Name: Produkcja ultra wysokiej jakości mikrorezonatorów czynnikowych krzemionki (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-07-02T08:04:00.000+00:00
Duration: 7 min 51 s
Description: Poznaj produkcję mikrorezonatorów krzemionkowych o ultra wysokiej jakości przy użyciu techniki przetopu laserem CO2. Ta metoda umożliwia zastosowania w telekomunikacji i biodetekcji.

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

playerTrialDesktop

A. Maker otrzymał wsparcie w ramach stypendium badawczego dla doktorantów Annenberg Foundation, a niniejsza praca została sfinansowana przez National Science Foundation [085281 i 1028440].

1. Fabrykacja mikrosfer
<ol>
 <li>Odetnij niewielki odcinek włókna optycznego (około 5 cali), usuń ok. 1,5 cala powłoki z jednego końca i oczyść go metanolem lub etanolem (Rysunek 1a, b).</li>
 <li>Jeśli jest dostępny, przetnij koniec za pomocą przecinarki do włókien optycznych. W przeciwnym razie utnij go obcinaczkami do drutu lub nożyczkami, pozostawiając ok. 0,5 cala. Zaletą użycia przecinarki do włókien optycznych jest uzyskanie bardzo gładkiego i jednorodnego cięcia, jak pokazano na Rysunku 1b. Nadmierna chropowatość lub defekty powstałe podczas cięcia mogą spowodować nierównomierne przetopienie, co obniży dobroć otrzymanych sfer.</li>
 <li>Naświetl oczyszczony koniec włókna wiązką lasera CO2 o mocy 3W, skupioną do plamki o średnicy ok. 500μm, przez ok. 1 sekundę (Rysunek 1c, d, e). Powoduje to powstanie sfer o średnicy ok. 200μm; rozmiar ten można jednak regulować poprzez zmianę średnicy włókna optycznego. Konieczne może być również niewielkie dostosowanie intensywności lasera w celu przetopienia większych lub mniejszych sfer.</li>
</ol>
2. Wytwarzanie mikrotoroidów
<ol>
 <li>Zaprojektuj i wykonaj fotomaskę z ciemnymi, pełnymi kołami o wybranym przez siebie odstępie i średnicy. Należy zauważyć, że wytworzone toroidy będą o 25-30% mniejsze niż koła na masce. Na przykład pełne koło o średnicy 100 mikronów wytworzy toroid o średnicy około 75 mikronów. Zaleca się również pozostawienie co najmniej 1-2 mm odstępu między poszczególnymi kołami oraz co najmniej 5 mm odstępu między macierzami kół i przy krawędziach maski. Ponieważ podłoża z krzemu muszą być ostrożnie przenoszone pęsetą, ważne jest pozostawienie miejsca na chwyt pęsetą, aby nie uszkodzić toroidów. Dodatkowa przestrzeń zapewnia również miejsce na stożkową światłowód w celu sprzęgnięcia światła z gotowymi urządzeniami i umożliwia łatwiejsze wycinanie próbek w mniejsze macierze. W tej procedurze zastosowano maskę z rzędami kół o średnicy 160 μm w odstępach ok. 1 mm, z przerwami ok. 5 mm między każdym rzędem kół. Gotowe toroidy mają średnicę około 110 μm.</li>
 <li>Należy rozpocząć od podłoży krzemowych z warstwą termicznie wzrostłej krzemionki o grubości 2 μm. Rozłup podłoża tak, aby wybrany wzór mikrodysków z fotomaski zmieścił się na powierzchni, pozostawiając miejsce na krawędź (edge bead) fotorezystu. Należy pamiętać, że na początku procesu wytwarzania zazwyczaj najwygodniej jest wytrawić kilka macierzy kół na większych fragmentach podłoży krzemowych (~kilka cm x kilka cm). Większe podłoża pozwalają na jednoczesną fotolitografię i trawienie BOE większej liczby próbek i są łatwiejsze w obsłudze pęsetą. Później, przed etapem trawienia w XeF2, zaleca się rozłupanie większych podłoży na mniejsze macierze, aby umożliwić szybsze i bardziej jednorodne trawienie w XeF2.</li>
 <li>W dygestorium należy dokładnie oczyścić podłoża, płucząc je acetonem, metanolem, izopropanolem i wodą dejonizowaną. Osuszyć próbki strumieniem azotu lub przefiltrowanego sprężonego powietrza, a następnie umieścić je na płycie grzejnej ustawionej na 120°C na co najmniej 2 minuty w celu osuszenia.</li>
 <li>Po ostudzeniu podłoży należy umieścić je w dygestorium do substancji łatwopalnych/rozpuszczalników i poddać działaniu HMDS przez 2 minuty metodą osadzania z fazy gazowej. Prosta metoda osadzania z fazy gazowej: nalać kilka kropel HMDS do małego zlewka 10 ml, a następnie przykryć podłoża i zlewkę większym szklanym naczyniem, aby zatrzymać opary.</li>
 <li>Umieścić próbkę na wirówce (spinnerze) z odpowiednio dobranym uchwytem. Za pomocą buteleczki z zakraplaczem lub strzykawki z filtrem nałożyć fotorezyst na próbkę. Nanosić fotorezyst S1813 metodą spin-coatingu na każdą próbkę przez 5 sekund przy 500 rpm, a następnie przez 45 sekund przy 3000 rpm. Usuwanie krawędzi (edge bead removal) nie jest konieczne, jeśli podłoże jest wystarczająco duże, aby krawędź nie zakłócała nanoszenia wzoru.</li>
 <li>Wykonać wstępne wygrzewanie (soft bake) fotorezystu na płycie grzejnej w temperaturze 95°C przez 2 minuty.</li>
 <li>Używając maskownicy UV i wybranej fotomaski, naświetlać próbki pokryte fotorezystem promieniowaniem UV z całkowitą dawką 80 mJ/cm2.</li>
 <li>Zanurzyć próbki w wywoływaczu MF-321, aby usunąć fotorezyst, który został poddany działaniu światła UV. Podczas wywoływania uważnie obserwować usuwanie i rozpuszczanie fotorezystu z podłoża. Ważne jest, aby stale mieszać lub potrząsać pojemnikiem podczas tego procesu, aby zapewnić jednorodne usunięcie fotorezystu. Dla podanych parametrów czas wywoływania fotorezystu wynosi około 30 sekund.</li>
 <li>Gdy większość niepożądanego fotorezystu rozpuści się w wywoływaczu, dokładnie wypłukać próbki pod bieżącą wodą, delikatnie osuszyć strumieniem azotu lub powietrza i sprawdzić próbki pod mikroskopem, aby upewnić się, że cały niepożądany fotorezyst został usunięty. W razie potrzeby próbki można ponownie zanurzyć w wywoływaczu; należy jednak uważać, aby nie przeeksponować (przewywołać) próbek, gdyż pożądane wzory z fotorezystu mogłyby zostać uszkodzone. (Jeśli pożądane wzory zostaną uszkodzone lub będą wadliwe, fotorezyst można usunąć acetonem i powtórzyć kroki 2.1-2.9).</li>
 <li>Po wywołaniu dokładnie wypłukać próbki pod bieżącą wodą, delikatnie osuszyć i poddać końcowemu wygrzewaniu (hard bake) na płycie grzejnej w temperaturze 110°C przez 2 minuty. Ten krok rozgrzewa fotorezyst powyżej jego temperatury przejścia szklistego, co powoduje jego przepływ i częściową naprawę chropowatości powstałej podczas procesu wywoływania.</li>
 <li>Używając pojemników teflonowych i niezbędnego sprzętu ochronnego, zanurzyć próbki w ulepszonym buforowanym trawieniu tlenków (BOE). BOE zawiera HF, który trawi krzemionkę niezakrytą fotorezystem, tworząc okrągłe podkładki z krzemionki na podłożu krzemowym (Rysunek 2a-c). Ulepszony buforowany HF zapewnia gładsze trawienie, minimalizując chropowatość powstałych krzemionkowych kół. Choć możliwe jest przygotowanie buforowanego HF z 49% HF, może to prowadzić do bardzo zmiennych wyników, ponieważ zazwyczaj przygotowuje się go w małych ilościach.</li>
 <li>Po około 15-20 minutach (w zależności od wzorów, rozmiarów i liczby próbek) wyjąć próbki z BOE za pomocą teflonowej pęsety. Ostrożnie wypłukać próbki pod bieżącą wodą. Krzemionka została usunięta, gdy próbki staną się hydrofobowe.</li>
 <li>Po trawieniu, płukaniu i suszeniu próbek, sprawdzić je za pomocą mikroskopu optycznego. Upewnić się, że pożądane wzory zostały całkowicie wytrawione, a cała niepożądana krzemionka została usunięta. W razie potrzeby zwrócić próbki do BOE w celu dalszego trawienia. Należy uważać, aby nie przetrawić próbek, gdyż okrągłe wzory pod fotorezystem mogą zostać uszkodzone.</li>
 <li>Po zakończeniu trawienia BOE dokładnie wypłukać próbki w wodzie dejonizowanej i osuszyć strumieniem gazu. Jeśli próbki znajdują się na dużych fragmentach podłoży krzemowych, zaleca się również ich pocięcie (za pomocą piły do dicingu lub skrybania diamentowego) na mniejsze części z pojedynczymi rzędami kół z krzemionki. Pojedyncze rzędy kół są trawione szybciej i bardziej jednorodnie w etapie trawienia w XeF2 (2.16). Pył krzemowy powstały podczas cięcia zostaje usunięty podczas czyszczenia w następnym kroku.</li>
 <li>Usunąć fotorezyst, płucząc próbki acetonem, metanolem, izopropanolem i wodą dejonizowaną, a następnie osuszyć próbki strumieniem azotu i ogrzać na płycie grzejnej w temperaturze 120°C przez co najmniej 2 minuty.</li>
 <li>Używając trawacza XeF2, podtraвить krzem pod okrągłymi podkładkami z krzemionki, aby utworzyć mikrodyski krzemionkowe (Rysunek 2d-f). Ilość wytrawionego materiału powinna wynosić około 1/3 rozmiaru krzemionkowego koła, tak aby filar powstałego mikrodysku stanowił około 1/3-1/2 całkowitej średnicy dysku, co należy ustalić podczas inspekcji pod mikroskopem optycznym. Liczba impulsów XeF2 oraz czas trwania każdego impulsu zależą od ilości krzemu w komorze i rodzaju zastosowanego trawacza XeF2.</li>
 <li>Po trawieniu w XeF2 naświetlić próbki skupioną wiązką lasera CO2 o mocy około 12 W przez ok. 3 sekundy lub do czasu utworzenia gładkiego toroidu (Rysunek 2g-i). W zależności od dokładnego rozmiaru dysku i stopnia podtrawienia w XeF2, do utworzenia mikrotoroidu może być potrzebna nieco wyższa lub niższa intensywność oraz inny czas naświetlania. Ważne jest, aby środek wiązki lasera i środek mikrodysku były wyrównane, tak aby krzemionkowy mikrodysk utworzył gładki, okrągły mikrotoroid.</li>
</ol>
3. Reprezentatywne wyniki
Urządzenia w postaci mikrosfer i mikrotoroidów można obrazować zarówno za pomocą mikroskopii optycznej, jak i skaningowej mikroskopii elektronowej (Rysunek 1d, e oraz Rysunek 2h, i). Na wszystkich obrazach wyraźnie widoczna jest jednorodność powierzchni urządzenia.
Aby zweryfikować, czy opisane szczegółowo podejście pozwala na stworzenie urządzeń o ultrawysokim współczynniku Q, określono również współczynnik Q kilku urządzeń poprzez pomiar szerokości linii (Δλ) i obliczenie obciążonego współczynnika Q z prostego wzoru: Q=λ/Δλ=ωτ, gdzie λ=długość fali rezonansowej, ω=częstotliwość, a τ=czas życia fotonu. Reprezentatywne widma każdego urządzenia wykonanego zgodnie z wcześniej opisanymi procedurami1,9 oraz wykres porównawczy kilku urządzeń przedstawiono na Rysunku 3. Współczynniki dobroci wszystkich urządzeń przekraczają 10 milionów, przy czym większość z nich znajduje się powyżej 100 milionów.
Widmo mikrosfery wykazywało pojedynczy rezonans, co wskazuje, że światło sprzęgało się z modami optycznymi propagującymi się albo zgodnie, albo przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Jednak widmo toroidu wykazało rozszczepienie rezonansu, co oznacza, że światło sprzęgało się jednocześnie z oboma modami – zgodnie i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Zjawisko to występuje w przypadku niewielkiej niedoskonałości w miejscu sprzężenia. Poprzez dopasowanie widma do funkcji podwójnego Lorentza można wyznaczyć dobroć Q dla obu modów. Zjawisko rozszczepienia rezonansu może wystąpić zarówno w rezonatorach sferycznych, jak i toroidalnych, lecz częściej obserwuje się je w toroidach, ponieważ są one bardziej podatne na niedoskonałości i posiadają mniej modów optycznych w porównaniu do sfer.
<img src="/files/ftp_upload/4164/4164fig1.jpg" alt="Obraz mikroskopowy procesu produkcji mikropipety; etapy obejmują formowanie i uszczelnianie." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1. Schemat procesu wytwarzania wnęki mikrosferycznej. a) Wizualizacja i b) mikrofotografia optyczna oczyszczonego i przeciętego włókna optycznego. c) Wizualizacja, d) mikrofotografia optyczna i e) skaningowa mikrofotografia elektronowa rezonatora mikrosferycznego.
<img src="/files/ftp_upload/4164/4164fig2.jpg" alt="Schematy procesu mikrowytrawiania przedstawiające okrągłe wzory w skali 50-100μm; analiza materiałów 3D." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2. Schemat procesu wytwarzania mikrotoroidalnego rezonatora. a) Wizualizacja, b) optyczna mikrofotografia z góry oraz c) skaningowa mikrofotografia elektronowa z widoku bocznego okrągłej podkładki tlenkowej, zdefiniowanej poprzez fotolitografię i trawienie w BOE. Zwróć uwagę na lekki kształt klina tlenku utworzony przez BOE. d) Wizualizacja, e) optyczna mikrofotografia z góry oraz f) skaningowa mikrofotografia elektronowa z widoku bocznego podkładki tlenkowej po etapie trawienia w XeF2. Zauważ, że dysk tlenkowy zachowuje klinowaty obwód. g) Wizualizacja, h) optyczna mikrofotografia z góry oraz i) skaningowa mikrofotografia elektronowa z widoku bocznego mikrotoroidalnego rezonatora.
<img src="/files/ftp_upload/4164/4164fig3.jpg" alt="Wykres porównawczy widm transmisyjnych i dobroci (Q) sfer w stosunku do toroidów w fotonice." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3. Reprezentatywne widma dobroci a) mikro sfery i b) mikro toroidu jako wnęk rezonansowych, wyznaczone metodą pomiaru szerokości linii. W urządzeniach o bardzo wysokiej dobroci Q można zaobserwować rozszczepienie modów lub podwójny pik, w którym światło odbija się od niewielkiej wady i krąży zarówno zgodnie, jak i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. c) Wykres porównawczy przedstawiający wartości dobroci Q dla kilku mikro sfer i mikro toroidów jako wnęk rezonansowych. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4164/4164fig3large.jpg" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby powiększyć rysunek</a>.
<img src="/files/ftp_upload/4164/4164fig4.jpg" alt="Schemat układu optycznego: laser CO2, scena 3-osiowa, łącznik wiązek, soczewka, reflektor krzemionkowy, analiza sygnału." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4. Schemat układu do przetapiania laserem CO2. Wiązka lasera CO2 (ciągła niebieska linia) jest odbijana, a następnie ogniskowana na próbce. Przechodzi ona przez łącznik wiązek 10.6 μm / 633 nm, który przepuszcza promieniowanie 10.6 μm i odbija promieniowanie 633 nm. Kolumna optyczna obrazuje odbicie z próbki od łącznika wiązek; dlatego obraz ma nieco czerwony odcień. Lista niezbędnych elementów do tego układu znajduje się w Tabeli 4.
<img src="/files/ftp_upload/4164/4164fig5.jpg" alt="Obrazy mikroskopowe procesów mikrokropelkowych; paski skali w mikrometrach wskazują odniesienie wielkości." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rysunek 5. Nieprawidłowo przetopione a) mikrosferyczne i b) mikrotoroidalne wnęki rezonansowe. Z powodu nieprawidłowego rozmieszczenia w wiązce urządzenie jest zdeformowane. c) W wyniku zastosowania wadliwej fotomaski lub błędnej litografii toroid ma kształt półksiężyca.

<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>

Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.

Podobnie jak w przypadku każdej struktury optycznej, utrzymanie czystości na każdym etapie procesu wytwarzania ma krytyczne znaczenie. Ponieważ istnieje wiele podręczników poświęconych litografii i technikom wytwarzania, poniższe sugestie nie mają na celu wyczerpania tematu, lecz podkreślenie kilku najczęstszych problemów, z którymi mierzyli się badacze.19-20
Ponieważ jednorodność obwodu mikrotoroidu zależy od jednorodności początkowego dysku, bardzo ważne jest wytworzenie dysków o ...

<table><tbody><tr><td>Nacinacz do światłowodów</td><td>Newport</td><td>F-RFS</td><td>Opcjonalnie</td></tr><tr><td>Światłowód optyczny</td><td>Newport</td><td>F-SMF-28</td><td>Można użyć każdego rodzaju światłowodu optycznego.</td></tr><tr><td>Zdzierak powłoki światłowodu</td><td>Newport</td><td>F-STR-175</td><td>Można również użyć ściągaczy izolacji</td></tr><tr><td>Etanol</td><td>Dowolny dostawca</td><td>Czystość klasy rozpuszczalnika</td><td>Zamiennikami są metanol lub izopropanol</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Tabela 1. &lt;/strong&gt; Materiały do wytwarzania mikrosfer.</td></tr><tr><td>Wafle krzemowe z 2&amp;mu;m termicznie hodowaną krzemionką</td><td>WRS Materials</td><td>n/a</td><td>Używamy krzemu własnościowego&lt;sup&gt;8&lt;/sup&gt;, &amp;lt;100&amp;gt;, średnica 4&quot;</td></tr><tr><td>HMDS (heksametylodisilazan)</td><td>Aldrich</td><td>440191</td><td></td></tr><tr><td>Fotorezyst</td><td>Shipley</td><td>S1813</td><td></td></tr><tr><td>Wywoływacz</td><td>Shipley</td><td>MF-321</td><td></td></tr><tr><td>Buforowany HF - ulepszony</td><td>Transene</td><td>n/a</td><td>Ulepszony buforowany HF zapewnia gładsze trawienie i lepszą jakość niż zwykły B&amp;#8211; lub HF</td></tr><tr><td>Aceton, metanol, izopropanol</td><td>Dowolny dostawca</td><td>Czystość 99,8%</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Tabela 2. &lt;/strong&gt; Materiały do wytwarzania mikrotoroidów.</td></tr><tr><td>Spin-coater</td><td>Solitec</td><td>5110-ND</td><td>Można użyć dowolnego spin-coatera.</td></tr><tr><td>Szyldownik (Aligner)</td><td>Suss Microtec</td><td>MJB 3</td><td>Można użyć dowolnego szyldownika.</td></tr><tr><td>Urządzenie do trawienia XeF&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td>Advanced Communication Devices, Inc.</td><td>#ADCETCH2007</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Tabela 3. &lt;/strong&gt; Urządzenia do wytwarzania mikrotoroidów.</td></tr><tr><td>Laser CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td>Synrad</td><td>Series 48</td><td></td></tr><tr><td>Stół 3-osiowy</td><td>OptoSigma</td><td>120-0770</td><td>Dostępny również u innych dostawców.</td></tr><tr><td>Reflektor Si (średnica 1&quot;)</td><td>II-VI</td><td>308325</td><td>Dostępny również u innych dostawców.</td></tr><tr><td>Kinematyczny uchwyt przegubowy (do reflektora Si)</td><td>Thor Labs</td><td>KX1G</td><td>Dostępny również u innych dostawców.</td></tr><tr><td>Kombiner wiązki (średnica 1&quot;)</td><td>Meller Optics</td><td>L19100008-B0</td><td>Dostępny również u innych dostawców.</td></tr><tr><td>Soczewka o ogniskowej 4&quot; (średnica 1&quot;)</td><td>Meller Optics lub II-VI</td><td></td><td>Dostępna również u innych dostawców</td></tr><tr><td>Różne słupki i uchwyty soczewek</td><td>Thor Labs, Newport, Edmund Optics lub Optosigma</td><td></td><td></td></tr><tr><td>System wizyjny Zoom 6000</td><td>Navitar</td><td>n/a</td><td>Wymaga standardowej kamery USB i komputera do obrazowania w czasie rzeczywistym. Produkt sprzedawany jako zestaw.</td></tr><tr><td>Ostroik dla systemu Zoom 6000</td><td>Edmund Optics</td><td>54-792</td><td>Dostępny również u innych dostawców.</td></tr><tr><td>Pozycjonery osi X-Z dla Zoom 6000</td><td>Parker Daedal</td><td>CR4457, CR4452, 4499</td><td>CR4457 to oś X, CR4452 to oś Z, 4499 to uchwyt montażowy.</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Tabela 4. &lt;/strong&gt; Konfiguracja przetapiania laserowego CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;.</td></tr></tbody></table>

wytwarzanie krzemionkowych mikrorozwiązujących o ultrawysokim czynniku dobroci

Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators

Rezonatory typu „szeptającej galerii” (whispering gallery) ograniczają światło w orbitach kołowych na ich obwodzie.1-2 Czas przechowywania fotonów w rezonatorze, określany przez dobroć (Q) rezonatora, może przekraczać 500ns w przypadku rezonatorów o dobroci powyżej 100 milionów. Dzięki niskim stratom materiałowym mikrorezonatory krzemionkowe wykazały jedne z najdłuższych znanych do dziś czasów życia fotonów1-2. Ponieważ część krążącego światła rozciąga się poza rezonator, urządzenia te mogą być również wykorzystywane do badania otoczenia. Interakcja ta umożliwiła przeprowadzenie licznych eksperymentów biologicznych, takich jak biodetekcja pojedynczych cząsteczek i analiza kinetyki przeciwciało-antygen, a także odkrycia w innych dziedzinach, m.in. opracowanie mikrolaserów o ultra-niskim progu wzbudzenia, charakteryzację cienkich warstw oraz badania w zakresie kwantowej elektrodynamiki wnękowej.3-7
Dwie główne geometrie krzemionkowych wnęk rezonansowych to mikrosfera i mikrotoroid. Oba urządzenia wymagają etapu przetapiania za pomocą lasera dwutlenku węgla, aby osiągnąć ultrawysokie dobroci (Q&gt;100 milionów).1-2,8-9 Istnieje jednak kilka istotnych różnic między tymi dwiema strukturami. Krzemionkowe mikrosfery są wolnostojące, podtrzymywane przez pojedynczy światłowód, natomiast krzemionkowe mikrotoroidy mogą być wytwarzane na waflu krzemowym w postaci dużych macierzy przy użyciu kombinacji litografii i etapów trawienia. Różnice te wpływają na to, które urządzenie jest optymalne dla danego eksperymentu.
W niniejszym materiale przedstawiamy szczegółowe protokoły wykonania obu typów wnęk rezonansowych. Podczas gdy wytwarzanie mikro sferycznych wnęk rezonansowych jest stosunkowo proste, wykonanie mikro toroidalnych wnęk rezonansowych wymaga dodatkowego specjalistycznego sprzętu i zaplecza (cleanroom). W związku z tym to dodatkowe wymaganie może również wpływać na wybór urządzenia do konkretnego eksperymentu.
Wstęp
Rezonator optyczny efektywnie ogranicza światło o określonych długościach fal, znanych jako długości fal rezonansowych urządzenia. 1-2 Powszechnym wskaźnikiem jakości dla tych rezonatorów optycznych jest dobroć lub czynnik Q. Termin ten opisuje czas życia fotonu (τo) wewnątrz rezonatora, który jest bezpośrednio powiązany ze stratami optycznymi rezonatora. Zatem rezonator optyczny o wysokim czynniku Q charakteryzuje się niskimi stratami optycznymi, długim czasem życia fotonów i bardzo niską szybkością zaniku fotonów (1/τo). Dzięki długiemu czasowi życia fotonów możliwe jest wytworzenie w tych urządzeniach niezwykle dużych intensywności krążącego pola optycznego. Ta unikalna właściwość sprawiła, że urządzenia te mogą być wykorzystywane jako źródła laserowe i zintegrowane biosensory.10
Wyjątkową podklasą rezonatorów są optyczne mikrownęki w trybie szeptającej galerii (whispering gallery mode). W tych urządzeniach światło jest uwięzione na orbitach kołowych na obwodzie. W związku z tym pole nie jest całkowicie ograniczone do wnętrza urządzenia, lecz przenika do otoczenia w formie fali zanikającej. Optyczne wnęki w trybie szeptającej galerii wykazały do tej pory jedne z najwyższych czynników dobroci spośród wszystkich optycznych wnęk rezonansowych.9,11 Dlatego urządzenia te są stosowane w nauce i inżynierii, w tym w fundamentalnych badaniach fizycznych i telekomunikacji, a także w eksperymentach z zakresu biodetekcji. 3-7,12
Optyczne mikrownęki mogą być wytwarzane z szerokiego zakresu materiałów i w bardzo różnorodnych geometriach. Kilka przykładów obejmuje mikrotoroidy krzemionkowe i krzemowe, mikrodyski krzemowe, z azotku krzemu i krzemionkowe, mikofilary oraz mikieringi krzemionkowe i polimerowe.13-17 Zakres czynnika dobroci (Q) zmienia się równie drastycznie jak geometria. Choć zarówno geometria, jak i wysoka wartość Q są istotnymi kwestiami w każdej dziedzinie, w wielu zastosowaniach znacznie większe możliwości poprawy wydajności urządzenia daje zwiększenie wartości Q. spośród licznych opcji opisanych wcześniej, rezonatory w postaci mikrosfer krzemionkowych i mikrotoroidów krzemionkowych osiągnęły do tej pory jedne z najwyższych wartości Q.1,9 Dodatkowo, dzięki niezwykle niskim stratom optycznym krzemionki w zakresie od światła widzialnego do bliskiej podczerwieni, zarówno mikrosfery, jak i mikrotoroidy są w stanie utrzymać swoje wartości Q w szerokim zakresie długości fal testowych.18 Wreszcie, ze względu na to, że krzemionka jest z natury biokompatybilna, jest ona rutynowo stosowana w eksperymentach z zakresu biodetekcji.
Oprócz wysokiej absorpcji materiałowej istnieje kilka innych potencjalnych mechanizmów strat, w tym chropowatość powierzchni, straty radiacyjne oraz straty wynikające z zanieczyszczeń.2 Poprzez optymalizację rozmiaru urządzenia możliwe jest wyeliminowanie strat radiacyjnych, które wynikają ze słabego ograniczenia pola optycznego wewnątrz urządzenia. Podobnie, przechowując urządzenie w odpowiednio czystym środowisku, można zminimalizować zanieczyszczenie powierzchni. W związku z tym, poza stratami materiałowymi, głównym istotnym mechanizmem strat jest rozpraszanie powierzchniowe.2,8
W urządzeniach krzemionkowych rozproszenie powierzchniowe jest minimalizowane przy użyciu techniki reflow laserowego, która topi krzemionkę poprzez reflow indukowany napięciem powierzchniowym. Choć sferyczne rezonatory optyczne były badane przez wiele lat, dopiero niedawne postępy w technologiach wytwarzania umożliwiły badaczom stworzenie wysokiej jakości krzemionkowych toroidalnych mikrorezonatorów optycznych (Q&gt;100 milionów) na podłożu krzemowym, co utorowało drogę do integracji z mikroprzepływami.1
Niniejsza seria protokołów szczegółowo opisuje sposób wytwarzania rezonatorów w postaci mikrosfer oraz mikrotoroidów krzemionkowych. Podczas gdy rezonatory w formie mikrosfer krzemionkowych są dobrze znane, rezonatory w formie mikrotoroidów zostały wynalezione niedawno.1 Ponieważ wiele z podstawowych metod wykorzystywanych do wytwarzania mikrosfer jest również stosowanych w bardziej złożonej procedurze wytwarzania mikrotoroidów, zawarcie obu tych metod w jednym protokole umożliwi badaczom łatwiejsze rozwiązywanie problemów pojawiających się podczas eksperymentów.

Opisujemy zastosowanie techniki przetapiania laserem dwutlenku węgla do wytwarzania krzemionkowych wnęk rezonansowych, w tym wolnostojących mikrosfer oraz mikrotoroidów na chipie. Metoda przetapiania usuwa niedoskonałości powierzchni, co pozwala na uzyskanie długiego czasu życia fotonów w obu typach urządzeń. Powstałe urządzenia charakteryzują się ultrawysokimi dobrociami, co umożliwia ich zastosowanie w szerokim zakresie, od telekomunikacji po biodetekcję.

Wytwarzanie krzemionkowych mikrorozwiązujących o ultrawysokim czynniku dobroci

Rezonatory wnękowe typu whispering gallery (galerii szeptów) ograniczają światło do orbit kołowych na ich obwodzie.1-2 Czas życia zmagazynowanych fotonów w wnęce, określany przez...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest wytworzenie mikro sferycznych oraz krzemionkowych rezonatorów OID o ultrawysokich dobrociach, co umożliwia zastosowania w szerokim zakresie – od telekomunikacji po biodetekcję. Fabrykacja mikrosfer rozpoczyna się od przygotowania czystego, odizolowanego końca światłowodu. Etapy fotolitografii i trawienia podczas wytwarzania mikro OID są przeprowadzane w pomieszczeniu czystym w celu podtrawienia krzemu pod okrągłymi podkładkami krzemowymi i uformowania krzemowych mikrodysków osadzonych na filarach.Kolejnym krokiem w obu procesach wykonania jest naświetlenie światłowodu optycznego i/lub krzemionkowego mikrodysku odpowiednio ustawioną wiązką lasera CO2. Wiązka lasera CO2 topi krzemionkę, tworząc mikrosfery lub gładkie krzemionkowe OID. Ostatnim krokiem jest inspekcja urządzeń pod mikroskopem w celu upewnienia się, że proces reflow przebiegł prawidłowo.Ostatecznie pomiary szerokości linii są wykorzystywane do wyznaczenia dobroci otrzymanych sfer oraz OID. Motywacją do zastosowania przetapiania laserem CO2 w celu wytworzenia mikrosfer i mikroukładów jest możliwość uzyskania dobroci przekraczającej sto milionów. Wizualna demonstracja tej metody jes

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Produkcja mikrezonatorów krzemionkowych o ultrawysokiej wartości czynnika jakości

Wykorzystanie falowodów i wnęk fotonicznych zostało szeroko przyjęte przez społeczność fotoniczną w wielu różnych zastosowaniach. Dlatego produkcja i charakterystyka tych urządzeń cieszy się dużym zainteresowaniem. W artykule przedstawiono naszą technikę wytwarzania i dwie metody charakterystyki optycznej, a mianowicie: interferometrię (falowody) i rozpraszanie rezonansowe (wnęki).

Wytwarzanie i charakterystyka falowodów i wnęk wolnowodnych kryształów fotonicznych

Przedstawiono dostosowane techniki opracowane w naszym laboratorium do budowy mikrofalowych systemów fotonicznych opartych na rezonatorach o ultra-wysokim Q w trybie galerii szeptów. Protokoły uzyskiwania i charakteryzowania tych rezonatorów są szczegółowo opisane i podano wyjaśnienie niektórych z ich zastosowań w fotonice mikrofalowej.

Mikrofalowe systemy fotoniczne oparte na rezonatorach z galerią szeptów

Parametryczne wzbudzenia optomechaniczne zostały ostatnio eksperymentalnie zademonstrowane w mikroprzepływowych rezonatorach optomechanicznych za pomocą ciśnienia promieniowania optycznego i stymulowanego rozpraszania Brillouina. W artykule opisano wytwarzanie tych rezonatorów mikroprzepływowych wraz z metodologiami generowania i weryfikacji oscylacji optomechanicznych.

Produkcja i testowanie mikroprzepływowych oscylatorów optomechanicznych

Nadprzewodzące rezonatory mikrofalowe są interesujące dla wykrywania światła, zastosowań obliczeń kwantowych i charakteryzacji materiałów. W pracy przedstawiono szczegółową procedurę wytwarzania i charakterystyki parametrów rozpraszania nadprzewodzącego rezonatora mikrofalowego.

Wytwarzanie i charakterystyka rezonatorów nadprzewodzących

W tym artykule przedstawiono efektywne generowanie zjawisk nieliniowych związanych z optyczną podatnością Χ(3) trzeciego rzędu w potrójnie rezonansowych mikrosferach krzemionkowych. Opisane tutaj interakcje to: Wymuszone rozpraszanie Ramana (SRS) i cztery procesy mieszania fal składające się na wymuszone rozpraszanie Ramana Anti-Stokes (SARS).

Stymulowane rozpraszanie Ramana Stokesa i antystokesa w mikrosferycznych rezonatorach w trybie galerii szeptów

Przedstawiamy protokół wytwarzania wnęk kryształów fotonicznych 1D na włóknach krzemionkowych o średnicy podfalowej (nanowłókna optyczne) za pomocą ablacji indukowanej laserem femtosekundowym.

Wytwarzanie 1-D fotonicznej wnęki kryształu na nanowłóknie za pomocą ablacji indukowanej laserem femtosekundowym

Przedstawiono protokół projektowania i produkcji nowatorskiego rezonatora z dzielonym pierścieniem (SRR) opartego na nanofilarach.

Wytwarzanie rezonatorów z dzielonym pierścieniem na bazie nanofilarów do rezonansów za pośrednictwem prądu przemieszczenia w metamateriałach terahercowych

Przedstawiono protokoły syntezy mikrosfer z polimerów, manipulacji mikrosferami i pomiarów mikrofotoluminescencji.

Wytwarzanie mikrosfer polimerowych do zastosowań w rezonatorach optycznych i laserach

Ta praca przedstawia szczegółowy protokół mikrowytwarzania nanostrukturalnego wspornika α-kwarcowego na podłożu w technologii Silicon-On-Insulator(SOI), zaczynając od epitaksjalnego wzrostu warstwy kwarcowej metodą powlekania zanurzeniowego, a następnie nanostrukturyzacji cienkiej warstwy za pomocą litografii nanoimprint.

Epitaksjalne nanostrukturalne warstwy α-kwarcowe na krzemie: od materiału do nowych urządzeń

W tym artykule prześledzono cykl życia rezonatora membranowego z azotku krzemu, od projektu, przez produkcję, aż po charakterystykę.

Wytwarzanie i charakterystyka rezonatorów membranowych z azotku krzemu o wysokiej zawartości Q

Poznaj produkcję mikrorezonatorów krzemionkowych o ultra wysokiej jakości przy użyciu techniki przetopu laserem CO2. Ta metoda umożliwia zastosowania w telekomunikacji i biodetekcji.

Wytwarzanie krzemionkowych mikrorozwiązujących o ultrawysokim czynniku dobroci

Przeglądaj więcej filmów