Se describe la utilización de una técnica de dióxido de carbono reflujo láser para fabricar cavidades resonantes de sílice, incluyendo independiente microesferas y microtoroids en el chip. El método de reflujo elimina imperfecciones de la superficie, permitiendo largos tiempos de vida de fotones dentro de ambos dispositivos. Los dispositivos resultantes tienen factores de ultra alta calidad, permitiendo a las aplicaciones que van desde las telecomunicaciones a biodetección.
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Artículo de método
La fabricación de sílice de alta calidad Ultra microresonators Factor
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Resumen
Resumen
Las cavidades resonantes de galería de susurros confinan la luz en órbitas circulares en su periferia.1-2 La vida útil del almacenamiento de fotones en la cavidad, cuantificada por el factor de calidad (Q) de la cavidad, puede superar los 500 ns en cavidades con factores Q superiores a 100 millones. Debido a sus bajas pérdidas de material, las microcavidades de sílice han demostrado tener algunas de las mayores vidas útiles de los fotones registradas hasta la fecha1-2. Dado que una parte de la luz circulante se extiende fuera del resonador, estos dispositivos también pueden utilizarse para sondear el entorno circundante. Esta interacción ha permitido numerosos experimentos en biología, como la biodetección de moléculas individuales y la cinética de anticuerpos-antígenos, así como descubrimientos en otros campos, tales como el desarrollo de microláseres con umbral ultra bajo, la caracterización de películas delgadas y estudios de electrodinámica cuántica en cavidades.3-7
Las dos geometrías principales de cavidades resonantes de sílice son la microesfera y el microtoroide. Ambos dispositivos dependen de un paso de reflujo con láser de dióxido de carbono para alcanzar sus factores de calidad ultraelevados (Q>100 millones).1-2,8-9 Sin embargo, existen varias diferencias notables entre las dos estructuras. Las microesferas de sílice son independientes y se sostienen mediante una única fibra óptica, mientras que los microtoroides de sílice pueden fabricarse sobre una oblea de silicio en grandes matrices utilizando una combinación de pasos de litografía y grabado. Estas diferencias influyen en cuál dispositivo es óptimo para un experimento determinado.
Aquí presentamos protocolos detallados de fabricación para ambos tipos de cavidades resonantes. Si bien la fabricación de cavidades resonantes microesféricas es bastante sencilla, la fabricación de cavidades resonantes microtoroidales requiere equipos y instalaciones especializados adicionales (sala limpia). Por lo tanto, este requisito adicional también puede influir en la selección del dispositivo para un experimento determinado.
Introducción
Un resonador óptico confina eficientemente la luz en longitudes de onda específicas, conocidas como las longitudes de onda resonantes del dispositivo. 1-2 La métrica común para estos resonadores ópticos es el factor de calidad o Q. Este término describe la vida media de los fotones (τo) dentro del resonador, que está directamente relacionada con las pérdidas ópticas del resonador. Por lo tanto, un resonador óptico con un alto factor Q presenta bajas pérdidas ópticas, largas vidas medias de los fotones y tasas muy bajas de decaimiento de los fotones (1/τo). Como resultado de las largas vidas medias de los fotones, es posible generar intensidades ópticas circulantes extremadamente altas en estos dispositivos. Esta propiedad muy particular ha permitido que estos dispositivos se utilicen como fuentes láser y biosensores integrados.10
Una subclase única de resonadores es la microcavidad óptica de modo de galería de susurros. En estos dispositivos, la luz queda confinada en órbitas circulares en la periferia. Por lo tanto, el campo no está completamente confinado dentro del dispositivo, sino que evanesce hacia el entorno. Las cavidades ópticas de modo de galería de susurros han demostrado tener algunos de los factores de calidad más altos de cualquier cavidad resonante óptica hasta la fecha.9,11 Por ello, estos dispositivos se utilizan ampliamente en ciencia e ingeniería, incluyendo estudios de física fundamental, telecomunicaciones y experimentos de biodetección. 3-7,12
Las microcavidades ópticas pueden fabricarse a partir de una amplia variedad de materiales y en diversas geometrías. Algunos ejemplos incluyen microtoroides de sílice y silicio, microdiscos de silicio, nitruro de silicio y sílice, micropilares, y microrines de sílice y polímero.13-17 La variación del factor de calidad (Q) es tan amplia como la geometría. Aunque tanto la geometría como el alto valor de Q son consideraciones importantes en cualquier campo, en muchas aplicaciones existe un mayor potencial para mejorar el rendimiento del dispositivo mediante el aumento del valor de Q. Entre las numerosas opciones descritas anteriormente, el microesfera de sílice y el resonador microtoroide de sílice han alcanzado algunos de los factores Q más altos registrados hasta la fecha.1,9 Además, debido a la pérdida óptica extremadamente baja de la sílice desde el rango visible hasta el infrarrojo cercano, tanto las microesferas como los microtoroides pueden mantener sus factores Q sobre un amplio rango de longitudes de onda de prueba.18 Finalmente, dado que la sílice es inherentemente biocompatible, se utiliza habitualmente en experimentos de biodetección.
Además de la alta absorción del material, existen varios otros mecanismos de pérdida potenciales, incluyendo la rugosidad de la superficie, la pérdida por radiación y la pérdida por contaminación.2 Mediante una optimización del tamaño del dispositivo, es posible eliminar las pérdidas por radiación, que surgen de un confinamiento deficiente del campo óptico dentro del dispositivo. De manera similar, al almacenar un dispositivo en un entorno adecuadamente limpio, se puede minimizar la contaminación de la superficie. Por lo tanto, además de la pérdida del material, la dispersión en la superficie es el principal mecanismo de pérdida que representa una preocupación.2,8
En los dispositivos de sílice, la dispersión superficial se minimiza mediante una técnica de reflujo con láser, que funde la sílice a través del reflujo inducido por la tensión superficial. Aunque los resonadores ópticos esféricos han sido estudiados durante muchos años, solo con los recientes avances en tecnologías de fabricación han podido los investigadores fabricar microresonadores ópticos toroidales de sílice de alta calidad (Q>100 millones) sobre un sustrato de silicio, allanando así el camino para su integración con microfluidos.1
La presente serie de protocolos describe detalladamente cómo fabricar cavidades resonantes de microesferas de sílice y de microrrodos. Si bien las cavidades resonantes de microesferas de sílice están bien establecidas, las cavidades resonantes de microrrodo fueron inventadas recientemente.1 Dado que muchos de los métodos fundamentales utilizados para fabricar la microesfera también se emplean en el procedimiento más complejo de fabricación del microrrodo, incluir ambos en un solo protocolo permitirá a los investigadores solucionar problemas en sus experimentos con mayor facilidad.
Protocolo
1. Fabricación de microesferas
- Seleccionar una pequeña cantidad (aproximadamente 5 pulgadas) de fibra óptica, tira ~ 1,5 "revestimiento de un extremo y limpiar con metanol o etanol (Figura 1a, b).
- Si está disponible, se unirá al final con una cuchilla de fibra óptica. Si no está disponible, se cortó con tijeras o cortador de alambre tales que ~ 0,5 "que queda. La ventaja de utilizar una cuchilla de fibra óptica es que produce una muy lisa, uniforme corte como en la Figura 1b. Rugosidad excesiva o defectos de un corte puede causar reflujo desigual, reduciendo el factor de calidad de las esferas resultantes. <....
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Discusión
Como con cualquier estructura óptica, mantener la limpieza en cada paso del proceso de fabricación es de importancia crítica. Como hay numerosos libros de texto escritos sobre el tema de la litografía y fabricación, las sugerencias a continuación no se pretende ser exhaustivo, sino destacar algunos de los problemas más comunes los investigadores se han enfrentado. 19-20
Debido a la uniformidad de la periferia de la microtoroid está determinada por la uniformidad del disco inicial,.......
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Divulgaciones
No hay conflictos de interés declarado.
Agradecimientos
Creador de A. fue apoyado por una Fundación Annenberg de Postgrado de Becas de Investigación, y este trabajo fue apoyado por la National Science Foundation [085281 y 1028440].
....Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Nombre de la parte | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
| Fibra escribano | Newport | F-RFS | Opcional |
| Fibra óptica | Newport | F-SMF-28 | Cualquier tipo de fibra óptica puede ser utilizado. |
| Fibra separador recubrimiento | Newport | F-STR-175 | Pelacables también se puede utilizar |
| Etanol | Cualquier proveedor | Disolventes nivel de pureza | Metanol o isopropanol son sustitutos |
Tabla 1. Materiales microesferas de fabricación.
| Nombre del reactivo | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Obleas de silicio con sílice 2μm crecido térmicamente | WRS Materiales | n / a | Usamos intrínseca 8, <100>, 4 "de diámetro |
| HMDS (hexametildisilazano) | Aldrich | 440191 | |
| CIs | Shipley | S1813 | |
| Promotor | Shipley | MF-321 | |
| Buffered HF - Mejora de la | Transene | n / a | La mejora de HF tampón da un suave y de mejor calidad de grabado que no sean papel BOE o HF |
| La acetona, metanol, isopropanol | Cualquier proveedor | 99,8% de pureza |
Tabla 2. MicrMateriales otoroid de fabricación.
| Nombre del equipo | Fabricante | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Hilandero | Solitec | 5110-ND | Cualquier ruleta se puede utilizar. |
| Alineador | Suss Microtec | MJB 3 | Cualquier alineador se puede utilizar. |
| XeF 2 grabador | Advanced Communication Devices, Inc. | # ADCETCH2007 |
Tabla 3. Equipo Microtoroid fabricación.
| Nombre de la parte | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| De CO 2 láser | SYNRAD | Serie 48 | |
| 3-Eje fase | OptoSigma | 120-0770 | Disponible a partir de otros fabricantes también. |
| Si el reflector 1 "de diámetro) | II-VI | 308325 | Disponible a partir de otros fabricantes también. |
| Montaje cinemático cardán (para el Si reflector) | Thor Labs | KX1G | Disponible a partir de otros fabricantes también. |
| Combinador de haz (1 "de diámetro) | Meller Óptica | L19100008-B0 | Disponible a partir de otros fabricantes también. |
| 4 "Lente Longitud focal (1" de diámetro) | Meller óptica o II-VI | Disponible a partir de otros proveedores, así | |
| Surtido de mensajes, soportes de lentes | Thor Labs, Newport, Edmund Optics o OptoSigma | ||
| 6000 zoom de la máquina de sistema de visión | Navitar | n / a | Requiere genérica USB de la cámara y el ordenador de imágenes en tiempo real. Este se compra como un kit. |
| Focalizador para el sistema de zoom 6000 | Edmund Optics | 54-792 | Disponible a partir de otros fabricantes también. |
| XZ Posicionadores del Eje para 6000 Ampliar | Parker Daedal | CR4457, CR4452, 4499 | CR4457 es el eje X, CR4452 es el eje Z, 4499 es el soporte de montaje. |
Tabla 4. Láser de CO 2 de reflujo Set-up.
Referencias
- Armani, D. K., Kippenberg, T. J., Spillane, S. M., Vahala, K. J. Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip. Nature. 421, 925-928 (2003).
- Gorodetsky, M. L., Savchenkov, A. A., Ilchenko, V. S. Ultimate Q of optical microsphere resonators. Optics Letters. 21, 453-455 (1996).
- Armani, A. M., Kulkarni,....
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Reimpresiones y permisos
