우리는 자유 서 microspheres 및 온칩 microtoroids 포함한 실리카 공진 충치를 조작하는 이산화탄소 레이저 reflow 기법의 사용을 설명합니다. reflow 메서드는 두 장치 사이 긴 광자 수명 있도록, 표면 결함을 제거합니다. 그 결과 디바이스는 통신에서 biodetection에 이르기까지 애플 리케이션을 가능하게, 초고 품질 요인이 있습니다.
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우리는 자유 서 microspheres 및 온칩 microtoroids 포함한 실리카 공진 충치를 조작하는 이산화탄소 레이저 reflow 기법의 사용을 설명합니다. reflow 메서드는 두 장치 사이 긴 광자 수명 있도록, 표면 결함을 제거합니다. 그 결과 디바이스는 통신에서 biodetection에 이르기까지 애플 리케이션을 가능하게, 초고 품질 요인이 있습니다.
위스퍼링 갤러리 공진 공동(Whispering gallery resonant cavities)은 빛을 주변부의 원형 궤도에 가둡니다.1-2 공동의 품질 계수(Q factor, Q)로 정량화되는 공동 내 광자 저장 수명은 Q 계수가 1억(100 million) 이상인 공동의 경우 500ns를 초과할 수 있습니다. 낮은 재료 손실 덕분에 실리카 마이크로공동은 현재까지 가장 긴 광자 수명을 입증해 왔습니다1-2. 순환하는 빛의 일부가 공진기 외부로 확장되기 때문에, 이러한 장치는 주변 환경을 탐색하는 데에도 사용될 수 있습니다. 이러한 상호작용은 단일 분자 바이오 검출 및 항체-항원 역학 등 생물학 분야의 수많은 실험뿐만 아니라, 초저임계치 마이크로레이저 개발, 박막 특성 분석, 공동 양자 전기역학 연구와 같은 다른 분야의 발견을 가능하게 했습니다.3-7
두 가지 주요 실리카 공진기 기하 구조는 마이크로구(microsphere)와 마이크로토로이드(microtoroid)입니다. 두 장치 모두 초고-Q 인자(Q>100 million)를 달성하기 위해 이산화탄소 레이저 리플로우 단계를 거칩니다.1-2,8-9 하지만 두 구조 사이에는 몇 가지 주목할 만한 차이점이 있습니다. 실리카 마이크로구는 단일 광섬유에 의해 지지되는 독립형 구조인 반면, 실리카 마이크로토로이드는 리소그래피와 식각 단계의 조합을 통해 실리콘 웨이퍼 위에 대규모 배열로 제작할 수 있습니다. 이러한 차이점은 특정 실험에 어떤 장치가 최적인지에 영향을 미칩니다.
본 연구에서는 두 가지 유형의 공진기(resonant cavity)에 대한 상세한 제작 프로토콜을 제시합니다. 마이크로구(microsphere) 공진기의 제작은 비교적 간단하지만, 마이크로토로이드(microtoroid) 공진기의 제작에는 추가적인 전문 장비와 시설(클린룸)이 필요합니다. 따라서 이러한 추가 요구 사항은 특정 실험을 위해 어떤 장치를 선택할지에 영향을 미칠 수 있습니다.
서론
광학 공진기는 장치의 공진 파장으로 알려진 특정 파장의 빛을 효율적으로 가둡니다. 1-2 이러한 광학 공진기의 일반적인 성능 지수는 품질 계수 또는 Q-인자입니다. 이 용어는 공진기 내의 광자 수명(τo)을 설명하며, 이는 공진기의 광학적 손실과 직접적인 관련이 있습니다. 따라서 Q-인자가 높은 광학 공진기는 광학적 손실이 적고, 광자 수명이 길며, 광자 감쇠율(1/τo)이 매우 낮습니다. 광자 수명이 길기 때문에 이러한 장치에서는 매우 강력한 순환 광학장 강도를 형성할 수 있습니다. 이러한 매우 독특한 특성 덕분에 이 장치들은 레이저 광원 및 통합형 바이오센서로 사용될 수 있었습니다.10
공진기의 독특한 하위 클래스 중 하나는 위스퍼링 갤러리 모드(whispering gallery mode) 광학 마이크로공진기입니다. 이러한 장치에서 빛은 주변부의 원형 궤도에 갇히게 됩니다. 따라서 전계가 장치 내에 완전히 갇히지 않고 주변 환경으로 소멸파(evanescent wave) 형태로 뻗어 나갑니다. 위스퍼링 갤러리 모드 광학 공진기는 현재까지 알려진 모든 광학 공진기 중에서 가장 높은 수준의 품질 계수(quality factor)를 입증해 왔습니다.9,11 이에 따라 이러한 장치들은 기초 물리학 연구와 통신뿐만 아니라 생체 검출 실험을 포함하여 과학 및 공학 전반에 걸쳐 사용되고 있습니다. 3-7,12
광학 마이크로캐비티는 광범위한 재료와 매우 다양한 기하학적 구조로 제작될 수 있습니다. 대표적인 예로 실리카 및 실리콘 마이크로토로이드, 실리콘, 질화 실리콘 및 실리카 마이크로디스크, 마이크로필라, 그리고 실리카 및 폴리머 마이크로링 등이 있습니다.13-17 품질 계수(Q factor, Q)의 범위는 기하학적 구조만큼이나 극적으로 다양합니다. 모든 분야에서 기하학적 구조와 높은 Q 모두 중요한 고려 사항이지만, 많은 응용 분야에서는 Q 값을 높임으로써 소자 성능을 향상시키는 효과가 훨씬 더 큽니다. 앞서 상세히 설명한 수많은 옵션 중에서, 실리카 마이크로스피어와 실리카 마이크로토로이드 공진기는 현재까지 가장 높은 수준의 Q 계수를 달성했습니다.1,9 또한, 실리카가 가시광선 영역부터 근적외선 영역까지 광손실이 매우 낮기 때문에, 마이크로스피어와 마이크로토로이드 모두 넓은 범위의 테스트 파장에서 Q 계수를 유지할 수 있습니다.18 마지막으로, 실리카는 본질적으로 생체 적합성을 가지므로 바이오 검출 실험에 일상적으로 사용됩니다.
높은 물질 흡수 외에도 표면 거칠기, 방사 손실 및 오염 손실을 포함한 여러 잠재적 손실 메커니즘이 존재합니다.2 소자 크기의 최적화를 통해 소자 내의 불충분한 광장 가둠으로 인해 발생하는 방사 손실을 제거할 수 있습니다. 마찬가지로 소자를 적절하게 깨끗한 환경에 보관함으로써 표면 오염을 최소화할 수 있습니다. 따라서 물질 손실 외에도 표면 산란이 주요하게 고려되는 손실 메커니즘입니다.2,8
실리카 소자에서 표면 산란은 표면 장력 유도 리플로우를 통해 실리카를 녹이는 레이저 리플로우 기술을 사용하여 최소화됩니다. 구형 광학 공진기는 수년 동안 연구되어 왔으나, 최근 제조 기술의 발전으로 연구자들이 실리콘 기판 위에 고품질 실리카 광학 토로이드 마이크로공진기(Q>100 million)를 제작할 수 있게 되었으며, 이를 통해 미세유체역학과의 통합을 위한 길이 열렸습니다.1
본 프로토콜 시리즈에서는 실리카 마이크로구체(microsphere)와 마이크로토로이드(microtoroid) 공진기의 제작 방법을 상세히 다룹니다. 실리카 마이크로구체 공진기는 이미 잘 알려져 있는 반면, 마이크로토로이드 공진기는 최근에야 발명되었습니다.1 마이크로구체 제작에 사용되는 많은 기본 방법들이 더 복잡한 마이크로토로이드 제작 과정에서도 사용되므로, 두 방법을 하나의 프로토콜에 포함함으로써 연구자들이 실험 중 발생하는 문제를 더 쉽게 해결할 수 있도록 하였습니다.
1. Microsphere의 제조
2. Microtoroid 제조
3. 대표 결과
microsphere와 microtoroid 장치는 광학 현미경과 주사 전자 현미경 (그림 1D, 전자 및 그림 2 시간, I)를 사용하여 몇 군데하실 수 있습니다. 모든 이미지에 장치 표면의 균일 분명하게 나타난다.
세부적인 접근 방식이 초고-Q 장치를 생성하는지 확인하기 위해서, 우리는 또한 라인폭 (Δλ) 측정을 수행하고 로드된를 계산하여 여러 장치의 Q 계수의 특징Q 간단한 표현에서 : Q = λ / Δλ = ωτ 어디 λ = 공진 파장, ω = 주파수, 그리고 τ = 광자 수명. 이전에 자세한 절차를 1,9와 여러 장치의 비교 그래프를 사용하여 조작 각 장치의 대표 스펙트럼은 그림 3에 표시됩니다. 모든 장치의 품질 요소는 대부분 100,000,000 위에 있기 때문에 위의 10,000,000입니다.
microsphere의 스펙트럼은 빛이 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 전파 광 모드 중 하나에 결합되는 것을 나타내는 하나의 공명했습니다. 그러나, 환형의 스펙트럼이 동시에 시계 방향과 시계 반대 방향으로 모드 모두에 결합하여 그 빛을 나타내는 분할 공진을 전시. 커플링 사이트에서 약간의 결함이있을 경우이 현상이 발생합니다. 듀얼 Lorentzian로 스펙트럼을 맞추함으로써 두 모드의 Q 계수가 결정됩니다. 분할 공진 phenomeNA는 구형과 환형 resonators 모두에서 발생할 수 있지만, 그들은 결점에 더 취약하고 분야에 비해 적은 광학 모드가로서 더 자주 toroids에서 관찰된다.

microsphere 캐비티 가공 과정의 그림 1. 플로우 차트. ) 렌더링 및 세척은 죽습 광섬유의 B) 광학 현미경. C) 렌더링, D) 광학 현미경 및 전자)은 공진기 microspere의 전자 현미경 스캐닝.

microtoroid 캐비티 가공 과정의 그림 2. 플로우 차트. ) 렌더링, B)는 위에서 내려다 보는 광학 현미경과 c)와 같은 석판술 및 비오이 에칭에 의해 정의된 원형 산화 패드의 전자 현미경 스캐닝 측면 볼 수 있습니다. BOE에 의해 형성되는 산화물의 약간 쐐기 모양을합니다. D) 렌더링, 전자) 최고의 전망광학 현미경과 F) XeF이 에칭 단계 후에 산화 패드의 전자 현미경 스캐닝 측면 볼 수 있습니다. 산화물 디스크가 쐐기 모양의 주변을 유지합니다. microtoroid 캐비티의 전자 현미경 스캐닝 G) 렌더링, H) 위에서 내려다 광학 현미경과 내가) 사이드 뷰.

그림 3.) microsphere와 라인폭 측정 방법을 사용하여 결정된 b)는 microtoroid 공진 충치 대표 품질 계수 스펙트럼. 매우 높은 Q 장치에서, 하나는 빛이 작은 결함을 반영하고 시계 방향과 반시계 방향 모두에서 순환하는, 모드-분할 또는 더블 피크를 관찰할 수 있습니다. C) 여러 microsphere와 microtoroid 공진 충치의 Q 요인을 보여주는 비교 그래프. 큰 그림을 보시려면 여기를 클릭하세요 .

그림 4. CO 2 레이저 reflow의 도식 설정. CO 2 레이저 빔 (고체 파란색 라인)을 반영하고 샘플에 초점을 맞추었습니다. 그것은 10.6 μm의 / 10.6 μm의을 전달하고 633 nm의를 반영하는 633 nm의 빔을 결합기를 통해 전달합니다. 빔 결합기의 오프 샘플의 광학 열 이미지를 반사하므로 이미지가 다소 빨간색입니다. 이 설치에 필요한 부품의 목록은 표 4에 있습니다.

그림 5. 잘못) microsphere와 b) microtoroid 공진 충치 reflowed. 빔 내에서 잘못된 위치로 인해 장치 '말 구성된 것입니다. C) 가난한 photomask이나 가난한 리소그래피의 결과, 환형은 달 모양입니다.
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모든 광학 구조와 마찬가지로 제조 공정의 모든 단계에서 청결을 유지하는 것은 매우 중요합니다. 리소그래피와 제조의 주제에 쓰여진 수많은 교과서가있는 바와 같이, 아래 제안은 종합 있겠지만 연구자들이 직면보다 일반적인 문제 몇 가지를 강조하기위한 것이 아닙니다. 19-20
microtoroid의 주변의 균일도가 초기 디스크의 균일에 의해 결정되기 때문에 패턴이 매우 원형 디스크에 매우 중요합니다. microtoroid와 관련된 일반적인 문제는 다음과 같습니다 1) 포토 마스크의 pixilation, 2) 가난한 석판술 (노출 미만 또는 이상, 개발, 거칠고 또는 고르지 않은 에칭 이하 또는 이상) 및 실리카에 포토 레지스트 3) 가난한 접착; 여기서 우리는 개별적으로 각 문제를 해결합니다.
그것은 고해상도 포토 마스크를 습득하는 것이 매우 중요합니다. 낮은 해상도의 photomasks 또는 잉크젯 photo...
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관심의 어떠한 충돌 선언 없습니다.
A. 메이커는 Annenberg 재단 대학원 연구 원정대에 의해 지원되고,이 작품은 국립 과학 재단 [085281과 1028440]에 의해 지원되었다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 부분의 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
| 섬유 학자 | 뉴 포트 | F-RFS | 선택 |
| 광학 섬유 | 뉴 포트 | F-SMF-28 | 광섬유의 유형은 사용할 수 있습니다. |
| 섬유 코팅 리퍼 | 뉴 포트 | F-STR-175 | 와이어 스트리퍼는 사용할 수 |
| 에탄올 | 모든 벤더 | 솔벤트 수준의 순도 | 메탄올이나 이소프로판올는 대체 위치 |
표 1. Microsphere 제조 재료.
| 시약의 이름 | 회사 | <강한> 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 2μm 열 성장 규소와 실리콘 웨이퍼 | WRS 자료 | N / A | 우리 고유 8 일 <100>, 4 "직경을 사용 |
| HMDS (헥사메틸디실아젠) | 올드 리치 | 440,191 | |
| 포토 레지스트 | 쉬플리 | S1813 | |
| 개발자 | 쉬플리 | MF-321 | |
| 개선 - HF 버퍼 | Transene | N / A | 향상된 버퍼 HF는 일반 비오이 또는 HF보다 에칭 부드럽고 더 나은 품질을 제공합니다 |
| 아세톤, 메탄올, 이소프로판올 | 모든 벤더 | 99.8 %의 순도 |
표 2. Microtoroid 제작 재료.
| 장비 이름 | 제조 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 스피너 | Solitec | 5110-ND | 모든 회전자 사용할 수 있습니다. |
| Aligner | 조사할 Microtec | MJB 3 | 모든 aligner 사용할 수 있습니다. |
| XeF이 에칭 | 고급 통신 기기 주식 회사 | # ADCETCH2007 |
표 3. Microtoroid 제조 장비.
| 부분의 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| CO 2 를 레이저 | Synrad | 시리즈 48 | |
| 3 축 스테이지 | OptoSigma | 120-0770 | 뿐만 아니라 다른 업체에서 사용할 수 있습니다. |
| 시 리플렉터 1 "직경) | II-VI | 308,325 | 뿐만 아니라 다른 업체에서 사용할 수 있습니다. |
| 운동학 짐벌 마운트 (SI 반사기의 경우) | 토르 실험실 | KX1G | 뿐만 아니라 다른 업체에서 사용할 수 있습니다. |
| 빔 조합기 (1 "직경) | Meller 광학 | L19100008-B0 | 뿐만 아니라 다른 업체에서 사용할 수 있습니다. |
| 4 "초점 거리 렌즈 (1"직경) | Meller 광학 또는 II-VI | 다른 업체에서 제공뿐만 아니라 | |
| 모듬 게시물, 렌즈 마운트 | 토르 연구소, 뉴 포트, 에드먼드 광학 또는 Optosigma | ||
| 줌 6000 머신 비전 시스템 | Navitar | N / A | 실시간 영상에 대한 일반적인 USB 카메라와 컴퓨터가 필요합니다. 이 키트로 구입하고 있습니다. |
| 줌 6000 시스템 Focuser | 에드먼드 광학 | 54-792 | 뿐만 아니라 다른 업체에서 사용할 수 있습니다. |
| 줌 6000에 대한 XZ의 축 Positioners | 파커 천변 만화의 | CR4457, CR4452, 4499 | CR4457은 X 축이며, CR4452은 Z 축이며, 4499은 브라켓을 장착하고 있습니다. |
표 4. CO 2 레이저 Reflow 설정.
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