우리는 자유 서 microspheres 및 온칩 microtoroids 포함한 실리카 공진 충치를 조작하는 이산화탄소 레이저 reflow 기법의 사용을 설명합니다. reflow 메서드는 두 장치 사이 긴 광자 수명 있도록, 표면 결함을 제거합니다. 그 결과 디바이스는 통신에서 biodetection에 이르기까지 애플 리케이션을 가능하게, 초고 품질 요인이 있습니다.
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이 논문에서
요약
초록
위스퍼링 갤러리 공진 공동(Whispering gallery resonant cavities)은 빛을 주변부의 원형 궤도에 가둡니다.1-2 공동의 품질 계수(Q factor, Q)로 정량화되는 공동 내 광자 저장 수명은 Q 계수가 1억(100 million) 이상인 공동의 경우 500ns를 초과할 수 있습니다. 낮은 재료 손실 덕분에 실리카 마이크로공동은 현재까지 가장 긴 광자 수명을 입증해 왔습니다1-2. 순환하는 빛의 일부가 공진기 외부로 확장되기 때문에, 이러한 장치는 주변 환경을 탐색하는 데에도 사용될 수 있습니다. 이러한 상호작용은 단일 분자 바이오 검출 및 항체-항원 역학 등 생물학 분야의 수많은 실험뿐만 아니라, 초저임계치 마이크로레이저 개발, 박막 특성 분석, 공동 양자 전기역학 연구와 같은 다른 분야의 발견을 가능하게 했습니다.3-7
두 가지 주요 실리카 공진기 기하 구조는 마이크로구(microsphere)와 마이크로토로이드(microtoroid)입니다. 두 장치 모두 초고-Q 인자(Q>100 million)를 달성하기 위해 이산화탄소 레이저 리플로우 단계를 거칩니다.1-2,8-9 하지만 두 구조 사이에는 몇 가지 주목할 만한 차이점이 있습니다. 실리카 마이크로구는 단일 광섬유에 의해 지지되는 독립형 구조인 반면, 실리카 마이크로토로이드는 리소그래피와 식각 단계의 조합을 통해 실리콘 웨이퍼 위에 대규모 배열로 제작할 수 있습니다. 이러한 차이점은 특정 실험에 어떤 장치가 최적인지에 영향을 미칩니다.
본 연구에서는 두 가지 유형의 공진기(resonant cavity)에 대한 상세한 제작 프로토콜을 제시합니다. 마이크로구(microsphere) 공진기의 제작은 비교적 간단하지만, 마이크로토로이드(microtoroid) 공진기의 제작에는 추가적인 전문 장비와 시설(클린룸)이 필요합니다. 따라서 이러한 추가 요구 사항은 특정 실험을 위해 어떤 장치를 선택할지에 영향을 미칠 수 있습니다.
서론
광학 공진기는 장치의 공진 파장으로 알려진 특정 파장의 빛을 효율적으로 가둡니다. 1-2 이러한 광학 공진기의 일반적인 성능 지수는 품질 계수 또는 Q-인자입니다. 이 용어는 공진기 내의 광자 수명(τo)을 설명하며, 이는 공진기의 광학적 손실과 직접적인 관련이 있습니다. 따라서 Q-인자가 높은 광학 공진기는 광학적 손실이 적고, 광자 수명이 길며, 광자 감쇠율(1/τo)이 매우 낮습니다. 광자 수명이 길기 때문에 이러한 장치에서는 매우 강력한 순환 광학장 강도를 형성할 수 있습니다. 이러한 매우 독특한 특성 덕분에 이 장치들은 레이저 광원 및 통합형 바이오센서로 사용될 수 있었습니다.10
공진기의 독특한 하위 클래스 중 하나는 위스퍼링 갤러리 모드(whispering gallery mode) 광학 마이크로공진기입니다. 이러한 장치에서 빛은 주변부의 원형 궤도에 갇히게 됩니다. 따라서 전계가 장치 내에 완전히 갇히지 않고 주변 환경으로 소멸파(evanescent wave) 형태로 뻗어 나갑니다. 위스퍼링 갤러리 모드 광학 공진기는 현재까지 알려진 모든 광학 공진기 중에서 가장 높은 수준의 품질 계수(quality factor)를 입증해 왔습니다.9,11 이에 따라 이러한 장치들은 기초 물리학 연구와 통신뿐만 아니라 생체 검출 실험을 포함하여 과학 및 공학 전반에 걸쳐 사용되고 있습니다. 3-7,12
광학 마이크로캐비티는 광범위한 재료와 매우 다양한 기하학적 구조로 제작될 수 있습니다. 대표적인 예로 실리카 및 실리콘 마이크로토로이드, 실리콘, 질화 실리콘 및 실리카 마이크로디스크, 마이크로필라, 그리고 실리카 및 폴리머 마이크로링 등이 있습니다.13-17 품질 계수(Q factor, Q)의 범위는 기하학적 구조만큼이나 극적으로 다양합니다. 모든 분야에서 기하학적 구조와 높은 Q 모두 중요한 고려 사항이지만, 많은 응용 분야에서는 Q 값을 높임으로써 소자 성능을 향상시키는 효과가 훨씬 더 큽니다. 앞서 상세히 설명한 수많은 옵션 중에서, 실리카 마이크로스피어와 실리카 마이크로토로이드 공진기는 현재까지 가장 높은 수준의 Q 계수를 달성했습니다.1,9 또한, 실리카가 가시광선 영역부터 근적외선 영역까지 광손실이 매우 낮기 때문에, 마이크로스피어와 마이크로토로이드 모두 넓은 범위의 테스트 파장에서 Q 계수를 유지할 수 있습니다.18 마지막으로, 실리카는 본질적으로 생체 적합성을 가지므로 바이오 검출 실험에 일상적으로 사용됩니다.
높은 물질 흡수 외에도 표면 거칠기, 방사 손실 및 오염 손실을 포함한 여러 잠재적 손실 메커니즘이 존재합니다.2 소자 크기의 최적화를 통해 소자 내의 불충분한 광장 가둠으로 인해 발생하는 방사 손실을 제거할 수 있습니다. 마찬가지로 소자를 적절하게 깨끗한 환경에 보관함으로써 표면 오염을 최소화할 수 있습니다. 따라서 물질 손실 외에도 표면 산란이 주요하게 고려되는 손실 메커니즘입니다.2,8
실리카 소자에서 표면 산란은 표면 장력 유도 리플로우를 통해 실리카를 녹이는 레이저 리플로우 기술을 사용하여 최소화됩니다. 구형 광학 공진기는 수년 동안 연구되어 왔으나, 최근 제조 기술의 발전으로 연구자들이 실리콘 기판 위에 고품질 실리카 광학 토로이드 마이크로공진기(Q>100 million)를 제작할 수 있게 되었으며, 이를 통해 미세유체역학과의 통합을 위한 길이 열렸습니다.1
본 프로토콜 시리즈에서는 실리카 마이크로구체(microsphere)와 마이크로토로이드(microtoroid) 공진기의 제작 방법을 상세히 다룹니다. 실리카 마이크로구체 공진기는 이미 잘 알려져 있는 반면, 마이크로토로이드 공진기는 최근에야 발명되었습니다.1 마이크로구체 제작에 사용되는 많은 기본 방법들이 더 복잡한 마이크로토로이드 제작 과정에서도 사용되므로, 두 방법을 하나의 프로토콜에 포함함으로써 연구자들이 실험 중 발생하는 문제를 더 쉽게 해결할 수 있도록 하였습니다.
프로토콜
1. Microsphere의 제조
- 한쪽에서 광섬유, 스트립 ~ 1.5 "cladding 소량 (약 5 인치)를 선택하고 메탄올 또는 에탄올 (그림 1A, B) 중 하나와 함께 청소.
- 광섬유 칼로 사용할 경우, 다니엘은 끝. 사용할 수없는 경우, 전선 절단기 또는 ~ 0.5 "가 남아있다는 등 가위로 잘라. 광섬유 식칼을 사용하는 장점은 그림 1B와 같이 매우 부드럽고 균일한 커팅을 생산한다는 것입니다. 커팅에서 과도한 거칠기 또는 결함이 원인이 될 수 있습니다 결과 분야의 품질 계수를 낮추 고르지 reflow.
- 대한 ~ 500μm 직경 스폿 크기에 초점을 맞춘 CO 2 레이저 전력 3W로 청소 섬유 끝을 노출 ~ 1 번째 (그림 1C, D, E). 이것은 직경 분야 ~ 200μm을 생산하고 있지만, 크기는 광섬유의 직경을 증가 또는 감소에 의해 조정됩니다. 약간 B는 또한 레이저 강도를 수 조정reflow 크거나 작은 분야에 필요한 전자.
2. Microtoroid 제조
- 디자인하고 원하는 간격과 직경, 어두운, 고체 동그라미로 photomask를....
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토론
모든 광학 구조와 마찬가지로 제조 공정의 모든 단계에서 청결을 유지하는 것은 매우 중요합니다. 리소그래피와 제조의 주제에 쓰여진 수많은 교과서가있는 바와 같이, 아래 제안은 종합 있겠지만 연구자들이 직면보다 일반적인 문제 몇 가지를 강조하기위한 것이 아닙니다. 19-20
microtoroid의 주변의 균일도가 초기 디스크의 균일에 의해 결정되기 때문에 패턴이 매우 원형 디스크에 매우 중요합니다. microtoroid와 관련된 일반적인 문제는 다음과 같습니다 1) 포토 마스크의 pixilation, 2) 가난한 석판술 (노출 미만 또는 이상, 개발, 거칠고 또는 고르지 않은 에칭 이하 또는 이상) 및 실리카에 포토 레지스트 3) 가난한 접착; 여기서 우리는 개별적으로 각 문제를 해결합니다.
그것은 고해상도 포토 마스크를 습득하는 것이 매우 중요합니다. 낮은 해상도의 photomasks 또는 잉크젯 photo.......
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공개 사항
관심의 어떠한 충돌 선언 없습니다.
감사의 글
A. 메이커는 Annenberg 재단 대학원 연구 원정대에 의해 지원되고,이 작품은 국립 과학 재단 [085281과 1028440]에 의해 지원되었다.
....액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 부분의 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
| 섬유 학자 | 뉴 포트 | F-RFS | 선택 |
| 광학 섬유 | 뉴 포트 | F-SMF-28 | 광섬유의 유형은 사용할 수 있습니다. |
| 섬유 코팅 리퍼 | 뉴 포트 | F-STR-175 | 와이어 스트리퍼는 사용할 수 |
| 에탄올 | 모든 벤더 | 솔벤트 수준의 순도 | 메탄올이나 이소프로판올는 대체 위치 |
표 1. Microsphere 제조 재료.
| 시약의 이름 | 회사 | <강한> 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 2μm 열 성장 규소와 실리콘 웨이퍼 | WRS 자료 | N / A | 우리 고유 8 일 <100>, 4 "직경을 사용 |
| HMDS (헥사메틸디실아젠) | 올드 리치 | 440,191 | |
| 포토 레지스트 | 쉬플리 | S1813 | |
| 개발자 | 쉬플리 | MF-321 | |
| 개선 - HF 버퍼 | Transene | N / A | 향상된 버퍼 HF는 일반 비오이 또는 HF보다 에칭 부드럽고 더 나은 품질을 제공합니다 |
| 아세톤, 메탄올, 이소프로판올 | 모든 벤더 | 99.8 %의 순도 |
표 2. Microtoroid 제작 재료.
| 장비 이름 | 제조 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 스피너 | Solitec | 5110-ND | 모든 회전자 사용할 수 있습니다. |
| Aligner | 조사할 Microtec | MJB 3 | 모든 aligner 사용할 수 있습니다. |
| XeF이 에칭 | 고급 통신 기기 주식 회사 | # ADCETCH2007 |
표 3. Microtoroid 제조 장비.
| 부분의 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| CO 2 를 레이저 | Synrad | 시리즈 48 | |
| 3 축 스테이지 | OptoSigma | 120-0770 | 뿐만 아니라 다른 업체에서 사용할 수 있습니다. |
| 시 리플렉터 1 "직경) | II-VI | 308,325 | 뿐만 아니라 다른 업체에서 사용할 수 있습니다. |
| 운동학 짐벌 마운트 (SI 반사기의 경우) | 토르 실험실 | KX1G | 뿐만 아니라 다른 업체에서 사용할 수 있습니다. |
| 빔 조합기 (1 "직경) | Meller 광학 | L19100008-B0 | 뿐만 아니라 다른 업체에서 사용할 수 있습니다. |
| 4 "초점 거리 렌즈 (1"직경) | Meller 광학 또는 II-VI | 다른 업체에서 제공뿐만 아니라 | |
| 모듬 게시물, 렌즈 마운트 | 토르 연구소, 뉴 포트, 에드먼드 광학 또는 Optosigma | ||
| 줌 6000 머신 비전 시스템 | Navitar | N / A | 실시간 영상에 대한 일반적인 USB 카메라와 컴퓨터가 필요합니다. 이 키트로 구입하고 있습니다. |
| 줌 6000 시스템 Focuser | 에드먼드 광학 | 54-792 | 뿐만 아니라 다른 업체에서 사용할 수 있습니다. |
| 줌 6000에 대한 XZ의 축 Positioners | 파커 천변 만화의 | CR4457, CR4452, 4499 | CR4457은 X 축이며, CR4452은 Z 축이며, 4499은 브라켓을 장착하고 있습니다. |
표 4. CO 2 레이저 Reflow 설정.
참고문헌
- 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,....
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