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Flüstergalerie-Resonanzhohlräume schließen Licht in kreisförmigen Umlaufbahnen an ihrer Peripherie ein. 1-2 Die Lebensdauer der Photonenspeicherung im Resonator, quantifiziert durch den Qualitätsfaktor (Q) des Resonators, kann bei Kavitäten mit Q-Faktoren über 100 Millionen mehr als 500 ns betragen. Aufgrund ihrer geringen Materialverluste haben Siliziumdioxid-Mikrokavatoren einige der bisher längsten Photonenlebenszeitenvon 1-2 gezeigt. Da ein Teil des zirkulierenden Lichts über den Resonator hinausragt, können diese Geräte auch zur Sondierung der Umgebung verwendet werden. Diese Wechselwirkung hat zahlreiche Experimente in der Biologie ermöglicht, wie z. B. die Biodetektion von Einzelmolekülen und die Kinetik von Antikörper-Antigenen, sowie Entdeckungen in anderen Bereichen, wie z. B. die Entwicklung von Mikrolasern mit extrem niedrigen Schwellenwerten, die Charakterisierung dünner Schichten und Studien zur Quantenelektrodynamik von Resonatoren. 3-7
Die beiden primären Resonanzhohlraumgeometrien der Siliziumdioxid sind die Mikrosphäre und der Mikrotoroid. Beide Geräte basieren auf einem Kohlendioxid-Laser-Reflow-Schritt, um ihre ultrahohen Q-Faktoren (Q>100 Millionen) zu erreichen. 1-2,8-9 Es gibt jedoch einige bemerkenswerte Unterschiede zwischen den beiden Strukturen. Siliziumdioxid-Mikrosphären sind freistehend und werden von einer einzigen optischen Faser getragen, während Siliziumdioxid-Mikrotoroide auf einem Siliziumwafer in großen Arrays mit einer Kombination aus Lithographie und Ätzschritten hergestellt werden können. Diese Unterschiede beeinflussen, welches Gerät für ein bestimmtes Experiment optimal ist.
Hier präsentieren wir detaillierte Fertigungsprotokolle für beide Arten von Resonanzkavitäten. Während die Herstellung von Mikrosphären-Resonanzräumen relativ einfach ist, erfordert die Herstellung von Mikrotoroid-Resonanzräumen zusätzliche spezialisierte Geräte und Einrichtungen (Reinraum). Daher kann diese zusätzliche Anforderung auch beeinflussen, welches Gerät für ein bestimmtes Experiment ausgewählt wird.
Einführung
Ein optischer Resonator schließt Licht effizient bei bestimmten Wellenlängen ein, die als Resonanzwellenlängen des Bauelements bekannt sind. 1-2 Die gemeinsame Gütezahl für diese optischen Resonatoren ist der Qualitätsfaktor oder Q. Dieser Begriff beschreibt die Photonenlebensdauer (τo) innerhalb des Resonators, die in direktem Zusammenhang mit den optischen Verlusten des Resonators steht. Daher weist ein optischer Resonator mit einem hohen Q-Faktor geringe optische Verluste, eine lange Lebensdauer der Photonen und sehr niedrige Photonenzerfallsraten (1/τo) auf. Aufgrund der langen Lebensdauer der Photonen ist es möglich, in diesen Bauelementen extrem große zirkulierende optische Feldstärken aufzubauen. Diese einzigartige Eigenschaft hat es ermöglicht, diese Geräte als Laserquellen und integrierte Biosensoren zu verwenden. 10
Eine einzigartige Unterklasse von Resonatoren ist der optische Mikrokavator im Flüstergaleriemodus. In diesen Geräten ist das Licht in kreisförmigen Umlaufbahnen an der Peripherie eingeschlossen. Das Feld ist also nicht vollständig auf das Gerät beschränkt, sondern verschwindet in die Umgebung. Optische Resonatoren im Flüstergaleriemodus haben einige der höchsten Qualitätsfaktoren aller bisher optischen Resonanzresonatoren gezeigt. 9,11 Daher werden diese Geräte in der gesamten Wissenschaft und Technik eingesetzt, einschließlich in physikalischen Grundlagenstudien und in der Telekommunikation sowie in Biodetektionsexperimenten. 3-7,12 kg
Optische Mikrokavitäten können aus einer Vielzahl von Materialien und in einer Vielzahl von Geometrien hergestellt werden. Einige Beispiele sind Siliziumdioxid- und Silizium-Mikrotoroide, Silizium-, Siliziumnitrid- und Siliziumdioxid-Mikroplatten, Mikrosäulen sowie Siliziumdioxid- und Polymer-Mikroringe. 13-17 Der Bereich des Qualitätsfaktors (Q) variiert so stark wie die Geometrie. Obwohl sowohl die Geometrie als auch die hohe Güte in jedem Bereich wichtige Überlegungen sind, gibt es in vielen Anwendungen eine weitaus größere Hebelwirkung bei der Steigerung der Geräteleistung durch die Verbesserung der Güte. Unter den zahlreichen Optionen, die zuvor beschrieben wurden, haben die Siliziumdioxid-Mikrosphäre und der Siliziumdioxid-Mikrotoroid-Resonator einige der bisher höchsten Q-Faktoren erreicht. 1,9 Darüber hinaus sind sowohl Mikrosphären als auch Mikrotoroide aufgrund des extrem geringen optischen Verlusts von Siliziumdioxid aus dem sichtbaren bis zum nahen IR in der Lage, ihre Q-Faktoren über einen weiten Bereich von Testwellenlängen aufrechtzuerhalten. 18 Da Siliziumdioxid von Natur aus biokompatibel ist, wird es routinemäßig in Biodetektionsexperimenten verwendet.
Neben der hohen Materialabsorption gibt es mehrere andere potenzielle Verlustmechanismen, einschließlich Oberflächenrauheit, Strahlungsverlust und Kontaminationsverlust. 2 Durch eine Optimierung der Gerätegröße ist es möglich, Strahlungsverluste zu eliminieren, die durch einen schlechten optischen Feldeinschluss innerhalb des Gerätes entstehen. Ebenso kann durch die Lagerung eines Geräts in einer entsprechend sauberen Umgebung die Kontamination der Oberfläche minimiert werden. Daher ist neben dem Materialverlust die Oberflächenstreuung der wichtigste Problemverlustmechanismus. 2,8 kg
In Silica-Geräten wird die Oberflächenstreuung durch die Verwendung einer Laser-Reflow-Technik minimiert, die die Kieselsäure durch Oberflächenspannungs-induzierten Reflow schmilzt. Während sphärische optische Resonatoren seit vielen Jahren untersucht werden, konnten Forscher erst mit den jüngsten Fortschritten in den Herstellungstechnologien hochwertige optische toroidale Mikroresonatoren aus Siliziumdioxid (Q>100 Millionen) auf einem Siliziumsubstrat herstellen und damit den Weg für die Integration in die Mikrofluidik ebnen. 1
Die vorliegende Protokollreihe beschreibt, wie sowohl Siliziumdioxid-Mikrosphären als auch Mikrotoroid-Resonanzhohlräume hergestellt werden. Während Resonanzhohlräume von Mikrosphären aus Siliziumdioxid gut etabliert sind, wurden Mikrotoroid-Resonanzhohlräume erst vor kurzem erfunden. 1 Da viele der grundlegenden Methoden, die zur Herstellung der Mikrosphäre verwendet werden, auch in dem komplexeren Verfahren zur Herstellung von Mikrotoroiden verwendet werden, können die Forscher durch die Einbeziehung beider Methoden in ein einziges Protokoll ihre Experimente leichter Fehler beheben.