Name: 실리카 초고 품질 팩터 Microresonators의 제작 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-07-02T08:04:00.000+00:00
Duration: 7 min 51 s
Description: 학습하세요 CO2 레이저 재흐름 기법을 사용하여 초고 품질 팩터 실리카 공진기를 제작하는 방법을. 이 방법은 광통신 및 바이오 감지 응용 분야에서 장기적인 광자 수명을 가능하게 합니다.

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A. 메이커는 Annenberg 재단 대학원 연구 원정대에 의해 지원되고,이 작품은 국립 과학 재단 [085281과 1028440]에 의해 지원되었다.

1. Microsphere의 제조 <ol><li> 한쪽에서 광섬유, 스트립 ~ 1.5 &quot;cladding 소량 (약 5 인치)를 선택하고 메탄올 또는 에탄올 (그림 1A, B) 중 하나와 함께 청소. </li><li> 광섬유 칼로 사용할 경우, 다니엘은 끝. 사용할 수없는 경우, 전선 절단기 또는 ~ 0.5 &quot;가 남아있다는 등 가위로 잘라. 광섬유 식칼을 사용하는 장점은 그림 1B와 같이 매우 부드럽고 균일한 커팅을 생산한다는 것입니다. 커팅에서 과도한 거칠기 또는 결함이 원인이 될 수 있습니다 결과 분야의 품질 계수를 낮추 고르지 reflow. </li><li> 대한 ~ 500μm 직경 스폿 크기에 초점을 맞춘 CO 2 레이저 전력 3W로 청소 섬유 끝을 노출 ~ 1 번째 (그림 1C, D, E). 이것은 직경 분야 ~ 200μm을 생산하고 있지만, 크기는 광섬유의 직경을 증가 또는 감소에 의해 조정됩니다. 약간 B는 또한 레이저 강도를 수 조정reflow 크거나 작은 분야에 필요한 전자. </li></ol> 2. Microtoroid 제조 <ol><li> 디자인하고 원하는 간격과 직경, 어두운, 고체 동그라미로 photomask를 확인하십시오. 그것은 생산 toroids이 마스크에 동그라미보다 25~30% 작아됩니다 것이 중요합니다. 예를 들어, 100 미크론의 직경과 단단한 원형은 약 75 미크론의 직경과 환형를 생성합니다. 또한, 각 동그라미 사이의 공간 5mm 이상의 서클의 배열 사이 마스크의 가장자리 주위에 공간이 최소 1~2mm두고하는 것이 좋습니다. 샘플 웨이퍼를 조심스럽게 핀셋으로 취급되어야하기 때문에, 그것은 toroids을 손상시키지 않고 그립에 핀셋을위한 공간을두고하는 것이 중요합니다. 여분의 공간은 또한 완성된 장치에 두어 빛을 테이퍼 광섬유위한 공간을 제공하고 샘플을보다 쉽게​​보다 작은 배열로 자른 수 있습니다. 이 절차를 위해, 우리는 160 μm의 디 늘어서있는 마스크를 사용동그라미의 각 행 사이의 공간 ~ 5mm로 떨어져 ameter 서클은 ~ 1mm. 완료 toroids 지름이 약 110 μm의 수 있습니다. </li><li> 열 성장 실리카의 2 μm의 두께 층으로 실리콘 웨이퍼로 시작. 다니엘은 웨이퍼 석판술 마스크에 원하는 microdisk 패턴에 맞게, 포토 레지스트 에지 비드위한 공간을 떠난다. 제조의 시작 부분에서, 그것이 일반적으로 실리콘 웨이퍼의 큰 조각 (~ 몇 cm X 몇 ㎝)에 서클의 에칭 여러 배열에 가장 편리합니다. 더 큰 웨이퍼는 석판술와 시간에 더 많은 샘플 에칭 비오이을 허용하고, 더 쉽게 핀셋으로 처​​리됩니다. 나중에 XeF이 에칭 단계 전에, 그것은보다 빠르고 균일한 XeF이 에칭을 허용하도록 다니엘 작은 배열에 큰 웨이퍼로 추천합니다. </li><li> fumehood에서, 아세톤, 메탄올, 이소프로판올, 그리고 탈이온수로 rinsing하여 웨이퍼를 깨끗이 닦아주십시오. 샘플 질소 또는 필터링된 검색을 사용하여 건조 불어ressed 공기 총을, 그리고 뜨거운 접시에 넣어 말려 최소한 2 분 동안 120 ° C로 설정합니다. </li><li> 웨이퍼 멋진 해줘서 후 용매 / 가연성 fumehood에 그들을 배치하고 증기 증착 방법을 사용하여 2 분 동안 HMDS에 노출. 간단한 기상 증착 방법 : 작은 10ml를 비커에 HMDS 몇 방울을 넣어 다음 증기를 개최하기 위해 큰 유리 용기와 웨이퍼와 작은 비커를 포괄합니다. </li><li> 적절한 크기의 마운트로 회전자에서 샘플을 놓습니다. dropper 병 또는 주사기 및 필터를 사용하여 샘​​플에 포토 레지스트를 적용합니다. 3000rpm 45 초 뒤에 500rpm에서 5 초 각 샘플에 코트 S1813 포토 레지스트를 봐. 웨이퍼 엣지 비드가 patterning에 방해가되지 않도록 충분히 큰 경우 에지 비드 제거가 필요하지 않습니다. </li><li> 소프트 베이킹 95에서 뜨거운 접시에 포토 레지스트 ° 2 분을 C #. </li><li> 자외선 마스크 aligner하고 원하는 photomask 사용에 포토 레지스트 덮인 샘플을 폭로하다자외선 방사선 80mJ/cm 2 총. </li><li> 자외선에 노출되었다 포토 레지스트를 제거하는 MF-321 개발에 샘플을 담가. 개발하는 동안 포토 레지스트가 웨이퍼에서 제거하고 용해되기 때문에, 잘 봐. 그것은 포토 레지스트를 균일하게 제거되었는지 확인하기 위해이 과정에서 지속적으로 휙 / 컨테이너를 저어하는 것이 중요합니다. 주어진 매개 변수의 경우 포토 레지스트는 약 30 초 개발 소요됩니다. </li><li> 대부분의 불필요한 레지스트의이 개발자에 녹아되면 물을를 실행하는 아래 철저하게 샘플을 린스, 부드럽게 질소 또는 공기 총을 사용하여 샘​​플을 건조 불어, 모든 바람직하지 않은 포토 레지스트가 제거되었는지 확인하기 위해 현미경으로 표본을 검사한다. 필요한 경우, 샘플은 개발자에 다시 포장되어 수 있지만, 하나는 원하는 포토 레지스트 패턴도 손상될 수로 샘플을 지나치게 현상하다하지 않도록 주의해야합니다. 원하는 패턴이 손상되거나 결함이있는 경우 (포토 레지스트가 될 수 있습니다아세톤과 같이 2.1-2.9)가 다시 반복 수로 제거. </li><li> 개발 후 깨끗이 물에을 실행에 샘플을 린스, 부드럽게 샘플을 건조 불어 및 하드 110에서 뜨거운 접시에 그들을 만들어 2 분을 ° C에서.에게 이 단계는 개발 과정에서 발생한 포토 레지스트와 부분 보수 거칠기를 reflowing, 자사의 유리 전이 온도 위에 포토 레지스트를 가열. </li><li> 테플론 용기에 필요한 보호 장비를 사용하여 향상된 버퍼 산화물 에칭 (BOE)에 샘플을 담가. 비오이는 실리콘 웨이퍼 (그림 2A-C)에 원형 실리카 패드를 형성하기 위해 포토 레지스트에서 다루지 않은 실리카를 파 놓았 HF를 포함합니다. 향상된 버퍼 HF는 결과 실리카 서클에 부드럽고 에칭, 최소화 거칠기를 만들어냅니다. 그것이 HF는 49% HF로 시작하는 버퍼 혼합하는 것이 가능하지만, 이것은 일반적으로 오직 소량이 만들어 높은 변수 결과를 초래할 수 있습니다. </li><li> 약 15-20분 (D 이후패턴, 샘플 크기와 샘플의 수)에 epending, 테플론 핀셋을 사용하여 BOE에서 샘플을 제거합니다. 조심스럽게 물을를 실행에 샘플을 린스. 샘플 소수성이되면 실리카가 제거되었습니다. </li><li> , 에칭 rinsing 및 샘플을 건조 후 광학 현미경을 사용하여 그들을 검사한다. 원하는 패턴이 완전히 새겨져되어 모든 원치 않는 실리카가 제거되었는지 확인하십시오. 필요한 경우 추가로 에칭을 위해 BOE에 샘플을 반환합니다. 하나는 샘플을 overetch하지 않도록주의해야하거나, 포토 레지스트 밑에있는 원형 패턴이 손상될 수 있습니다. </li><li> 일단 비오이 에칭이 완료 철저하게 탈이온수에서 샘플을 씻어 건조 폭파. 샘플은 실리콘 웨이퍼의 대형 조각에있다면, 그것은 또한 (다이싱의 톱 또는 다이아몬드 학자를 사용하여) 실리카 서클의 개별 행을 가진 작은 조각으로 잘라 것이 좋습니다. 동그라미의 개별 행을 XeF에보다 신속하고 균일하게 새겨져있다이 에칭 단계 (2.16). 절단에 의해 생산된 실리콘 먼지는 다음 단계에서 세척하는 동안 제거됩니다. </li><li> 아세톤, 메탄올, 이소프로판올, 그리고 탈이온수로 rinsing하여 포토 레지스트를 제거하고, 최소한 2 분 동안 120 ° C 핫 플레이트에 질소 총과 난방을 사용하여 샘​​플을 건조. </li><li> XeF이 식각 장치를 사용하여 실리카 microdisks을 (그림 2D-F) 형성 원형 실리카 패드 아래에 실리콘을 약화. 새겨져 금액 인한 microdisk의 기둥이 같은 광학 현미경으로 검사에 의해 결정되는 총 디스크 직경 약 1/3-1/2가되도록 약 3분의 1 실리카 원의 크기 여야합니다. XeF이 펄스의 수와 각 펄스의 기간은 챔버 및 사용 XeF이 식각 장치의 종류에있는 실리콘의 양에 따라 달라집니다. </li><li> XeF이 에칭 후, 약 1에 초점을 CO 2 레이저 광선에 샘플을 폭로하다~ 3 초 동안이나 매끄러운 환형까지 2W 강도는 (2g-i 명령을 그림) 형성됩니다. 디스크의 정확한 크기와 XeF 2의 양의 가격을 내리다, 약간 높거나 낮은 농도 및 노출 시간에 따라이 microtoroid를 형성하는 데 필요한 수 있습니다. 그것은 실리카 microdisk는 부드럽고 원형 microtoroid를 형성되도록, 레이저 빔을 및 m​​icrodisk의 중심의 중심이 정렬됩니다 것이 중요합니다. </li></ol> 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. <img src="/files/ftp_upload/4164/4164fig1.jpg" alt="그림 1"/> 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. <img src="/files/ftp_upload/4164/4164fig2.jpg" alt="그림 2"/> 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. <img src="/files/ftp_upload/4164/4164fig3.jpg" alt="그림 3"/> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4164/4164fig3large.jpg" target="_blank">큰 그림을 보시려면 여기를 클릭하세요</a> . 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. <img src="/files/ftp_upload/4164/4164fig5.jpg" alt="그림 5"/> 그림 5. 잘못) microsphere와 b) microtoroid 공진 충치 reflowed. 빔 내에서 잘못된 위치로 인해 장치 &#39;말 구성된 것입니다. C) 가난한 photomask이나 가난한 리소그래피의 결과, 환형은 달 모양입니다.

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관심의 어떠한 충돌 선언 없습니다.

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...

<table border="1"><tbody><tr><td> 부분의 이름 </td><td> 회사 </td><td> 카탈로그 번호 </td><td> 댓글 </td></tr><tr><td> 섬유 학자 </td><td> 뉴 포트 </td><td> F-RFS </td><td> 선택 </td></tr><tr><td> 광학 섬유 </td><td> 뉴 포트 </td><td> F-SMF-28 </td><td> 광섬유의 유형은 사용할 수 있습니다. </td></tr><tr><td> 섬유 코팅 리퍼 </td><td> 뉴 포트 </td><td> F-STR-175 </td><td> 와이어 스트리퍼는 사용할 수 </td></tr><tr><td> 에탄올 </td><td> 모든 벤더 </td><td> 솔벤트 수준의 순도 </td><td> 메탄올이나 이소프로판올는 대체 위치 </td></tr></tbody></table> 표 1. Microsphere 제조 재료. <table border="1"><tbody><tr><td> 시약의 이름 </td><td> 회사 </td><td> &lt;강한&gt; 카탈로그 번호 </td><td> 댓글 </td></tr><tr><td> 2μm 열 성장 규소와 실리콘 웨이퍼 </td><td> WRS 자료 </td><td> N / A </td><td> 우리 고유 8 일 &lt;100&gt;, 4 &quot;직경을 사용 </td></tr><tr><td> HMDS (헥사메틸디실아젠) </td><td> 올드 리치 </td><td> 440,191 </td><td></td></tr><tr><td> 포토 레지스트 </td><td> 쉬플리 </td><td> S1813 </td><td></td></tr><tr><td> 개발자 </td><td> 쉬플리 </td><td> MF-321 </td><td></td></tr><tr><td> 개선 - HF 버퍼 </td><td> Transene </td><td> N / A </td><td> 향상된 버퍼 HF는 일반 비오이 또는 HF보다 에칭 부드럽고 더 나은 품질을 제공합니다 </td></tr><tr><td> 아세톤, 메탄올, 이소프로판올 </td><td> 모든 벤더 </td><td> 99.8 %의 순도 </td><td></td></tr></tbody></table> 표 2. Microtoroid 제작 재료. <table border="1"><tbody><tr><td> 장비 이름 </td><td> 제조 </td><td> 카탈로그 번호 </td><td> 댓글 </td></tr><tr><td> 스피너 </td><td> Solitec </td><td> 5110-ND </td><td> 모든 회전자 사용할 수 있습니다. </td></tr><tr><td> Aligner </td><td> 조사할 Microtec </td><td> MJB 3 </td><td> 모든 aligner 사용할 수 있습니다. </td></tr><tr><td> XeF이 에칭 </td><td> 고급 통신 기기 주식 회사 </td><td> # ADCETCH2007 </td><td></td></tr></tbody></table> 표 3. Microtoroid 제조 장비. <table border="1"><tbody><tr><td> 부분의 이름 </td><td> 회사 </td><td> 카탈로그 번호 </td><td> 댓글 </td></tr><tr><td> CO 2 </sub&gt;를 레이저 </td><td> Synrad </td><td> 시리즈 48 </td><td></td></tr><tr><td> 3 축 스테이지 </td><td> OptoSigma </td><td> 120-0770 </td><td> 뿐만 아니라 다른 업체에서 사용할 수 있습니다. </td></tr><tr><td> 시 리플렉터 1 &quot;직경) </td><td> II-VI </td><td> 308,325 </td><td> 뿐만 아니라 다른 업체에서 사용할 수 있습니다. </td></tr><tr><td> 운동학 짐벌 마운트 (SI 반사기의 경우) </td><td> 토르 실험실 </td><td> KX1G </td><td> 뿐만 아니라 다른 업체에서 사용할 수 있습니다. </td></tr><tr><td> 빔 조합기 (1 &quot;직경) </td><td> Meller 광학 </td><td> L19100008-B0 </td><td> 뿐만 아니라 다른 업체에서 사용할 수 있습니다. </td></tr><tr><td> 4 &quot;초점 거리 렌즈 (1&quot;직경) </td><td> Meller 광학 또는 II-VI </td><td></td><td> 다른 업체에서 제공뿐만 아니라 </td></tr><tr><td> 모듬 게시물, 렌즈 마운트 </td><td> 토르 연구소, 뉴 포트, 에드먼드 광학 또는 Optosigma </td><td></td><td></td></tr><tr><td> 줌 6000 머신 비전 시스템 </td><td> Navitar </td><td> N / A </td><td> 실시간 영상에 대한 일반적인 USB 카메라와 컴퓨터가 필요합니다. 이 키트로 구입하고 있습니다. </td></tr><tr><td> 줌 6000 시스템 Focuser </td><td> 에드먼드 광학 </td><td> 54-792 </td><td> 뿐만 아니라 다른 업체에서 사용할 수 있습니다. </td></tr><tr><td> 줌 6000에 대한 XZ의 축 Positioners </td><td> 파커 천변 만화의 </td><td> CR4457, CR4452, 4499 </td><td> CR4457은 X 축이며, CR4452은 Z 축이며, 4499은 브라켓을 장착하고 있습니다. </td></tr></tbody></table> 표 4. CO 2 레이저 Reflow 설정.

실리카 초고 품질 팩터 microresonators의 제작

Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators

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&gt;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&gt;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.

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.

실리카 초고 품질 팩터 Microresonators의 제작

위스퍼링 갤러리 공진기(Whispering gallery resonant cavities)는 빛을 주변부의 원형 궤도에 가둡니다.1-2 공진기 내의 광자 저장 수명은 ...으로 정량화되며

본 절차의 전반적인 목표는 초고품질 계수(ultra high quality factors)를 가진 마이크로구체 및 실리카 OID 공진기를 제작하는 것이며, 이는 통신에서 바이오 검출에 이르는 다양한 응용 분야를 가능하게 합니다. 마이크로구체 제작은 먼저 깨끗하게 박리된 광섬유 단면을 준비하는 것으로 시작합니다. 마이크로 OID 제작을 위한 포토리소그래피 및 식각 단계는 클린룸에서 수행되며, 원형 실리콘 패드 아래의 실리콘을 언더컷(undercut)하여 기둥 위에 놓인 실리콘 마이크로 디스크를 형성합니다.두 제작 공정의 다음 단계는 광섬유 및/또는 실리카 마이크로 디스크를 적절하게 정렬된 CO2 레이저 빔에 노출시키는 것입니다. CO2 레이저 빔은 실리카를 용융시켜 마이크로구체 또는 매끄러운 실리카 OID를 형성합니다. 마지막 단계는 현미경으로 장치를 검사하여 리플로우가 적절하게 이루어졌는지 확인하는 것입니다.최종적으로, 선폭 측정값은 생성된 구체 및 OID의 품질 계수(quality factor)를 결정하는 데 사용됩니다. 마이크로 구체 및 마이크로 소자를 제작하기 위해 CO2 레이저 리플로우를 사용하는 이유는 1억 이상의 품질 계수를 달성할 수 있기 때문입니다. 높은 품질 계수를 리플로우하는 과정의 시각적 시연은 매우 중요합니다.호흡기 관련 실험은 까다로울 수 있습니다. 샘플마다 결과가 다를 수 있으므로, 레이저 빔이 적절하게 정렬되었는지와 설정값이 정확한지 주의 깊게 살펴봐야 합니다. 마이크로구체 제작을 시작하려면, 소량의 광섬유를 선택하여 한쪽 끝에서 피복을 약 1.5 inches 정도 제거한 후, 피복을 제거한 광섬유 끝단을 메탄올 또는 에탄올로 세척하고 광섬유 절단기를 사용하여 절단하십시오.광섬유 절단기를 사용하는 장점은 매우 매끄럽고 균일하게 절단할 수 있다는 것입니다. 절단면의 과도한 거칠기나 결함은 불균일한 리플로우를 유발하여 생성된 구체의 품질 계수를 저하시킬 수 있습니다. 적절한 리플로우는 본 절차의 성공을 보장하는 가장 중요한 단계입니다.광섬유 및 마이크로 디스크 샘플은 적절하게 정렬되어 있어야 하며 상태가 양호해야 합니다. 레이저 빔의 적절한 정렬과 정확한 강도 및 시간 설정의 사용이 매우 중요합니다. 세척된 광섬유를 CO2 레이저의 경로에 배치하십시오.세척된 광섬유 끝단을 500 micron 직경의 스폿 크기로 집중된 3 watt의 CO2 레이저 출력에 약 1초 동안 노출시킵니다. 이렇게 하면 직경이 약 200 micron인 구체가 생성됩니다. 다만, 광섬유의 직경을 늘리거나 줄임으로써 그 크기를 조절할 수 있습니다.더 크거나 작은 구체를 리플로우(reflow)하려면 레이저 강도를 약간 조정해야 할 수도 있습니다. 마이크로 OID 제작은 미리 설계된 간격과 직경의 어두운 실선 원들로 구성된 포토마스크 제작부터 시작하며, 각 원 사이에는 최소 1~2mm, 원 배열 사이와 마스크 가장자리 주변에는 최소 5mm의 간격을 둡니다. 본 절차에서는 직경 160 µm의 원들이 행으로 배열된 마스크를 제작하였으며, 그 결과 직경 약 110 µm의 완성된 OID가 생성되었습니다.샘플 웨이퍼는 핀셋으로 조심스럽게 다뤄야 하므로, OID에 손상을 주지 않고 핀셋으로 잡을 수 있는 공간을 확보하는 것이 중요합니다. 이 공간은 테이퍼드 광섬유가 완성된 소자에 빛을 결합할 수 있는 여유 공간을 제공하며, 샘플을 더 작은 어레이로 더 쉽게 절단할 수 있게 합니다. 포토리소그래피 및 식각 단계는 서면 절차에 자세히 설명되어 있습니다.이 단계들은 클린룸에서 진행되므로 여기에서 시연할 수 없습니다. 여기에는 제작 공정의 서로 다른 시점에서 촬영한 측면 뷰 주사 전자 현미경 사진이 나와 있습니다. 제작 과정 중에 샘플을 개선된 완충 산화물 식각액(BOE로 약칭함)에 담그면, 포토레지스트로 덮이지 않은 실리카가 식각되어 실리콘 웨이퍼 위에 원형 실리카 패드가 형성됩니다.포토레지스트를 제거한 후, 제논 디플루오라이드(xenon di fluoride) 식각제를 사용하여 원형 실리카 패드 아래의 실리콘을 언더컷(undercut)함으로써 실리카 마이크로 디스크를 형성합니다. 식각량은 실리카 원 크기의 약 3분의 1이어야 하며, 따라서 광학 현미경 검사로 확인했을 때 결과물인 마이크로 디스크 기둥은 전체 디스크 직경의 약 3분의 1에서 2분의 1 정도가 되어야 합니다. 다음 단계는 시료를 집속된 CO2 레이저 빔 경로에 배치하는 것입니다.매끄러운 원형 마이크로 구조가 형성되려면 레이저 빔의 중심과 마이크로 디스크의 중심이 일치해야 하며, 약 12 watts 강도로 3초 동안 또는 매끄러운 OID가 형성될 때까지 노출시킵니다. 디스크의 정확한 크기와 xenon di fluoride 언더컷 양에 따라, 마이크로 oid를 형성하기 위해 약간 더 높거나 낮은 강도 및 노출 시간이 필요할 수 있습니다. 마이크로구체 및 마이크로 OID 장치는 광학 현미경과 주사 전자 현미경을 모두 사용하여 이미징할 수 있습니다.모든 이미지에서 장치 표면의 균일성이 명확하게 나타납니다. 이는 잘못 리플로우된 마이크로스피어 어노이드 공진 공동의 예시입니다. 빔 내의 배치 오류로 인해, 품질이 낮은 포토마스크나 불량한 리소그래피의 결과로 장치가 변형되었습니다. 그 결과 OID가 초승달 모양이 됩니다.여기에는 선폭 측정법을 사용하여 결정한 마이크로구체 및 마이크로 OID 공진기의 대표적인 품질 계수 스펙트럼이 제시되어 있습니다. 품질 계수는 공진기 내의 광자 저장 수명을 나타냅니다. 이 값들은 1억을 상회하였습니다.마이크로구체의 스펙트럼은 단일 공명으로 나타났으며, 이는 빛이 시계 방향 또는 반시계 방향으로 전파되는 광학 모드 중 하나에 결합되었음을 나타냅니다. 그러나 OID의 스펙트럼은 분리된 공명을 보였으며, 이는 빛이 작은 결함에서 반사되어 시계 방향과 반시계 방향 모두로 순환함을 나타냅니다. 이러한 현상은 결합 부위에 미세한 결함이 있을 때 발생합니다.스펙트럼을 이중 로렌츠(dual Lorentzian) 함수에 피팅함으로써 두 모드 모두의 Q 인자를 결정할 수 있습니다. 공진 분할 현상은 구형 공진기와 OID 공진기 모두에서 발생할 수 있으나, OID가 구형 공진기에 비해 결함에 더 민감하고 광학 모드 수가 적기 때문에 OID에서 더 빈번하게 관찰됩니다. 비교 그래프는 여러 마이크로 구형 및 마이크로 OID 공진기의 Q 인자를 보여줍니다.초고품질 계수(ultra high quality factor) 소자는 기초 물리학 연구부터 바이오 검출, 통신 시스템에 이르기까지 수많은 응용 분야를 가지고 있습니다. 고출력 CO2 레이저를 사용하는 것은 매우 위험할 수 있다는 점을 유념하십시오. 구체(spheres)와 OID를 리플로우(reflowing)할 때는 항상 보호 안경을 착용하고 안전한 작동 절차를 따라야 합니다.

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