Мы описываем использование лазерного оплавления диоксид углерода техника для изготовления кремния резонаторов, в том числе свободно стоящая микросфер и встроенным microtoroids. Оплавления метод удаляет поверхностные дефекты, что позволяет долго фотон жизни в обоих устройствах. В результате устройства имеют крайне высокие коэффициенты качества, позволяя приложениям, начиная от телекоммуникаций до biodetection.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Изготовление кремния сверхвысокой микрорезонаторов Фактор качества
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Резонаторы с шепчущей галереей удерживают свет на круговых орбитах по своей периферии.1-2 Время хранения фотонов в резонаторе, количественно определяемое добротностью (Q) резонатора, может превышать 500ns для резонаторов с добротностью выше 100 миллионов. Благодаря низким потерям в материале, кварцевые микрорезонаторы продемонстрировали одни из самых длительных времен жизни фотонов на сегодняшний день1-2. Поскольку часть циркулирующего света выходит за пределы резонатора, эти устройства также могут быть использованы для зондирования окружающей среды. Такое взаимодействие позволило провести многочисленные эксперименты в биологии, такие как биодетекция единичных молекул и изучение кинетики антиген-антител, а также привело к открытиям в других областях, включая разработку микролазеров с ультранизким порогом генерации, характеризацию тонких пленок и исследования в области квантовой электродинамики резонаторов.3-7
Двумя основными геометриями кварцевых резонаторов являются микросфера и микротороид. Оба устройства создаются с помощью этапа расплавления углекислотным лазером для достижения сверхвысоких добротностей (Q>100 миллионов).1-2,8-9 Однако между этими двумя структурами существуют заметные различия. Кварцевые микросферы являются свободновисящими и поддерживаются одним оптическим волокном, тогда как кварцевые микротороиды могут быть изготовлены на кремниевой пластине в виде больших массивов с использованием комбинации этапов литографии и травления. Эти различия определяют, какое устройство будет оптимальным для конкретного эксперимента.
Здесь мы представляем подробные протоколы изготовления обоих типов резонансных резонаторов. В то время как изготовление микросферных резонаторов достаточно простое, создание микротороидальных резонаторов требует дополнительного специализированного оборудования и условий (чистого помещения). Следовательно, это дополнительное требование также может повлиять на выбор устройства для конкретного эксперимента.
Введение
Оптический резонатор эффективно удерживает свет на определенных длинах волн, известных как резонансные длины волн устройства. 1-2 Общим показателем эффективности для таких оптических резонаторов является добротность или Q-фактор. Этот термин описывает время жизни фотона (τo) внутри резонатора, которое напрямую связано с оптическими потерями резонатора. Следовательно, оптический резонатор с высокой добротностью характеризуется низкими оптическими потерями, длительным временем жизни фотонов и очень низкой скоростью их распада (1/τo). Благодаря длительному времени жизни фотонов в этих устройствах можно достичь чрезвычайно высокой интенсивности циркулирующего оптического поля. Это уникальное свойство позволило использовать данные устройства в качестве лазерных источников и интегрированных биосенсоров.10
Уникальным подклассом резонаторов являются оптические микрорезонаторы с модами шепчущей галереи. В этих устройствах свет удерживается на круговых орбитах по периферии. Следовательно, поле не ограничено полностью внутри устройства, а затухает (эванесцентно проникает) в окружающую среду. Оптические резонаторы с модами шепчущей галереи на сегодняшний день демонстрируют одни из самых высоких значений добротности среди всех типов оптических резонансных полостей.9,11 Благодаря этому данные устройства широко применяются в науке и технике, включая исследования в области фундаментальной физики, телекоммуникации, а также эксперименты по биодетекции. 3-7,12
Оптические микрорезонаторы могут быть изготовлены из широкого спектра материалов и иметь самое разнообразное строение. В качестве примеров можно привести микротороиды из кварца и кремния, микродиски из кремния, нитрида кремния и кварца, микростолбики, а также микрокольца из кварца и полимеров.13-17 Диапазон значений добротности (Q) варьируется так же значительно, как и геометрия. Хотя и геометрия, и высокая добротность Q являются важными аспектами в любой области, во многих приложениях гораздо больше возможностей для повышения производительности устройства именно за счет увеличения Q. Среди многочисленных вариантов, описанных ранее, микросферные и микротороидальные резонаторы из кварца достигли одних из самых высоких значений добротности Q на сегодняшний день.1,9 Кроме того, благодаря чрезвычайно низким оптическим потерям в кварце в диапазоне от видимого до ближнего ИК-излучения, и микросферы, и микротороиды способны сохранять свои значения добротности Q в широком диапазоне рабочих длин волн.18 Наконец, поскольку кварц по своей природе биосовместим, он регулярно используется в экспериментах по биодетекции.
Помимо высокого поглощения материалом, существуют и другие потенциальные механизмы потерь, включая шероховатость поверхности, радиационные потери и потери из-за загрязнения.2 Путем оптимизации размеров устройства можно исключить радиационные потери, возникающие из-за недостаточного удержания оптического поля внутри устройства. Аналогичным образом, хранение устройства в соответствующим образом чистой среде позволяет минимизировать загрязнение поверхности. Таким образом, наряду с потерями в материале, основным значимым механизмом потерь является поверхностное рассеяние.2,8
В устройствах из кварцевого стекла поверхностное рассеяние сводится к минимуму с помощью метода лазерного оплавления, при котором кварц плавится за счет рефлоу, вызванного поверхностным натяжением. Хотя сферические оптические резонаторы изучались на протяжении многих лет, только благодаря последним достижениям в технологиях изготовления исследователи смогли создавать высококачественные кварцевые тороидальные микрорезонаторы (Q>100 миллионов) на кремниевой подложке, что открыло путь к их интеграции с микрофлюидикой.1
В данной серии протоколов подробно описывается процесс изготовления резонансных резонаторов в виде силикатных микросфер и микротороидов. В то время как использование силикатных микросферных резонаторов является общепризнанным методом, микротороидальные резонансные резонаторы были изобретены совсем недавно.1 Поскольку многие из основных методов, используемых для изготовления микросфер, также применяются в более сложной процедуре изготовления микротороидов, объединение обоих методов в одном протоколе позволит исследователям легче выявлять и устранять ошибки в своих экспериментах.
Протокол
1. Изготовление микросфер
- Выберите небольшое количество (около 5 см) оптического волокна, ленты ~ 1.5 "оболочка из одного конца и очистить либо метанол или этанол (рис. 1а, б).
- Если возможно, расщепляют конец с оптическим волокном нож. Если нет, вырезать с кусачками или ножницами так, что ~ 0.5 "не осталось. Преимущество использования оптических волокон ножа является то, что он производит очень гладкой, однородной сокращения как показано на рисунке 1b. Чрезмерное шероховатостей и дефектов от разреза может привести к неравномерность оплавления, снижение добротности результате сферах.
- Предоставьте очистку....
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Как и в любой оптической структуры, поддержание чистоты на каждом этапе производственного процесса имеет решающее значение. Поскольку существует множество учебников, написанных на тему литографии и производства, предложения ниже, не претендует на полноту, но выделить несколько наиболее распространенных вопросов, с которыми сталкиваются исследователи. 19-20
Потому что равномерность периферии microtoroid определяется по однородности начального диск, очень важно, чтобы картина очень .......
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Нет конфликта интересов объявлены.
Благодарности
А. Maker был поддержан Фондом Анненберга Высшее исследовательский грант, и эта работа была поддержана Национальным Научным Фондом [085281 и 1028440].
....Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Название части | Компания | Номер по каталогу | Комментарии |
| Волоконно писец | Ньюпорт | F-RFS | Необязательный |
| Оптоволокно | Ньюпорт | F-SMF-28 | Любой тип оптического волокна могут быть использованы. |
| Зачистки волокон покрытие | Ньюпорт | F-STR-175 | Устройства для зачистки проводов также может быть использована |
| Этанол | Любой поставщик | Растворителей уровня чистоты | Метанол или изопропанол являются заменителями |
Таблица 1. Микросферы Материалы изготовление.
| Название реагента | Компания | <сильный Номер по каталогу> | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Кремниевые пластины с 2 мкм термически выращенные кремния | WRS материалы | н / д | Мы используем внутренние 8, <100>, 4 ", диаметр |
| HMDS (гексаметилдисилазан) | Aldrich | 440191 | |
| Фоторезист | Шипли | S1813 | |
| Разработчик | Шипли | MF-321 | |
| Буферизацией HF - Улучшенный | Transene | н / д | Улучшение буферной HF дает более гладкую, более высокое качество травления, чем простой Англии или HF |
| Ацетон, метанол, изопропанол | Любой поставщик | 99,8% чистоты |
Таблица 2. MICRotoroid материалов Производство.
| Название оборудования | Производитель | Номер по каталогу | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Прядильщик | Solitec | 5110-ND | Любой счетчик может быть использован. |
| Aligner | Суссе Microtec | ГСК 3 | Любой выравниватель могут быть использованы. |
| XeF 2 гравер | Advanced Communication Devices, Inc | # ADCETCH2007 |
Таблица 3. Microtoroid изготовление оборудования.
| Название части | Компания | Номер по каталогу | Комментарии |
|---|---|---|---|
| CO 2 Лазерная | Synrad | Серии 48 | |
| 3-осные этап | OptoSigma | 120-0770 | Наличие других производителей, а также. |
| Si отражатель 1 "в диаметре) | II-VI | 308325 | Наличие других производителей, а также. |
| Кинематическая карданного крепления (для Si отражателя) | Thor Labs | KX1G | Наличие других производителей, а также. |
| Луч комбайнера (1 "в диаметре) | Меллер оптики | L19100008-B0 | Наличие других производителей, а также. |
| 4 "фокусным расстоянием (1" в диаметре) | Меллер оптики или II-VI | Наличие других производителей, а также | |
| Набор сообщений, объектив крепления | Thor Labs, Ньюпорт, Эдмунд оптики или Optosigma | ||
| Увеличить 6000 системы машинного зрения | Navitar | н / д | Необходим общий камера USB и компьютера в режиме реального времени изображения. Это приобретается в комплекте. |
| Сосредоточитель для увеличения System 6000 | Эдмунд оптики | 54-792 | Наличие других производителей, а также. |
| XZ оси Позиционеры для увеличения 6000 | Паркер затейливые | CR4457, CR4452, 4499 | CR4457 X-оси, CR4452 Z-оси, 4499 в монтажный кронштейн. |
Таблица 4. СО 2-лазера Reflow настройки.
Ссылки
- 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,....
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
