Nós descrevemos a utilização de uma técnica de carbono refluxo dióxido de laser para fabricar cavidades de sílica ressonantes, incluindo autónoma microesferas e no chip microtoroids. O método de refluxo remove imperfeições superficiais, permitindo longos tempos de vida de fotões dentro ambos os dispositivos. Os dispositivos resultantes têm ultra-fatores de alta qualidade, permitindo aplicações que vão das telecomunicações à biodetection.
É necessária uma assinatura do JoVE para visualizar este conteúdo. Faça login ou inicie seu teste gratuito.
Artigo de método
Fabricação de Sílica Ultra microresonators alto fator de qualidade
Neste artigo
Resumo
Resumo
Cavidades ressonantes do tipo galeria de sussurros confinam a luz em órbitas circulares em sua periferia.1-2 O tempo de armazenamento de fótons na cavidade, quantificado pelo fator de qualidade (Q) da cavidade, pode exceder 500 ns para cavidades com fatores Q superiores a 100 milhões. Devido às suas baixas perdas de material, microcavidades de sílica demonstraram alguns dos tempos de vida mais longos de fótons até o momento1-2. Como parte da luz circulante se estende para fora do ressonador, esses dispositivos também podem ser usados para sondar o ambiente ao redor. Essa interação permitiu inúmeros experimentos em biologia, tais como detecção biológica de molécula única e cinética de anticorpo-antígeno, bem como descobertas em outras áreas, como o desenvolvimento de microlasers com limiar ultra-baixo, caracterização de filmes finos e estudos de eletrodinâmica quântica em cavidades.3-7
As duas geometrias principais de cavidade ressonante de sílica são a microesfera e o microtoroide. Ambos os dispositivos dependem de um passo de refluência a laser de dióxido de carbono para atingir seus fatores ultraelevados de Q (Q>100 milhões).1-2,8-9 No entanto, existem várias diferenças notáveis entre as duas estruturas. As microesferas de sílica são autoportantes, sustentadas por uma única fibra óptica, enquanto os microtoroides de sílica podem ser fabricados em uma pastilha de silício em grandes matrizes usando uma combinação de etapas de litografia e gravação. Essas diferenças influenciam qual dispositivo é o ideal para um determinado experimento.
Aqui, apresentamos protocolos detalhados de fabricação para ambos os tipos de cavidades ressonantes. Embora a fabricação de cavidades ressonantes microesféricas seja bastante simples, a fabricação de cavidades ressonantes microtoroidais exige equipamentos e instalações especializadas adicionais (laboratório limpo). Portanto, esse requisito adicional pode também influenciar a escolha do dispositivo para um determinado experimento.
Introdução
Um ressonador óptico confina eficientemente a luz em comprimentos de onda específicos, conhecidos como comprimentos de onda ressonantes do dispositivo. 1-2 A métrica comum para esses ressonadores ópticos é o fator de qualidade ou Q. Este termo descreve o tempo de vida dos fótons (τo) dentro do ressonador, que está diretamente relacionado às perdas ópticas do ressonador. Portanto, um ressonador óptico com alto fator Q apresenta baixas perdas ópticas, longos tempos de vida dos fótons e taxas muito baixas de decaimento dos fótons (1/τo). Como resultado dos longos tempos de vida dos fótons, é possível gerar intensidades extremamente elevadas do campo óptico circulante nesses dispositivos. Essa propriedade muito peculiar permitiu que esses dispositivos fossem utilizados como fontes laser e biossensores integrados.10
Uma subclasse singular de ressoadores é a microcavidade óptica de modo de galeria de sussurros. Nessas estruturas, a luz é confinada em órbitas circulares na periferia. Assim, o campo não é completamente confinado no interior do dispositivo, mas evanesce para o ambiente. As cavidades ópticas de modo de galeria de sussurros demonstraram alguns dos fatores de qualidade mais elevados entre todas as cavidades ressonantes ópticas até o momento.9,11 Por isso, esses dispositivos são utilizados em diversas áreas da ciência e da engenharia, incluindo estudos de física fundamental, telecomunicações e experimentos de biodetecção. 3-7,12
Microcavidades ópticas podem ser fabricadas a partir de uma ampla variedade de materiais e em diversas geometrias. Alguns exemplos incluem microtoroides de sílica e silício, microdiscos de silício, nitreto de silício e sílica, micropilares e microrings de sílica e polímero.13-17 A variação no fator de qualidade (Q) é tão acentuada quanto a variação geométrica. Embora tanto a geometria quanto o alto Q sejam considerações importantes em qualquer área, em muitas aplicações, há muito mais vantagem em melhorar o desempenho do dispositivo por meio do aumento do Q. Entre as diversas opções descritas anteriormente, a microesfera de sílica e o ressonador microtoroide de sílica alcançaram alguns dos fatores de Q mais elevados até o momento.1,9 Além disso, em virtude da perda óptica extremamente baixa da sílica desde o espectro visível até o infravermelho próximo, tanto as microesferas quanto os microtoroides conseguem manter seus fatores de Q ao longo de uma ampla faixa de comprimentos de onda de teste.18 Por fim, como a sílica é inerentemente biocompatível, é comumente utilizada em experimentos de biodetecção.
Além da alta absorção do material, existem diversos outros mecanismos de perda potenciais, incluindo rugosidade da superfície, perda por radiação e perda por contaminação.2 Por meio da otimização do tamanho do dispositivo, é possível eliminar as perdas por radiação, que surgem de um confinamento inadequado do campo óptico dentro do dispositivo. De forma semelhante, ao armazenar um dispositivo em um ambiente adequadamente limpo, pode-se minimizar a contaminação da superfície. Portanto, além da perda de material, o espalhamento na superfície é o principal mecanismo de perda de interesse.2,8
Em dispositivos de sílica, a dispersão superficial é minimizada utilizando uma técnica de refluência a laser, que funde a sílica por meio de refluência induzida pela tensão superficial. Embora ressonadores ópticos esféricos tenham sido estudados por muitos anos, somente com os avanços recentes nas tecnologias de fabricação os pesquisadores puderam produzir microressonadores ópticos toroidais de sílica de alta qualidade (Q>100 milhões) sobre um substrato de silício, abrindo caminho para a integração com microfluídica.1
A presente série de protocolos detalha como fabricar cavidades ressonantes de microesferas de sílica e microtoroides. Embora as cavidades ressonantes de microesferas de sílica já estejam bem estabelecidas, as cavidades ressonantes microtoroides foram inventadas apenas recentemente.1 Como muitos dos métodos fundamentais utilizados na fabricação da microesfera também são empregados no procedimento mais complexo de fabricação do microtoroide, incluir ambos em um único protocolo permitirá que os pesquisadores solucionem problemas em seus experimentos com maior facilidade.
Protocolo
1. Fabricação de microesferas
- Seleccionar uma pequena quantidade (cerca de 5 polegadas) de fibra óptica, tira ~ 1,5 revestimento "a partir de uma extremidade e limpar com metanol ou etanol (Figura 1a, b).
- Se disponível, decompor o fim com um cutelo de fibra óptica. Se não estiver disponível, cortado com cortadores de arame ou tesouras tais que ~ 0,5 "é deixado. A vantagem de usar um cutelo de fibra óptica é que produz um corte muito lisa, uniforme como na Figura 1b. Rugosidade excessiva ou defeitos de um corte pode causar refluxo desigual, baixando o factor de qualidade das esferas resultantes.
- Expor a ....
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Discussão
Tal como acontece com qualquer estrutura óptica, manutenção da limpeza em cada passo do processo de fabricação é de importância crítica. Como existem vários livros escritos sobre o tema da litografia e fabricação, as sugestões abaixo não pretende ser exaustiva, mas destacar algumas das questões mais comuns pesquisadores enfrentaram. 19-20
Devido a uniformidade da periferia do microtoroid é determinada pela uniformidade do disco inicial, é muito importante para os discos padrão mui.......
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Divulgações
Não há conflitos de interesse declarados.
Agradecimentos
Criador A. foi apoiada por uma Fundação Annenberg Graduate Research Fellowship, e este trabalho foi financiado pela National Science Foundation [085281 e 1028440].
....Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Nome da peça | Companhia | Número de catálogo | Comentários |
| Escriba Fibra | Newport | F-RFS | Opcional |
| Fibra ótica | Newport | F-SMF-28 | Qualquer tipo de fibra óptica podem ser usadas. |
| Extractor revestimento de fibra | Newport | STR-F-175 | Decapantes fio podem também ser utilizados |
| Etanol | Qualquer vendedor | Solventes grau de pureza | Metanol ou isopropanol são substitutos |
Tabela 1. Materiais de fabrico de microesfera.
| Nome do reagente | Companhia | Comentários | |
|---|---|---|---|
| Wafers de silício com sílica termicamente crescido 2μm | Materiais sobre o mesmo tema | n / a | Usamos intrínseca 8, <100>, 4 "de diâmetro |
| HMDS (hexametildisilazano) | Aldrich | 440191 | |
| Fotossensíveis | Shipley | S1813 | |
| Revelador | Shipley | MF-321 | |
| Buffered HF - Melhor | Transene | n / a | O HF melhor buffer dá uma suave qualidade, melhor do que simples etch BOE ou HF |
| Metanol, acetona, isopropanol | Qualquer vendedor | Pureza de 99,8% |
Tabela 2. Microtoroid Materiais de fabricação.
| Nome Equipamento | Fabricante | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Fiandeiro | Solitec | 5110-ND | Qualquer giratório pode ser usado. |
| Alinhador | Suss Microtec | MJB 3 | Qualquer alinhador pode ser usado. |
| XeF 2 etcher | Avançado Comunicação Devices, Inc. | # ADCETCH2007 |
Tabela 3. Microtoroid equipamento de fabricação.
| Nome da peça | Companhia | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| CO 2 Laser | Synrad | Série 48 | |
| 3-Eixos estágio | OptoSigma | 120-0770 | Disponível a partir de outros fornecedores também. |
| Si Reflector 1 "de diâmetro) | II-VI | 308325 | Disponível a partir de outros fornecedores também. |
| Montagem em cardan cinemática (para Si refletor) | Thor Labs | KX1G | Disponível a partir de outros fornecedores também. |
| Feixe combinador (1 "de diâmetro) | Meller Optics | L19100008-B0 | Disponível a partir de outros fornecedores também. |
| 4 "Lente Distância focal (1" de diâmetro) | Meller Optics ou II-VI | Disponível a partir de outros fornecedores, bem | |
| Mensagens sortidas, montagens de lentes | Thor Labs, Newport, Edmund Optics ou Optosigma | ||
| Zoom 6000 sistema de visão de máquina | Navitar | n / a | Requer câmera USB genérico e computador de imagens em tempo real. Este é adquirido como um kit. |
| Focalizador para o sistema 6000 Zoom | Edmund Optics | 54-792 | Disponível a partir de outros fornecedores também. |
| Posicionadores Eixo XZ para 6000 Zoom | Parker Daedal | CR4457, CR4452, 4499 | CR4457 é eixo X, CR4452 é eixo Z, 4499 é o suporte de montagem. |
Tabela 4. CO 2 Refluxo Laser Set-up.
Referências
- Armani, D. K., Kippenberg, T. J., Spillane, S. M., Vahala, K. J. Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip. Nature. 421, 925-928 (2003).
- Gorodetsky, M. L., Savchenkov, A. A., Ilchenko, V. S. Ultimate Q of optical microsphere resonators. Optics Letters. 21, 453-455 (1996).
- Armani, A. M., Kulkarni,....
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Reimpressões e permissões
