Si descrivono l'uso di una tecnica di anidride carbonica reflow laser per fabbricare cavità risonanti silice, incluse autoportante microsfere e on-chip microtoroids. Il metodo di reflow rimuove le imperfezioni della superficie, che consente lunghi tempi di vita dei fotoni all'interno di entrambi i dispositivi. I dispositivi ultra risultanti hanno fattori di alta qualità, consentendo applicazioni che vanno dalle telecomunicazioni alla rilevazione di agenti biologici.
È richiesta un abbonamento a JoVE per visualizzare questo contenuto. Accedi o inizia la tua prova gratuita.
Articolo metodologico
Fabbricazione di Microrisonatori silice Ultra High Quality Factor
In questo articolo
Sommario
Abstract
Le cavità risonanti a galleria sussurrante confinano la luce in orbite circolari lungo il loro perimetro.1-2 La durata di immagazzinamento dei fotoni nella cavità, quantificata dal fattore di qualità (Q) della cavità stessa, può superare i 500 ns per cavità con fattori Q superiori a 100 milioni. A causa delle ridotte perdite nel materiale, le microcavità in silice hanno dimostrato finora alcune delle più lunghe durate di vita dei fotoni1-2. Poiché una parte della luce in circolazione si estende all'esterno del risonatore, questi dispositivi possono essere utilizzati anche per sondare l'ambiente circostante. Questa interazione ha reso possibile la realizzazione di numerosi esperimenti in biologia, come la rilevazione biologica di singole molecole e lo studio della cinetica anticorpo-antigene, nonché scoperte in altri settori, quali lo sviluppo di microlaser con soglia estremamente bassa, la caratterizzazione di film sottili e studi di elettrodinamica quantistica in cavità.3-7
Le due geometrie principali della cavità risonante in silice sono la microsfera e il microtoroide. Entrambi i dispositivi si basano su un passaggio di rifusione con laser a biossido di carbonio per raggiungere fattori di qualità ultra-elevati (Q>100 milioni).1-2,8-9 Tuttavia, esistono diverse differenze notevoli tra le due strutture. Le microsfere in silice sono autonome e sostenute da una singola fibra ottica, mentre i microtoroidi in silice possono essere fabbricati su una piastrina di silicio in grandi array mediante una combinazione di passaggi di litografia e incisione. Queste differenze influenzano quale dispositivo risulti ottimale per un determinato esperimento.
In questo studio, vengono presentati protocolli dettagliati di fabbricazione per entrambi i tipi di cavità risonanti. Mentre la fabbricazione delle cavità risonanti a microsfera è abbastanza semplice, la realizzazione delle cavità risonanti a microtoro richiede attrezzature e strutture specializzate aggiuntive (cleanroom). Pertanto, questo requisito aggiuntivo potrebbe influenzare la scelta del dispositivo da utilizzare in un determinato esperimento.
Introduzione
Un risonatore ottico confina efficacemente la luce a determinate lunghezze d'onda, note come lunghezze d'onda risonanti del dispositivo. 1-2 Il parametro comunemente utilizzato per caratterizzare questi risonatori ottici è il fattore di qualità, o Q. Questo parametro descrive il tempo di vita dei fotoni (τo) all'interno del risonatore, che è direttamente correlato alle perdite ottiche del dispositivo. Pertanto, un risonatore ottico con un alto fattore Q presenta basse perdite ottiche, lunghi tempi di vita dei fotoni e tassi di decadimento fotonico molto ridotti (1/τo). A causa dei lunghi tempi di vita dei fotoni, è possibile generare intensità di campo ottico circolante estremamente elevate in questi dispositivi. Questa proprietà molto particolare ha permesso l'utilizzo di tali dispositivi come sorgenti laser e biosensori integrati.10
Una sottoclasse particolare di risonatori è costituita dalla microcavità ottica a modo di galleria sussurrante. In questi dispositivi, la luce è confinata in orbite circolari lungo il perimetro. Di conseguenza, il campo non è completamente confinato all'interno del dispositivo, ma si estende per evanes cenza nell'ambiente circostante. Le cavità ottiche a modo di galleria sussurrante hanno dimostrato di possedere alcuni dei fattori di qualità più elevati tra tutte le cavità risonanti ottiche finora realizzate.9,11 Per questo motivo, questi dispositivi trovano impiego in diversi settori della scienza e dell'ingegneria, inclusi studi di fisica fondamentale, telecomunicazioni ed esperimenti di biodetection.3-7,12
Le microcavità ottiche possono essere fabbricate a partire da una vasta gamma di materiali e in diverse geometrie. Alcuni esempi includono microtoroidi in silice e silicio, microdischi in silicio, nitruro di silicio e silice, micropilastri e microring in silice e polimeri.13-17 La variazione del fattore di qualità (Q) è altrettanto ampia quanto quella della geometria. Sebbene sia la geometria sia un alto valore di Q siano considerazioni importanti in ogni campo, in molte applicazioni è possibile ottenere un miglioramento delle prestazioni del dispositivo molto maggiore aumentando il valore di Q. Tra le numerose opzioni descritte in precedenza, il microsfera in silice e il risonatore microtoroide in silice hanno raggiunto finora alcuni dei valori di Q più elevati.1,9 Inoltre, grazie alla perdita ottica estremamente bassa della silice nel range dal visibile al vicino infrarosso, sia le microsfere sia i microtoroidi riescono a mantenere i loro fattori di Q su un'ampia gamma di lunghezze d'onda di prova.18 Infine, poiché la silice è naturalmente biocompatibile, viene comunemente utilizzata negli esperimenti di biodetection.
Oltre all'elevata assorbanza del materiale, esistono diversi altri meccanismi di perdita potenziali, tra cui la rugosità superficiale, le perdite per radiazione e le perdite dovute a contaminazione.2 Mediante un'ottimizzazione delle dimensioni del dispositivo, è possibile eliminare le perdite per radiazione, che derivano da un'inadeguata confinazione del campo ottico all'interno del dispositivo. Analogamente, conservando il dispositivo in un ambiente adeguatamente pulito, è possibile ridurre al minimo la contaminazione della superficie. Pertanto, oltre alla perdita intrinseca del materiale, la diffusione superficiale rappresenta il principale meccanismo di perdita da considerare.2,8
Nei dispositivi in silice, la dispersione superficiale è ridotta al minimo mediante una tecnica di rifusione con laser, che fonde la silice attraverso una riorganizzazione indotta dalla tensione superficiale. Sebbene gli risonatori ottici sferici siano oggetto di studio da molti anni, solo grazie ai recenti progressi nelle tecnologie di fabbricazione i ricercatori sono riusciti a realizzare risonatori microscopici ottici toroidali in silice di alta qualità (Q>100 milioni) su un substrato di silicio, aprendo così la strada all'integrazione con la microfluidica.1
La presente serie di protocolli descrive come realizzare cavità risonanti sia a microsfera di silice sia a microtoroide. Mentre le cavità risonanti a microsfera di silice sono ormai ben consolidate, quelle a microtoroide sono state inventate solo di recente.1 Poiché molti dei metodi fondamentali utilizzati per la fabbricazione della microsfera vengono impiegati anche nella procedura più complessa di fabbricazione del microtoroide, includere entrambi i metodi in un singolo protocollo permetterà ai ricercatori di risolvere più facilmente i problemi sperimentali.
Protocollo
1. Microsfera Fabrication
- Selezionare una piccola quantità (circa 5 pollici) di fibra ottica, strip ~ 1.5 "rivestimento da una estremità e pulire sia con metanolo o etanolo (Figura 1a, b).
- Se disponibile, attaccatevi alla fine con una mannaia in fibra ottica. Se non disponibile, tagliato con tronchesi o forbici tali che ~ 0.5 "è a sinistra. Il vantaggio di utilizzare una fibra ottica mannaia è che produce molto liscia, taglio uniforme come in figura 1b. Rugosità eccessiva o difetti di un taglio può causare reflow irregolare, abbassando il fattore di qualità delle sfere risultanti.
- Esporre l'estremit....
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Discussione
Come con qualsiasi struttura ottica, mantenere la pulizia ad ogni passo del processo di fabbricazione è di importanza critica. Come ci sono numerosi libri di testo scritti sul tema della litografia e di fabbricazione, i suggerimenti che seguono non intendono essere esaustivi, ma mettere in evidenza alcuni dei problemi più comuni, i ricercatori hanno dovuto affrontare. 19-20
Poiché l'uniformità della periferia del microtoroid è determinata dalla uniformità del disco iniziale, è.......
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Dichiarazioni
Non ci sono conflitti di interesse dichiarati.
Ringraziamenti
A. Maker è stato sostenuto da una Fondazione Annenberg Graduate Research Fellowship, e questo lavoro è stato sostenuto dal National Science Foundation [085281 e 1028440].
....Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Nome della parte | Azienda | Numero di catalogo | Comments |
| Fiber scriba | Newport | F-RFS | Opzionale |
| Fibra ottica | Newport | F-SMF-28 | Qualsiasi tipo di fibra ottica può essere utilizzata. |
| Fiber Rivestimento stripper | Newport | F-STR-175 | Spelafili può anche essere usato |
| Etanolo | Ogni vendor | Solvente-livello di purezza | Metanolo o isopropanolo sono sostituti |
Tabella 1. Materiali di fabbricazione microsfere.
| Nome del reattivo | Azienda | Numero di catalogo | Comments |
|---|---|---|---|
| Wafer di silicio con 2μm silice cresciuto termicamente | WRS Materiali | n / a | Usiamo intrinseca 8, <100>, 4 "diametro |
| HMDS (esametildisilazano) | Aldrich | 440191 | |
| Photoresist | Shipley | S1813 | |
| Sviluppatore | Shipley | MF-321 | |
| Tamponata HF - Migliorata | Transene | n / a | Il miglioramento HF tamponata dà fluida e, di migliore qualità rispetto alla semplice etch BOE o HF |
| Acetone, metanolo, isopropanolo | Ogni vendor | 99,8% di purezza |
Tabella 2. MicrMateriali di fabbricazione otoroid.
| Attrezzature Nome | Fabbricante | Numero di catalogo | Comments |
|---|---|---|---|
| Spinner | Solitec | 5110-ND | Qualsiasi filatore può essere utilizzato. |
| Aligner | Suss Microtec | MJB 3 | Ogni allineatore può essere utilizzato. |
| XEF 2 incisore | Advanced Communication Devices, Inc. | # ADCETCH2007 |
Tabella 3. Apparecchiature di fabbricazione Microtoroid.
| Nome della parte | Azienda | Numero di catalogo | Comments |
|---|---|---|---|
| CO 2 Laser | Synrad | Series 48 | |
| 3-Axis stage | OptoSigma | 120-0770 | Disponibile da altri fornitori pure. |
| Si Reflector 1 "di diametro) | II-VI | 308325 | Disponibile da altri fornitori pure. |
| Cinematica staffa di montaggio (per Si riflettore) | Thor Labs | KX1G | Disponibile da altri fornitori pure. |
| Larghezza combinatore (1 "di diametro) | Meller Optics | L19100008-B0 | Disponibile da altri fornitori pure. |
| 4 "Obiettivo Lunghezza focale (1" di diametro) | Ottica Meller o II-VI | Disponibile da altri fornitori, come pure | |
| Messaggi assortiti, monta lenti | Labs Thor, Newport, Edmund Optics o Optosigma | ||
| Zoom 6000 Sistema di visione artificiale | Navitar | n / a | Richiede generico USB della fotocamera e il computer per imaging in tempo reale. Questo è acquistato come kit. |
| Focheggiatore per il sistema Zoom 6000 | Edmund Optics | 54-792 | Disponibile da altri fornitori pure. |
| Posizionatori Axis XZ per il 6000 Zoom | Parker Daedal | CR4457, CR4452, 4499 | CR4457 è asse X, CR4452 è Z, 4499 è staffa di montaggio. |
Tabella 4. Reflow laser CO 2 Set-up.
Riferimenti
- 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,....
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Ristampe e permessi
