des Gesamtdurchmessers der Scheibe beträgt, wie durch Inspektion mit einem optischen Mikroskop bestimmt. Der nächste Schritt besteht darin, die Proben in den Weg eines fokussierten CO2-Laserstrahls zu legen.

Die Mitte des Laserstrahls und die Mitte der Mikroscheibe müssen ausgerichtet sein, damit ein glattes kreisförmiges Mikro gebildet werden kann, und sie drei Sekunden lang einer Intensität von etwa 12 Watt aussetzen, bis eine glatte OID gebildet wird. Abhängig von der genauen Größe der Scheibe und der Menge an Xenondifluorid-Unterschnitt kann eine etwas höhere oder niedrigere Intensität und Belichtungszeit erforderlich sein, um ein Mikrooid zu bilden. Die Mikrosphären- und Mikro-OID-Geräte können sowohl mit optischer Mikroskopie als auch mit Rasterelektronenmikroskopie abgebildet werden.

Auf allen Bildern ist die Gleichmäßigkeit der Geräteoberfläche deutlich zu erkennen. Dies sind Beispiele für falsch reflowed Mikrosphären-andoide Resonanzhohlräume Aufgrund einer falschen Platzierung innerhalb des Strahls ist das Gerät aufgrund einer schlechten Fotomaske oder einer schlechten Lithographie verformt. Die resultierende OID ist mondförmig.

Hier sind repräsentative Qualitätsfaktorspektren der Mikrosphären- und Mikro-OID-Resonanzresonatoren dargestellt, wie sie mit dem Linienbreitenmessverfahren bestimmt wurden. Der Qualitätsfaktor stellt die Lebensdauer der Photonenspeicherung im Resonator dar. Diese Werte lagen bei über 100 Millionen.

Das Spektrum der Mikrosphäre war eine einzelne Resonanz, was darauf hindeutet, dass das Licht entweder in den sich im oder gegen den Uhrzeigersinn ausbreitenden optischen Modus eingekoppelt war. Das Spektrum des OID wies jedoch eine geteilte Resonanz auf, was darauf hindeutet, dass Licht von einem kleinen Defekt reflektiert wird und sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn zirkuliert. Dieses Phänomen tritt auf, wenn an der Kopplungsstelle eine leichte Unvollkommenheit vorliegt.

Durch die Anpassung des Spektrums an ein duales Lian kann der Q-Faktor beider Moden bestimmt werden. Das Split-Resonance-Phänomen kann sowohl in Kugel- als auch in OID-Resonatoren auftreten, wird aber häufiger bei OIDs beobachtet, da sie anfälliger für Unvollkommenheiten sind und im Vergleich zu Kugeln weniger optische Moden aufweisen. Ein Vergleichsdiagramm zeigt die Q-Faktoren mehrerer Mikrosphären- und Mikro-OID-Resonanzresonatoren.

Geräte mit extrem hohem Qualitätsfaktor haben zahlreiche Anwendungen, die von grundlegenden physikalischen Studien über die Biodetektion bis hin zu Telekommunikationssystemen reichen. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Hochleistungs-CO2-Lasern extrem gefährlich sein kann. Sie sollten immer eine Schutzbrille tragen und sichere Betriebsverfahren befolgen, wenn Sie Kugeln und OIDs reflowen.