Name: Fabricage van Silica Ultra High Quality Factor microresonators (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-07-02T08:04:00.000+00:00
Duration: 7 min 51 s
Description: Leer de fabricage van silica microresonatoren met ultra hoge kwaliteitsfactoren via CO2-laserreflow. Deze methode produceert microsferen en microtoroïden voor toepassingen in telecommunicatie en biodetectie.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

A. Maker werd ondersteund door een Annenberg Foundation Graduate Research Fellowship, en dit werk werd ondersteund door de National Science Foundation [085281 en 1028440].

1. Microsphere Fabrication <ol><li> Kies een kleine hoeveelheid (ongeveer 5 cm) van optische vezel, strip ~ 1.5 &quot;bekleding van de ene kant en schoon te maken met of methanol of ethanol (figuur 1a, b). </li><li> Indien beschikbaar, klieven het einde met een optische vezel hakmes. Indien niet, geknipt met draadschaar of schaar zodat ~ 0.5 &quot;blijft. Het voordeel van een optische vezel mes is dat een zeer gladde, uniforme snede als in figuur 1b produceert. Overmatige ruwheid of defecten een zaagsnede kan ongelijke reflow verlagen van de kwaliteitsfactor van de resulterende bollen. </li><li> Expose de gereinigde vezels einde aan 3W van de CO 2 laservermogen geconcentreerd om een ~ 500μm diameter puntgrootte voor ~ 1 seconde (figuur 1c, d, e). Dit levert bollen ~ 200 pm in diameter, maar de grootte kan worden geregeld door meer of minder diameter van de optische vezel. Iets aanpassing van de laserintensiteit ook be nodig reflow grotere of kleinere bollen. </li></ol> 2. Microtoroid Fabrication <ol><li> Ontwerp en een fotomasker met donkere vaste cirkels, in de ruimte en de diameter naar keuze. Het is belangrijk op te merken dat de geproduceerde ringkernen wordt 25-30% kleiner dan de cirkels op het masker. Bijvoorbeeld, een rondje met een diameter van 100 micron een ringkern produceren met een diameter van ongeveer 75 micron. Ook verdient het aanbeveling om ten minste 1 2 mm ruimte tussen de cirkels en ten minste 5 mm ruimte tussen arrays van cirkels en rond de randen van het masker. Aangezien het voorbeeld wafers zorgvuldig behandeld met een pincet, is het belangrijk om ruimte voor de pincet grip verlaten zonder de ringkernen. De extra ruimte biedt ruimte voor een conische optische vezel te koppelen licht in de afgewerkte inrichtingen en kunnen monsters te snijden in kleinere matrices gemakkelijker. Voor deze procedure, hebben we gebruik gemaakt van een masker met rijen van 160 micrometer diameter cirkels ~ 1 mm van elkaar, met ~ 5 mm ruimte tussen elke rij van cirkels. De afgewerkte ringkernen ongeveer 110 pm in diameter. </li><li> Begin met siliciumplakken met een 2 pm dikke laag thermisch gegroeid silica. Cleave de wafels in de gewenste microschijven patroon op de fotolithografie masker te passen, waardoor er ruimte is voor fotolak rand kraal. Merk op dat aan het begin van vervaardiging het algemeen het meest geschikt te etsen verschillende reeksen cirkels op grotere stukken siliciumschijven (~ enkele cm x enkele cm). Grotere wafers laten fotolithografie en BOE etsen van meer monsters tegelijk, en zijn gemakkelijker behandeld met een pincet. Later, voor de XeF 2 etsstap, wordt aanbevolen voor het splitsen van de grotere wafers in kleinere arrays om sneller, meer uniforme XeF 2 etsen mogelijk te maken. </li><li> In een fumehood goed reinigen wafers door spoelen met aceton, methanol, isopropanol, en gedeïoniseerd water. Blaas de monsters te drogen met behulp van een stikstof-of gefilterd compressed lucht pistool, en leg ze op een hete plaat ingesteld op 120 ° C gedurende ten minste 2 minuten drogen. </li><li> Na de verhuur van de wafels afkoelen, leg ze in een ontvlambaar / oplosmiddel fumehood en bloot te stellen aan HMDS gedurende 2 minuten met behulp van de damp depositie methode. Een eenvoudige methode dampafzetting: een paar druppels van HMDS in een 10 ml bekerglas en dek de wafers en kleine bekerglas met een grotere glazen container om de damp te houden. </li><li> Plaats een monster op een spinner met een geschikt formaat mount. Een druppelflesje of spuit filter toepassing fotolak het monster. Spin jas S1813 fotolak op elk monster gedurende 5 seconden bij 500rpm, gevolgd door 45 seconden bij 3000rpm. Verdikte verwijdering niet noodzakelijk wanneer de wafer voldoende groot is zodat de verdikte niet interfereert met de patroon. </li><li> Zachte bak de fotolak op een hete plaat bij 95 ° C gedurende 2 minuten. </li><li> Een UV masker richteenheid en de gewenste fotomasker, bloot fotoresist bedekte monsters eentotaal 80mJ/cm 2 UV-straling. </li><li> Dompel de monsters MF-321 ontwikkelaar de fotolak werd blootgesteld aan UV-licht verwijderen. Bij de ontwikkeling, nauw bekijken van de fotolak verwijderd de wafel en opgelost. Het is belangrijk te roeren / swish de container steeds tijdens dit proces om de fotolak gelijkmatig verwijderd. Voor de gegeven parameters, de fotolak duurt ongeveer 30 seconden ontwikkelen. </li><li> Wanneer de meeste van de ongewenste fotolak is opgelost in de ontwikkelaar, spoel dan grondig de monsters onder stromend water, zachtjes föhnen van de monsters met behulp van een met stikstof of lucht pistool, en controleer de monsters met een microscoop om te zorgen dat alle ongewenste fotolak is verwijderd. Indien nodig, kunnen de monsters opnieuw ondergedompeld worden in ontwikkelaar, maar men moet oppassen niet de monsters overontwikkelen als de gewenste fotolak patronen kan ook worden beschadigd. (Als de gewenste patronen zijn beschadigd of defect is, kan de fotolak zijnverwijderd met aceton en stappen 2.1-2.9 kan herhaald worden). </li><li> Na het ontwikkelen, grondig de monsters spoelen onder stromend water, zachtjes föhnen de monsters, en hard te bakken op een hete plaat bij 110 ° C gedurende 2 minuten. Deze stap verwarmt de fotolak boven zijn glasovergangstemperatuur terugvloeiende de fotolak en gedeeltelijk herstel ruwheid die tijdens het ontwikkelproces. </li><li> Met behulp van Teflon containers en de noodzakelijke beschermende uitrusting, dompel de monsters in een betere gebufferde oxide etsmiddel (BOE). BOE bevat HF, dat het siliciumdioxide niet onder fotoresist circulaire silica pads vormen op de siliciumplak (figuur 2a-c) etsen. Verbeterde gebufferde HF een veel gladder etsen, minimaliseren ruwheid in het resulterende silica cirkels. Hoewel het mogelijk is te mengen gebufferde HF beginnend met 49% HF, kan dit leiden tot zeer verschillende resultaten als typisch slechts kleine hoeveelheden zijn. </li><li> Na ongeveer 15-20 minuten (dNaargelang van de patronen, steekproeven en aantal monsters), verwijder de monsters uit de BOE met Teflon pincet. Spoel de monsters onder stromend water. De silica is verwijderd wanneer de monsters worden hydrofobe. </li><li> Na het etsen, spoelen en drogen van de monsters, inspecteren ze met behulp van een optische microscoop. Controleer de gewenste patronen volledig zijn geëtst en alle ongewenste silica is verwijderd. Indien nodig, monsters terug naar de BOE voor verdere etsen. Men moet oppassen dat u de monsters overetch, of de cirkelvormige patronen onder de fotolak worden beschadigd. </li><li> Zodra BOE etsen is voltooid, spoel dan grondig de monsters in gedeïoniseerd water en föhnen. Als de monsters op grote stukken siliciumplak wordt ook aanbevolen om ze (met een dicing zaag of diamant schrijver) in kleinere stukken met afzonderlijke rijen silica cirkels snijden. Individuele rijen van cirkels sneller en gelijkmatig geëtst in de XeF2 etsstap (2.16). Silicon stof door de snij wordt verwijderd tijdens het reinigen de volgende stap. </li><li> Verwijder de fotolak door spoelen met aceton, methanol, isopropanol, en gedeïoniseerd water en droog monsters met een stikstof pistool en verwarming op 120 ° C verwarmingsplaat gedurende ten minste 2 minuten. </li><li> Met behulp van een XeF 2 etser, ondergraven het silicium onder de ronde silica pads silica-diskettes (figuur 2d-f) te vormen. Geëtst De hoeveelheid moet ongeveer 1/3 van de grootte van de silica cirkel, zodat de resulterende microschijf pijler ongeveer 1/3-1/2 van de totaal diameter, zoals bepaald door inspectie met een optische microscoop. Het aantal XeF 2 pulsen en de duur van elke puls afhankelijk van de hoeveelheid van silicium in de kamer en het type gebruikt 2 XeF etser. </li><li> Na XeF 2 etsen, bloot van de monsters naar een gerichte CO 2 laserstraal op ongeveer 12W intensiteit voor ~ 3 seconden of tot een gladde torus wordt gevormd (Figuur 2g-i). Afhankelijk van de exacte grootte van de schijf en de hoeveelheid XeF 2 ondergraven, een iets hogere of lagere intensiteit en belichtingstijd kan nodig zijn om een microtoroid te vormen. Het is belangrijk dat het centrum van de laserbundel en het midden van de microschijf uitgelijnd zodat de silica microschijven zal een glad cirkelvormige microtoroid. </li></ol> 3. Representatieve resultaten De microsfeer en microtoroid inrichtingen kunnen worden afgebeeld met zowel optische microscopie en scanning elektronen microscopie (figuur 1d, e en figuur 2h, i). In alle beelden, de uniformiteit van het oppervlak van het duidelijk waarneembaar. Om te controleren of de gedetailleerde aanpak van ultra-high-Q-apparaten maakt, hebben we ook kenmerkend was voor de Q-factor van meerdere apparaten door het uitvoeren van een lijnbreedte (Δλ) meet-en de berekening van de geladenQ van de eenvoudige uitdrukking: Q = λ / Δλ = ωτ, waar λ = resonante golflengte, ω = frequentie, en τ = foton leven. Representatieve spectra van elk apparaat vervaardigd met behulp van de eerder gedetailleerde procedures 1,9 en een vergelijking grafiek van meerdere apparaten is weergegeven in figuur 3. De kwaliteit factoren van alle apparaten zijn boven de 10 miljoen, waarbij de meerderheid zijn meer dan 100 miljoen. Het spectrum van de microsfeer was een resonantie, wat aangeeft dat het licht gekoppeld in een van beide de klok mee of tegen de klok in teeltmateriaal optische modus. De spectrum van de torus vertoonde een verdeling resonantie geven dat licht ingekoppeld in zowel linksom en rechtsom modi gelijktijdig. Dit verschijnsel treedt op wanneer er een lichte onvolkomenheid aan de koppeling plaats. Door toepassing van het spectrum een ​​dual-Lorentz kan de Q-factor van beide standen worden bepaald. De splitsing resonantie fenomeenna kan voorkomen in zowel sfeer en torus resonatoren, maar wordt vaker waargenomen bij ringkernen zoals ze zijn gevoeliger voor oneffenheden en minder optische modi in vergelijking met bollen. <img src="/files/ftp_upload/4164/4164fig1.jpg" alt="Figuur 1"/> Figuur 1. Stroomschema van de microsfeer holte fabricageproces. a) verlenen en b) optische microfoto van een schoon en gesplitst glasvezel. c) Rendering, d) optische microscoop en e) scannende elektronen microtekening van een microspere resonator. <img src="/files/ftp_upload/4164/4164fig2.jpg" alt="Figuur 2"/> Figuur 2. Stroomschema van de holte microtoroid fabricageproces. a) Rendering, b) bovenaanzicht optische microscoop en c) zij-aanzicht scannende elektronen microtekening van de cirkelvormige pad oxide, zoals gedefinieerd door fotolithografie en etsen BOE. Let op de lichte wigvorm van het oxyde dat wordt gevormd door de BOE. d) Rendering, e) top-viewoptische microfoto en f) zijaanzicht scannende elektronen microtekening van het oxyde pad na XeF 2 etsstap. Merk op dat de schijf oxide het wigvormige omtrek blijft. g) Rendering, h) bovenaanzicht optische microscoop en i) zijaanzicht scannende elektronen microtekening van de microtoroid holte. <img src="/files/ftp_upload/4164/4164fig3.jpg" alt="Figuur 3"/> Figuur 3. Representatieve kwaliteitsfactor spectra van de a) microsfeer en b) microtoroid trilholten als bepaald volgens de lijnbreedte meetmethode. In zeer hoge Q-apparaten, kan men waarnemen mode-splitsing of een dubbele piek, waarin het licht weerkaatst op een klein defect en circuleert in zowel met de klok mee en tegen de richtingen. c) Vergelijking grafiek die de Q-factoren van verschillende microsfeer en microtoroid trilholten. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4164/4164fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere afbeelding</a> . Figuur 4. Schematische voorstelling van de CO 2-laser reflow set-up. De CO 2-laser (vaste blauwe lijn) is terug te vinden en dan gericht op het monster. Het door de 10,6 um / 633 nm balk combiner die 10,6 um uitzendt en reflecteert 633 nm. De optische kolom beelden de reflectie van het monster af van de bundel combiner, daarom, het beeld is enigszins rood. Een lijst van de benodigde onderdelen voor deze installatie is in tabel 4. <img src="/files/ftp_upload/4164/4164fig5.jpg" alt="Figuur 5"/> Figuur 5. Onjuist opnieuw geplaatste a) microsfeer en b) microtoroid trilholten. Door verkeerde plaatsing binnen de bundel, de toestel mal gevormd. c) Als gevolg van slechte fotomasker of slechte lithografie, de torus maanvormige.

<ol><li>Armani, D. K., Kippenberg, T. J., Spillane, S. M., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultra-high-Q+toroid+microcavity+on+a+chip%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip.</a> Nature. 421, 925-928 (2003).</li>
<li>Gorodetsky, M. L., Savchenkov, A. A., Ilchenko, V. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultimate+Q+of+optical+microsphere+resonators%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Ultimate Q of optical microsphere resonators.</a> Optics Letters. 21, 453-455 (1996).</li>
<li>Armani, A. M., Kulkarni, R. P., Fraser, S. E., Flagan, R. C., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Label-Free%2C+Single-Molecule+Detection+with+Optical+Microcavities%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Label-Free, Single-Molecule Detection with Optical Microcavities.</a> Science. 317, 783(2007).</li>
<li>Choi, H. S., Ismail, S., Armani, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Studying+polymer+thin+films+with+hybrid+optical+microcavities%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Studying polymer thin films with hybrid optical microcavities.</a> Optics Letters. 36, 2152-2154 (2011).</li>
<li>Aoki, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+strong+coupling+between+one+atom+and+a+monolithic+microresonator%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Observation of strong coupling between one atom and a monolithic microresonator.</a> Nature. 443, 671-674 (2006).</li>
<li>Hsu, H. -S., Cai, C., Armani, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultra-low+threshold+Er%3AYb+sol-gel+microlaser+on+silicon%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Ultra-low threshold Er:Yb sol-gel microlaser on silicon.</a> Optics Express. 17, 23265(2009).</li>
<li>Zhu, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On-chip+single+nanoparticle+detection+and+sizing+by+mode+splitting+in+an+ultrahigh-Q+microresonator%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Photonics%22%5BJournal%5D)">On-chip single nanoparticle detection and sizing by mode splitting in an ultrahigh-Q microresonator.</a> Nature Photonics. 4, 46-49 (2009).</li>
<li>Zhang, X., Choi, H. -S., Armani, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultimate+quality+factor+of+silica+microtoroid+resonant+cavities%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Ultimate quality factor of silica microtoroid resonant cavities.</a> Applied Physics Letters. 96, 153304(2010).</li>
<li>Vernooy, D. W., Ilchenko, V. S., Mabuchi, H., Streed, E. W., Kimble, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-Q+measurements+of+fused-silica+microspheres+in+the+near+infrared%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">High-Q measurements of fused-silica microspheres in the near infrared.</a> Optics Letters. 23, 247-249 (1998).</li>
<li>Saleh, B. E. A., Teich, M. C. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSaleh%2C+BEA+%22Fundamentals+of+Photonics%22">Fundamentals of Photonics</a>. , 2nd edn, Wiley-Interscience. (2007).</li>
<li>Ilchenko, V. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Crystal+quartz+optical+whispering-gallery+resonators%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Crystal quartz optical whispering-gallery resonators.</a> Optics Letters. 33, 1569-1571 (2008).</li>
<li>Soteropulos, C., Hunt, H., Armani, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determination+of+binding+kinetics+using+whispering+gallery+mode+microcavities%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Determination of binding kinetics using whispering gallery mode microcavities.</a> Applied Physics Letters. 99, 103703(2011).</li>
<li>Barclay, P. E., Srinivasan, K., Painter, O., Lev, B., Mabuchi, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Integration+of+fiber-coupled+high-Q+SiNx+microdisks+with+atom+chips%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Integration of fiber-coupled high-Q SiNx microdisks with atom chips.</a> Applied Physics Letters. 89, (2006).</li>
<li>Srinivasan, K., Painter, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mode+coupling+and+cavity-quantum-dot+interactions+in+a+fiber-coupled+microdisk+cavity%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review.+A%22%5BJournal%5D)">Mode coupling and cavity-quantum-dot interactions in a fiber-coupled microdisk cavity.</a> Physical Review. A. 75, (2007).</li>
<li>Xu, Q. F., Lipson, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((All-optical+logic+based+on+silicon+micro-ring+resonators%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">All-optical logic based on silicon micro-ring resonators.</a> Optics Express. 15, 924-929 (2007).</li>
<li>Martin, A. L., Armani, D. K., Yang, L., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Replica-molded+high-Q+polymer+microresonators%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Replica-molded high-Q polymer microresonators.</a> Optics Letters. 29, 533-535 (2004).</li>
<li>Chao, C. Y., Guo, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polymer+microring+resonators+fabricated+by+nanoimprint+technique%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Vacuum+Science+Technology+B%22%5BJournal%5D)">Polymer microring resonators fabricated by nanoimprint technique.</a> Journal of Vacuum Science Technology B. 20, 2862-2866 (2002).</li>
<li>Armani, A. M., Armani, D. K., Min, B., Vahala, K. J., Spillane, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultra-high-Q+microcavity+operation+in+H2O+and+D2O%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Ultra-high-Q microcavity operation in H2O and D2O.</a> Applied Physics Letters. 87, 151118(2005).</li>
<li>Kovacs, G. T. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKovacs%2C+GTA+%22Micromachined+Transducers+Sourcebook%22">Micromachined Transducers Sourcebook</a>. , McGraw Hill. (1998).</li>
<li>Kovacs, G. T. A., Maluf, N. I., Petersen, K. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bulk+Micromaching+of+Silicon%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+IEEE%22%5BJournal%5D)">Bulk Micromaching of Silicon.</a> Proceedings of the IEEE. 86, 1536-1551 (1998).</li>
</ol>

Geen belangenconflicten verklaard.

Zoals bij elke optische structuur, behoud van netheid in elke fase van het fabricageproces is van cruciaal belang. Omdat er veel verschillende leerboeken geschreven over het onderwerp van de lithografie en de fabricage, worden de suggesties hieronder niet bedoeld om volledig te zijn, maar een paar van de meest voorkomende problemen onderzoekers hebben geconfronteerd markeren 19-20. Omdat de uniformiteit van de omtrek microtoroid wordt bepaald door de uniformiteit van de eerste sch...

<table border="1"><tbody><tr><td> Naam van het onderdeel </td><td> Vennootschap </td><td> Catalogusnummer </td><td> Reacties </td></tr><tr><td> Fiber schrijver </td><td> Newport </td><td> F-RFS </td><td> Facultatief </td></tr><tr><td> Optische vezel </td><td> Newport </td><td> F-SMF-28 </td><td> Elk type optische vezel kan worden gebruikt. </td></tr><tr><td> Fiber coating stripper </td><td> Newport </td><td> F-STR-175 </td><td> Draadstrippers kan ook </td></tr><tr><td> Ethanol </td><td> Elke leverancier </td><td> Solvent-level zuiverheid </td><td> Methanol of isopropanol substituten </td></tr></tbody></table> Tabel 1. Microsfeer Fabrication Materials. <table border="1"><tbody><tr><td> Naam van het serum </td><td> Vennootschap </td><td> &lt;strong&gt; Catalogus nummer </td><td> Reacties </td></tr><tr><td> Siliciumplakken met 2 pm thermisch gegroeid silica </td><td> WRS Materialen </td><td> n / a </td><td> We maken gebruik van intrinsieke 8, &lt;100&gt;, 4 &quot;diameter </td></tr><tr><td> HMDS (Hexamethyldisilazaan) </td><td> Aldrich </td><td> 440191 </td><td></td></tr><tr><td> Fotolak </td><td> Shipley </td><td> S1813 </td><td></td></tr><tr><td> Ontwikkelaar </td><td> Shipley </td><td> MF-321 </td><td></td></tr><tr><td> Gebufferde HF - Verbeterde </td><td> Transene </td><td> n / a </td><td> De verbeterde gebufferde HF zorgt voor een soepeler, betere kwaliteit etsen dan gewoon BOE of HF </td></tr><tr><td> Aceton, methanol, isopropanol </td><td> Elke leverancier </td><td> 99,8% zuiverheid </td><td></td></tr></tbody></table> Tabel 2. Microtoroid Fabrication Materials. <table border="1"><tbody><tr><td> Apparatuur Naam </td><td> Fabrikant </td><td> Catalogusnummer </td><td> Reacties </td></tr><tr><td> Spinner </td><td> Solitec </td><td> 5110-ND </td><td> Elke spinner worden gebruikt. </td></tr><tr><td> Aligner </td><td> Suss Microtec </td><td> MJB 3 </td><td> Elke uitrichteenheid kan worden gebruikt. </td></tr><tr><td> XeF 2 etser </td><td> Geavanceerde communicatie Devices, Inc </td><td> # ADCETCH2007 </td><td></td></tr></tbody></table> Tabel 3. Microtoroid Fabrication Equipment. <table border="1"><tbody><tr><td> Naam van het onderdeel </td><td> Vennootschap </td><td> Catalogusnummer </td><td> Reacties </td></tr><tr><td> CO 2 </sub&gt; Laser </td><td> Synrad </td><td> Series 48 </td><td></td></tr><tr><td> 3-Axis fase </td><td> OptoSigma </td><td> 120-0770 </td><td> Beschikbaar van andere leveranciers ook. </td></tr><tr><td> Si Reflector 1 &quot;diameter) </td><td> II-VI </td><td> 308325 </td><td> Beschikbaar van andere leveranciers ook. </td></tr><tr><td> Kinematisch cardanische mount (voor Si reflector) </td><td> Thor Labs </td><td> KX1G </td><td> Beschikbaar van andere leveranciers ook. </td></tr><tr><td> Beam combiner (1 &quot;diameter) </td><td> Meller Optics </td><td> L19100008-B0 </td><td> Beschikbaar van andere leveranciers ook. </td></tr><tr><td> 4 &quot;Brandpunt Lens (1&quot; diameter) </td><td> Meller Optics of II-VI </td><td></td><td> Beschikbaar van andere leveranciers en </td></tr><tr><td> Diverse berichten, lens mounts </td><td> Thor Labs, Newport, Edmund Optics of Optosigma </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Zoom 6000 machine vision systeem </td><td> Navitar </td><td> n / a </td><td> Vereist een standaard-USB-camera en een computer voor real-time beeldvorming. Dit wordt gekocht als een kit. </td></tr><tr><td> Focuser voor Zoom 6000-systeem </td><td> Edmund Optics </td><td> 54-792 </td><td> Beschikbaar van andere leveranciers ook. </td></tr><tr><td> XZ Axis Klepstandstellers voor Zoom 6000 </td><td> Parker ingewikkeld </td><td> CR4457, CR4452, 4499 </td><td> CR4457 is X-as, CR4452 is Z-as, 4499 bevestigingsbeugel. </td></tr></tbody></table> Tabel 4. CO 2 Laser Opnieuw plaatsen Set-up.

fabricage van silica ultra high quality factor microresonators

Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators

Whispering gallery resonant cavities sluiten licht op in circulaire banen aan hun periferie.1-2 De opslaglevensduur van fotonen in de caviteit, gekwantificeerd door de kwaliteitsfactor (Q) van de caviteit, kan meer dan 500ns bedragen voor caviteiten met Q-factoren boven de 100 miljoen. Als gevolg van hun lage materiaalvegges hebben silica-microcaviteiten tot nu toe enkele van de langste fotonlevensduren aangetoond1-2. Omdat een deel van het circulerende licht zich buiten de resonator uitstrekt, kunnen deze apparaten ook worden gebruikt om de omgeving te sonderen. Deze interactie heeft talloze experimenten in de biologie mogelijk gemaakt, zoals biodetectie van enkelvoudige moleculen en antilichaam-antigeen kinetiek, evenals ontdekkingen in andere vakgebieden, zoals de ontwikkeling van microlasers met een ultralage drempelwaarde, karakterisering van dunne films en studies naar caviteit-kwantum-elektrodynamica.3-7
De twee primaire geometrieën voor silica resonante caviteiten zijn de microsfeer en de microtoroïde. Beide apparaten maken gebruik van een reflow-stap met een kooldioxidelaser om hun ultra-hoge Q-factoren (Q&gt;100 miljoen) te bereiken.1-2,8-9 Er zijn echter enkele opmerkelijke verschillen tussen de twee structuren. Silica microsferen zijn vrijstaand en worden ondersteund door een enkele optische vezel, terwijl silica microtoroïden in grote arrays op een siliciumwafer kunnen worden gefabriceerd met behulp van een combinatie van lithografie- en etsstappen. Deze verschillen beïnvloeden welk apparaat optimaal is voor een bepaald experiment.
Hier presenteren wij gedetailleerde fabricageprotocollen voor beide typen resonante caviteiten. Hoewel de fabricage van microsfeer-resonante caviteiten vrij eenvoudig is, vereist de fabricage van microtoroïde resonante caviteiten aanvullende gespecialiseerde apparatuur en faciliteiten (cleanroom). Daarom kan deze extra vereiste ook van invloed zijn op de keuze van het apparaat voor een bepaald experiment.
Inleiding
Een optische resonator sluit licht efficiënt op bij specifieke golflengten, bekend als de resonantiegolflengten van het apparaat. 1-2 De gangbare kwaliteitsparameter voor deze optische resonators is de kwaliteitsfactor of Q. Deze term beschrijft de fotonlevensduur (τo) binnen de resonator, wat direct gerelateerd is aan de optische verliezen van de resonator. Daarom heeft een optische resonator met een hoge Q-factor lage optische verliezen, lange fotonlevensduren en zeer lage fotonvervalpercentages (1/τo). Dankzij de lange fotonlevensduren is het mogelijk om extreem grote circulerende optische veldintensiteiten in deze apparaten op te bouwen. Deze zeer unieke eigenschap heeft ertoe geleid dat deze apparaten kunnen worden gebruikt als laserbronnen en geïntegreerde biosensoren.10
Een unieke subklasse van resonatoren is de optische microcavity met whispering gallery modes. In deze apparaten wordt het licht beperkt tot cirkelvormige banen aan de periferie. Hierdoor is het veld niet volledig opgesloten in het apparaat, maar vertoont het evanescentie in de omgeving. Optische cavities met whispering gallery modes hebben tot op heden enkele van de hoogste kwaliteitsfactoren van alle optische resonante cavities aangetoond.9,11 Daarom worden deze apparaten in de gehele wetenschap en techniek gebruikt, waaronder in fundamentele natuurkundige studies, in telecommunicatie en in biodetectie-experimenten. 3-7,12
Optische microcaviteiten kunnen worden gefabriceerd uit een breed scala aan materialen en in een grote verscheidenheid aan geometrieën. Enkele voorbeelden zijn microtoroids van silica en silicium, microdisks van silicium, siliciumnitride en silica, micropillars, en microrings van silica en polymeren.13-17 De variatie in de kwaliteitsfactor (Q) is net zo aanzienlijk als de variatie in geometrie. Hoewel zowel de geometrie als een hoge Q belangrijke overwegingen zijn in elk vakgebied, is er bij veel toepassingen veel meer ruimte om de prestaties van het apparaat te verbeteren door de Q te verhogen. Van de talrijke eerder beschreven opties hebben de silica microsfeer- en de silica microtoroid-resonator tot nu toe enkele van de hoogste Q-factoren bereikt.1,9 Bovendien kunnen zowel microsferen als microtoroids hun Q-factoren behouden over een breed bereik aan testgolflengten, als gevolg van het extreem lage optische verlies van silica van het zichtbare spectrum tot het nabije-IR.18 Ten slotte wordt silica routinematig gebruikt in biodetectie-experimenten, omdat silica inherent biocompatibel is.
Naast een hoge materiaalabsorptie zijn er verschillende andere potentiële verliesmechanismen, waaronder oppervlakteruwheid, stralingsverlies en contaminatieverlies.2 Door optimalisatie van de afmetingen van het apparaat is het mogelijk om stralingsverliezen te elimineren, die ontstaan door een gebrekkige opsluiting van het optische veld binnen het apparaat. Op dezelfde manier kan contaminatie van het oppervlak worden geminimaliseerd door een apparaat in een passend schone omgeving te bewaren. Daarom is, naast materiaalverlies, oppervlakteverstrooiing het belangrijkste verliesmechanisme waar rekening mee gehouden moet worden.2,8
In silica-apparaten wordt oppervlakteverstrooiing geminimaliseerd door gebruik te maken van een laser-reflowtechniek, waarbij de silica wordt gesmolten door oppervlaktespanning-geïnduceerde reflow. Hoewel sferische optische resonatoren al vele jaren worden bestudeerd, zijn onderzoekers pas door recente vorderingen in fabricagetechnologieën in staat geweest om hoogwaardige silica optische toroidale microresonatoren (Q&gt;100 miljoen) op een siliciumsubstraat te vervaardigen, waardoor de weg is vrijgemaakt voor integratie met microfluidica.1
De huidige reeks protocollen beschrijft in detail hoe zowel silica microsfeer- als microtoroïde resonantieholtes kunnen worden gefabriceerd. Hoewel resonantieholtes in de vorm van silica microsferen reeds goed bekend zijn, zijn microtoroïde resonantieholtes pas onlangs uitgevonden.1 Omdat veel van de fundamentele methoden die worden gebruikt voor de fabricage van de microsfeer ook worden toegepast in de complexere fabricageprocedure van de microtoroïde, stelt de opname van beide in één enkel protocol onderzoekers in staat om problemen in hun experimenten gemakkelijker op te sporen en op te lossen.

Wij beschrijven het gebruik van een kooldioxide laser reflow techniek silica trilholten, zoals vrijstaande microsferen en on-chip microtoroids fabriceren. De reflow-methode verwijdert oneffenheden, waardoor lange levensduur foton in beide apparaten. De resulterende apparaten hebben een zeer hoge kwaliteit factoren, waardoor toepassingen, variërend van telecommunicatie tot biodetection.

Fabricage van Silica Ultra High Quality Factor microresonators

Whispering-gallery-resonantieholtes sluiten licht op in circulaire banen aan hun periferie.1-2 De fotonopslaglevensduur in de holte, gekwantificeerd door de ...

Het algemene doel van deze procedure is het vervaardigen van microsfeer- en silica OID-resonatoren met ultra-hoge kwaliteitsfactoren, die toepassingen mogelijk maken variërend van telecommunicatie tot biodetectie. De fabricage van microsferen begint met de voorbereiding van een schoon, gestript uiteinde van een optische vezel. De fotolithografie- en etsstappen voor de fabricage van micro OID's worden in de cleanroom uitgevoerd om het silicium onder cirkelvormige siliciumpads weg te etsen en silicium micro-discs te vormen die op pilaren rusten.De volgende stap in beide fabricageprocessen is het blootstellen van de optische vezel en/of de silica micro-disc aan een correct uitgelijnde CO2-laserstraal. De CO2-laserstraal smelt de silica, waardoor microsferen of gladde silica OID's worden gevormd. De laatste stap is het inspecteren van de componenten met een microscoop om een correcte reflow te waarborgen.Uiteindelijk worden lijnbreedtemetingen gebruikt om de kwaliteitsfactor van de resulterende sferen en OID's te bepalen. De motivatie voor het gebruik van CO2-laser reflow voor het maken van microsferen en micro-apparaten is de mogelijkheid om kwaliteitsfactoren van meer dan honderd miljoen te bereiken. Een visuele demonstratie van deze methode is cruciaal vanwege het reflowen van een hoge kwaliteitsfactor.Het werken met respiratoire monsters kan lastig zijn. Resultaten kunnen per monster variëren, dus u moet nauwgezet controleren of de laserstraal correct is uitgelijnd en of de instellingen juist zijn. Om te beginnen met de fabricage van microsferen, selecteert u een klein stuk optische vezel, stript u ongeveer 1,5 inch van de mantel aan één uiteinde, reinigt u het gestripte uiteinde van de vezel met methanol of ethanol, en splijt u het gestripte uiteinde met een optische vezelsplijter.Het voordeel van het gebruik van een optische vezelbreker is dat deze een zeer gladde, uniforme snede produceert. Overmatige ruwheid of defecten door een snede kunnen leiden tot een ongelijkmatige reflow, waardoor de kwaliteitsfactor van de resulterende sferen afneemt. Een correcte reflow is de belangrijkste stap in deze procedure om succes te garanderen.De optische vezel en de micro-schijfmonsters moeten correct zijn uitgelijnd en in goede conditie verkeren. Een juiste uitlijning van de laserstraal en het gebruik van de correcte intensiteits- en tijdsinstellingen zijn cruciaal. Plaats de schone vezel in het pad van de CO2-laser.Stel het gereinigde vezeluiteinde bloot aan drie watt CO2-laservermogen, gefocust op een spotgrootte van 500 micron diameter gedurende ongeveer één seconde. Dit produceert sferen met een diameter van ongeveer 200 micron. De grootte kan echter worden aangepast door de diameter van de optische vezel te vergroten of te verkleinen.Het kan tevens nodig zijn om de laserintensiteit licht aan te passen om grotere of kleinere sferen te laten vloeien. De fabricage van micro OID's begint met het genereren van een fotomasker met donkere, massieve cirkels van vooraf bepaalde afstand en diameter; laat minstens één tot twee millimeter ruimte tussen elke cirkel en minstens vijf millimeter ruimte tussen rijen cirkels en rond de randen van het masker. Voor deze procedure werd een masker gemaakt met rijen cirkels van 160 micron diameter, wat resulteerde in voltooide OID's van ongeveer 110 micron in diameter.Aangezien de monsterwafers voorzichtig met pincetten moeten worden gehanteerd, is het belangrijk om ruimte over te laten zodat de pincetten grip hebben zonder de OID's te beschadigen. Deze ruimte biedt plaats voor een taps toelopende optische vezel om licht in de voltooide apparaten te koppelen en maakt het eenvoudiger om monsters in kleinere arrays te snijden. De stappen voor fotolithografie en etsen worden in detail beschreven in de schriftelijke procedure.Deze stappen kunnen hier niet worden gedemonstreerd omdat ze in de cleanroom plaatsvinden. Hier worden zijdelingse scanning-elektronenmicrografieën getoond van verschillende punten in het fabricageproces. Tijdens de fabricage worden de monsters ondergedompeld in verbeterd gebufferd oxide-etsmiddel, afgekort als BOE, dat de silica etst die niet door de fotolak is bedekt om cirkelvormige silica-pads op de siliciumwafer te vormen.Na het verwijderen van de fotolak wordt een xenondifluoride-etser gebruikt om het silicium onder de cirkelvormige silicapads uit te etsen, zodat silicamicroschijven worden gevormd. De geëtste hoeveelheid moet ongeveer een derde van de grootte van de silicacirkel bedragen, zodat de resulterende pilaar van de microschijven ongeveer een derde tot de helft van de totale schijfdiameter is, zoals bepaald door inspectie met een optische microscoop. De volgende stap is om de monsters in het pad van een gefocuste CO2-laserstraal te plaatsen.Het centrum van de laserstraal en het centrum van de microschijf moeten worden uitgelijnd om een gladde circulaire microstructuur te vormen; stel ze bloot aan een intensiteit van ongeveer 12 watt gedurende drie seconden of totdat een gladde OID is gevormd. Afhankelijk van de exacte grootte van de schijf en de mate van xenon difluoride undercut kan een iets hogere of lagere intensiteit en blootstellingstijd nodig zijn om een micro-OID te vormen. De microsfeer- en micro-OID-apparaten kunnen worden afgebeeld met behulp van zowel optische microscopie als scanning-elektronenmicroscopie.In alle afbeeldingen is de uniformiteit van het apparaatoppervlak duidelijk zichtbaar. Dit zijn voorbeelden van onjuist gereflowde microsfeer-androïde resonante caviteiten. Vanwege een onjuiste plaatsing binnen de straal is het apparaat misvormd als gevolg van een slecht fotomasker of een gebrekkige lithografie. De resulterende OID is maanvormig.Hier worden representatieve kwaliteitsfactor-spectra van de microsfeer- en micro-OID-resonantieholtes getoond, bepaald met de lijnbreedtemeetmethode. De kwaliteitsfactor representeert de opslaglevensduur van fotonen in de holte. Deze waarden lagen boven de 100 miljoen.Het spectrum van de microsfeer vertoonde een enkele resonantie, wat aangeeft dat het licht koppelde met ofwel de met de klok mee of de tegen de klok in voortplantende optische modus. Het spectrum van de OID vertoonde echter een gespleten resonantie, wat erop wijst dat licht reflecteert op een klein defect en zowel in met de klok mee als tegen de klok in draaiende richtingen circuleert. Dit fenomeen treedt op wanneer er een kleine imperfectie aanwezig is op de koppelingsplaats.Door het spectrum te fitten aan een dubbele Lorentzian kan de Q-factor van beide modi worden bepaald. Het fenomeen van resonantiesplitsing kan voorkomen in zowel sferische als OID-resonatoren, maar wordt vaker waargenomen in OID's, aangezien deze gevoeliger zijn voor imperfecties en minder optische modi hebben in vergelijking met sferen. Een vergelijkingsgrafiek toont de Q-factoren van diverse microsferische en micro OID-resonantiekaviteiten.Apparaten met een ultra-hoge kwaliteitsfactor hebben talloze toepassingen, variërend van fundamentele natuurkundige studies en biodetectie tot telecommunicatiesystemen. Vergeet niet dat het werken met krachtige CO2-lasers uiterst gevaarlijk kan zijn. U dient altijd een beschermende bril te dragen en de veilige gebruiksprocedures te volgen bij het reflowen van sferen en OID's.

fabrication-of-silica-ultra-high-quality-factor-microresonators

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

Gebruik van fotonisch kristal langzaam licht golfgeleiders en holtes is op grote schaal door de fotonica gemeenschap in veel verschillende toepassingen. Daarom fabricage en karakterisering van deze apparaten zijn van groot belang. Dit document schetst onze fabricage techniek en twee optische karakterisatie methoden, te weten: interferometrische (golfgeleiders) en resonante verstrooiing (holten).

Fabricage en karakterisering van fotonische kristallen Slow lichtgolfgeleiders en holtes

De aangepaste technieken ontwikkeld in ons laboratorium om microgolf fotonica systemen te bouwen op basis van ultra-hoge Q fluisteren gallery mode resonatoren worden gepresenteerd. De protocollen voor deze resonatoren te verkrijgen en te karakteriseren zijn gedetailleerd, en een uitleg van een aantal van hun toepassingen in de magnetron fotonica wordt gegeven.

Magnetron Fotonica Systemen op basis van Whispering-gallery-mode resonatoren

Parametrische optomechanische excitaties zijn onlangs experimenteel aangetoond in microfluïdische optomechanische resonatoren door middel van optische stralingsdruk en gestimuleerde Brillouin-verstrooiing. Dit artikel beschrijft de fabricage van deze microfluïdische resonatoren samen met methodologieën voor het genereren en verifiëren van optomechanische oscillaties.

Fabricage en testen van Microfluidic Optomechanische oscillators

Supergeleidende magnetron resonatoren van belang zijn voor de detectie van licht, quantum computing toepassingen en materialen karakterisering. Dit werk geeft een gedetailleerde procedure voor de fabricage en karakterisering van supergeleidende magnetron resonator verstrooiing parameters.

Fabricage en karakterisering van Supergeleidende Resonators

Efficiënte productie van niet-lineaire verschijnselen in verband met de derde orde optische non-lineaire gevoeligheid Χ (3) interacties in drievoudig resonante silica microsferen wordt in dit document. De interacties gemeld hier zijn: gestimuleerde Raman Scattering (SRS), en vier wave mixing processen bestaande uit gestimuleerde Anti-Stokes Raman Scattering (SARS).

Gestimuleerde Stokes en Antistokes Raman Scattering in microsferische Whispering Gallery Mode Resonators

We presenteren een protocol voor het vervaardigen van 1-D fotonisch kristal holtes op subwavelength diameter silica vezels (optisch nanovezels) met behulp van femtoseconde-laser-geïnduceerde ablatie.

Fabricage van 1-D Photonic Crystal Cavity op een Nanovezel behulp Femtoseconde Laser-geïnduceerde Ablation

Een protocol voor het ontwerp en de fabricage van een nieuw-nanopillar gebaseerde split ring resonator (SRR) wordt gepresenteerd.

Fabricage van Nanopillar-Based Split Ring Resonators voor Displacement Current gemedieerde resonanties in Terahertz Metamaterials

Protocollen voor de synthese van microsferen uit polymeren, de manipulatie van microsferen en microfotoluminescentiemetingen worden voorgesteld.

Fabricage van Polymer Microsferen voor Optische Resonator en Laser Applicaties

Dit werk presenteert een gedetailleerd protocol voor de microfabrication van nanogestructureerde α-kwarts cantilever op een Silicon-On-Insulator (SOI) technologiesubstraat beginnend bij de epitaxiale groei van kwartsfilm met de dipcoatingmethode en vervolgens nanostructuratie van de dunne film via nanoimprintlithografie.

Epitaxiale nanogestructureerde α-quartzfilms op silicium: van materiaal tot nieuwe apparaten

Dit artikel volgt de levenscyclus van een siliciumnitridemembraanresonator, van ontwerp via fabricage tot karakterisering.

Fabricage en karakterisering van high-Q siliciumnitride-membraanresonatoren

Leer de fabricage van silica microresonatoren met ultra hoge kwaliteitsfactoren via CO2-laserreflow. Deze methode produceert microsferen en microtoroïden voor toepassingen in telecommunicatie en biodetectie.

Fabricage van Silica Ultra High Quality Factor microresonators

Meer video's verkennen