Fabrication de silice Ultra High microrésonateurs facteur de qualité

L’objectif global de cette procédure est de fabriquer des résonateurs OID à microsphères et en silice avec des facteurs de qualité ultra-élevés, qui permettent des applications allant des télécommunications à la biodétection. La fabrication des microsphères commence par la préparation d’une extrémité de fibre optique propre et dénudée pour commencer. Les étapes de fabrication, de photolithographie et de gravure sont effectuées en salle blanche pour sous-dépouiller le silicium sous des tampons de silicium circulaires et former des microdisques de silicium reposant sur des piliers.

L’étape suivante des deux processus de fabrication consiste à exposer la fibre optique et/ou le microdisque de silice à un faisceau laser CO2 correctement aligné. Le faisceau laser CO2 fait fondre la silice en formant des microsphères ou des OID de silice lisse. La dernière étape consiste à inspecter les appareils à l’aide d’un microscope pour s’assurer qu’il s’agit d’une bonne refusion.

En fin de compte, les mesures de largeur de ligne sont utilisées pour déterminer le facteur de qualité des sphères et des OID résultants. La motivation pour l’utilisation de la refusion laser CO2 pour fabriquer des microsphères et des micro-dispositifs est la capacité d’atteindre des facteurs de qualité supérieurs à cent millions. La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle car la refusion est un facteur de qualité élevé.

Les voies respiratoires peuvent être difficiles. Les résultats peuvent varier d’un échantillon à l’autre, vous devez donc surveiller attentivement pour vous assurer que le faisceau laser est correctement aligné et qu’il dispose des bons réglages. Pour commencer la fabrication de microsphères, sélectionnez une petite quantité de fibre optique, dénudez environ 1,5 pouce de gaine à une extrémité, nettoyez l’extrémité de la fibre dénudée avec du méthanol ou de l’éthanol, fendez l’extrémité dénudée avec un couperet à fibre optique.

L’avantage d’utiliser un couperet à fibre optique est qu’il produit une coupe très lisse et uniforme. Une rugosité excessive ou des défauts d’une coupe peuvent provoquer une refusion inégale, abaissant le facteur de qualité des sphères résultantes. Une refusion appropriée est l’étape la plus importante de cette procédure pour assurer le succès.

Les échantillons de fibre optique et de microdisque doivent être correctement alignés et en bon état. Il est crucial d’aligner correctement le faisceau laser et d’utiliser des réglages d’intensité et de temps corrects. Placez la fibre propre dans le chemin du laser CO2.

Exposez l’extrémité de la fibre nettoyée à trois watts de puissance laser CO2 focalisée sur une taille de spot de 500 microns de diamètre pendant environ une seconde. Cela produit des sphères d’environ 200 microns de diamètre. Cependant, la taille peut être ajustée en augmentant ou en diminuant le diamètre de la fibre optique.

Il peut également être nécessaire d’ajuster légèrement l’intensité du laser pour refondre des sphères plus grandes ou plus petites. La fabrication du micro-OID commence par la génération d’un masque photo, avec des cercles solides sombres d’espacement et de diamètre prédéfinis, laissant au moins un à deux millimètres d’espace entre chaque cercle et au moins cinq millimètres d’espace entre les réseaux de cercles et autour des bords du masque. Pour cette procédure, un masque a été fabriqué avec des rangées de cercles de 160 microns de diamètre, ce qui a permis d’obtenir des OID finis d’environ 110 microns de diamètre.

Étant donné que les plaquettes d’échantillon doivent être manipulées avec précaution à l’aide d’une pince à épiler, il est important de laisser de l’espace pour que la pince puisse s’agripper sans endommager les OID. Cet espace offre de la place pour qu’une fibre optique conique puisse coupler la lumière dans les dispositifs finis et permet de couper plus facilement les échantillons en réseaux plus petits. Les étapes de photolithographie et de gravure sont décrites en détail dans la procédure écrite.

Ces étapes ne peuvent pas être démontrées ici car elles se déroulent dans la salle blanche. Des micrographies électroniques à balayage en vue latérale sont présentées ici à partir de différents points du processus de fabrication. Au cours de la fabrication, les échantillons sont immergés dans une gravure à l’oxyde tamponnée améliorée, abrégée BOE, qui grave la silice non recouverte par la résine photosensible pour former des pastilles de silice circulaires sur la plaquette de silicium.

Après avoir retiré la résine photosensible, un graveur au fluorure de xénon est utilisé pour sous-dépouiller le silicium sous les coussinets de silice circulaires afin de former des micro-disques de silice. La quantité gravée doit être d’environ un tiers de la taille du cercle de silice, de sorte que le pilier des microdisques résultant représente environ un tiers à la moitié du diamètre total du disque, tel que déterminé par inspection au microscope optique. L’étape suivante consiste à placer les échantillons sur la trajectoire d’un faisceau laser CO2 focalisé.

Le centre du faisceau laser et le centre du microdisque doivent être alignés pour qu’un micro circulaire lisse se forme, exposez-les à une intensité d’environ 12 watts pendant trois secondes ou jusqu’à ce qu’un OID lisse se forme. En fonction de la taille exacte du disque et de la quantité de fluorure de xénon di, une intensité et un temps d’exposition légèrement plus ou moins élevés peuvent être nécessaires pour former un micro-OID. Les dispositifs à microsphères et à micro-OID peuvent être imagés à l’aide de la microscopie optique et de la microscopie électronique à balayage.

Sur toutes les images, l’uniformité de la surface de l’appareil est clairement évidente. Ce sont des exemples de microsphères et de cavités résonnantes mal refondues En raison d’un placement incorrect dans le faisceau, le dispositif est mal formé à la suite d’un masque photo médiocre ou d’une lithographie médiocre. L’OID résultant est en forme de lune.

On voit ici des spectres représentatifs du facteur de qualité de la microsphère et des cavités résonnantes de la microsphère et du micro-OID, déterminés à l’aide de la méthode de mesure de la largeur de ligne. Le facteur de qualité représente la durée de vie du stockage des photons dans la cavité. Ces valeurs étaient supérieures à 100 millions.

Le spectre de la microsphère était une résonance unique, indiquant que la lumière se couplait dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, propageant le mode optique. Cependant, le spectre de l’OID présentait une résonance divisée, indiquant que la lumière se réfléchit sur un petit défaut et circule dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Ce phénomène se produit lorsqu’il y a une légère imperfection au site d’accouplement.

En ajustant le spectre à un Lian double, le facteur Q des deux modes peut être déterminé. Le phénomène de résonance divisée peut se produire à la fois dans les résonateurs à sphère et à OID, mais il est plus fréquemment observé dans les OID car ils sont plus sensibles aux imperfections et ont moins de modes optiques que les sphères. Un graphique comparatif montre les facteurs Q de plusieurs cavités résonnantes de microsphères et de micro-OID.

Les appareils à facteur de très haute qualité ont de nombreuses applications allant des études de physique fondamentale, de la biodétection aux systèmes de télécommunication. N’oubliez pas que travailler avec des lasers CO2 de haute puissance peut être extrêmement dangereux. Vous devez toujours porter des lunettes de protection et suivre des procédures d’utilisation sûres lors de la refusion de sphères et d’OID.