On décrit l'utilisation d'une technique de carbone du dioxyde de refusion au laser pour fabriquer des cavités résonnantes silice, y compris autoportante microsphères et sur puce microtoroids. La méthode de refusion d'éliminer les imperfections de surface, ce qui permet de longues durées de vie des photons dans les deux appareils. Les dispositifs qui en résultent ont des facteurs de haute qualité ultra, permettant aux applications allant des télécommunications aux biodétection.
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Article de méthode
Fabrication de silice Ultra High microrésonateurs facteur de qualité
Dans cet article
Résumé
Résumé
Les cavités résonantes à galerie chuchotante confinent la lumière sur des orbites circulaires en périphérie.1-2 La durée de stockage des photons dans la cavité, quantifiée par le facteur de qualité (Q) de celle-ci, peut dépasser 500 ns pour des cavités dont le facteur Q excède 100 millions. En raison de leurs faibles pertes matérielles, les microcavités en silice ont démontré certaines des durées de vie les plus longues pour les photons à ce jour1-2. Puisqu'une partie de la lumière circulante s'étend à l'extérieur du résonateur, ces dispositifs peuvent également servir à sonder l'environnement immédiat. Cette interaction a permis de nombreux travaux en biologie, tels que la détection de biomolécules uniques et l'étude de la cinétique anticorps-antigène, ainsi que des découvertes dans d'autres domaines, comme le développement de microlasers à seuil extrêmement faible, la caractérisation de couches minces et des études en électrodynamique quantique en cavité.3-7
Les deux géométries principales de cavité résonnante en silice sont la microsphère et le microtore. Les deux dispositifs reposent sur une étape de recuit au laser au dioxyde de carbone afin d'atteindre leurs facteurs de qualité ultra-élevés (Q>100 millions).1-2,8-9 Toutefois, plusieurs différences notables existent entre les deux structures. Les microsphères en silice sont libres et supportées par une seule fibre optique, tandis que les microtore en silice peuvent être fabriqués sur une plaquette de silicium en grands réseaux à l'aide d'une combinaison d'étapes de lithographie et de gravure. Ces différences influencent le choix du dispositif optimal pour une expérience donnée.
Ici, nous présentons des protocoles détaillés de fabrication pour les deux types de cavités résonnantes. Bien que la fabrication des cavités résonnantes en microsphère soit relativement simple, celle des cavités résonnantes en microtoroïde nécessite des équipements et des installations spécialisés supplémentaires (salle blanche). Par conséquent, cette exigence supplémentaire peut également influencer le choix du dispositif pour une expérience donnée.
Introduction
Un résonateur optique confine efficacement la lumière à des longueurs d'onde spécifiques, appelées longueurs d'onde de résonance du dispositif. 1-2 Le critère courant de performance pour ces résonateurs optiques est le facteur de qualité, ou facteur Q. Ce terme décrit la durée de vie des photons (τo) à l'intérieur du résonateur, qui est directement liée aux pertes optiques du résonateur. Par conséquent, un résonateur optique à fort facteur Q présente de faibles pertes optiques, des durées de vie longues pour les photons et des taux de décroissance photonique très faibles (1/τo). En raison de ces longues durées de vie des photons, il est possible d'accumuler des intensités optiques circulantes extrêmement élevées dans ces dispositifs. Cette propriété très particulière a permis d'utiliser ces dispositifs comme sources laser et capteurs intégrés pour la détection biologique.10
Une sous-classe particulière de résonateurs est constituée des microcavités optiques à mode de galerie chuchotante. Dans ces dispositifs, la lumière est confinée en orbites circulaires en périphérie. Ainsi, le champ n'est pas entièrement confiné à l'intérieur du dispositif, mais s'évanesce dans l'environnement. Les cavités optiques à mode de galerie chuchotante ont démontré certains des facteurs de qualité les plus élevés parmi toutes les cavités résonnantes optiques à ce jour.9,11 Par conséquent, ces dispositifs sont utilisés dans de nombreux domaines de la science et de l'ingénierie, notamment dans les études de physique fondamentale, les télécommunications, ainsi que dans les expériences de biodétection. 3-7,12
Les microcavités optiques peuvent être fabriquées à partir d'une grande variété de matériaux et sous diverses géométries. Parmi les exemples figurent les microtoroïdes en silice et en silicium, les microdisques en silicium, en nitrure de silicium et en silice, les micropiliers, ainsi que les microrubans en silice et en polymère.13-17 La gamme des facteurs de qualité (Q) varie aussi fortement que la géométrie. Bien que la géométrie et un facteur Q élevé soient des paramètres importants dans tous les domaines, dans de nombreuses applications, l'amélioration des performances du dispositif par augmentation du facteur Q offre un levier bien plus important. Parmi les nombreuses options décrites précédemment, le microsphère en silice et le résonateur microtoroïde en silice ont atteint certains des facteurs Q les plus élevés à ce jour.1,9 De plus, en raison de la perte optique extrêmement faible de la silice dans le domaine visible jusqu'à l'IR proche, les microsphères et les microtoroïdes parviennent à conserver leurs facteurs Q sur une large gamme de longueurs d'onde d'essai.18 Enfin, la silice étant intrinsèquement biocompatible, elle est couramment utilisée dans les expériences de détection biologique.
Outre l'absorption élevée du matériau, plusieurs autres mécanismes de pertes potentielles existent, notamment la rugosité de surface, les pertes par rayonnement et les pertes dues à la contamination.2 En optimisant les dimensions du dispositif, il est possible d'éliminer les pertes par rayonnement, qui résultent d'une mauvaise confinement du champ optique à l'intérieur du dispositif. De même, en conservant le dispositif dans un environnement suffisamment propre, la contamination de la surface peut être minimisée. Par conséquent, outre les pertes liées au matériau, la diffusion à la surface constitue le mécanisme principal de perte à prendre en compte.2,8
Dans les dispositifs en silice, la diffusion de surface est minimisée en utilisant une technique de recuit par laser, qui fait fondre la silice par redistribution induite par la tension superficielle. Bien que les résonateurs optiques sphériques soient étudiés depuis de nombreuses années, ce n’est que grâce aux récents progrès des technologies de fabrication que les chercheurs ont pu réaliser des micro-résonateurs optiques toroïdaux en silice de haute qualité (Q>100 millions) sur un substrat de silicium, ouvrant ainsi la voie à leur intégration avec la microfluidique.1
La présente série de protocoles décrit comment fabriquer des cavités résonnantes à base de microsphères et de microtoroïdes en silice. Alors que les cavités résonnantes en microsphères de silice sont bien établies, les cavités résonnantes en microtoroïdes ont été inventées récemment seulement.1 Puisque bon nombre des méthodes fondamentales utilisées pour fabriquer les microsphères sont également employées dans le procédé plus complexe de fabrication des microtoroïdes, le fait d'inclure les deux dans un seul protocole permettra aux chercheurs de diagnostiquer plus facilement les problèmes rencontrés lors de leurs expériences.
Protocole
1. Fabrication des microsphères
- Sélectionnez une petite quantité (environ 5 pouces) de la fibre optique, bande de ~ 1.5 "de revêtement d'un bout et le nettoyer avec du méthanol ou l'éthanol (Figure 1a, b).
- Si elle est disponible, cliver la fin avec une fibre optique couperet. S'il n'est pas disponible, couper avec des pinces coupantes ou des ciseaux de telle sorte que ~ 0.5 "est à gauche. L'avantage d'utiliser une fibre optique couperet est qu'il produit un très lisse, coupe uniforme comme dans la figure 1b. Rugosité excessive ou défauts d'une coupure peut entraîner des refusion in....
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Discussion
Comme avec n'importe quel structure optique, maintien de la propreté à chaque étape du processus de fabrication est d'une importance critique. Comme il ya de nombreux manuels écrits sur le sujet de la lithographie et la fabrication, les suggestions ci-dessous ne sont pas destinés à être exhaustif, mais mettre en évidence quelques-unes des questions les plus courantes des chercheurs ont été confrontés. 19-20
Parce que l'uniformité de la périphérie de la microtoroid est .......
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Déclarations de divulgation
Pas de conflits d'intérêt déclarés.
Remerciements
A. Maker a été soutenu par une Fondation Annenberg bourse d'études supérieures de recherche, et ce travail a été soutenu par la National Science Foundation [085281 et 1028440].
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Nom de la partie | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
| Scribe fibre | Newport | F-RFS | En option |
| Fibre optique | Newport | F-SMF-28 | N'importe quel type de fibre optique peut être utilisé. |
| Décapant de revêtement de fibres | Newport | F-STR-175 | Pince à dénuder peut également être utilisé |
| L'éthanol | Tout vendeur | Solvant niveau de pureté | Méthanol ou l'isopropanol sont des substituts |
Tableau 1. Matériaux de fabrication de la microsphère.
| Nom du réactif | Entreprise | Commentaires | |
|---|---|---|---|
| Les plaquettes de silicium avec de la silice croissance thermique 2 pm | Matériaux WRS | n / a | Nous utilisons intrinsèque 8, <100>, 4 "de diamètre |
| HMDS (hexaméthyldisilazane) | Aldrich | 440191 | |
| Outillage à | Shipley | S1813 | |
| Promoteur | Shipley | MF-321 | |
| Buffered HF - Amélioration de la | Transene | n / a | L'amélioration de HF tamponnée donne une plus lisse, une meilleure qualité de gravure de plaine BOE ou HF |
| Acétone, le méthanol, l'isopropanol | Tout vendeur | Pureté de 99,8% |
Tableau 2. MicrMatériaux de fabrication otoroid.
| Nom de l'équipement | Fabricant | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Fileur | SOLITEC | 5110-ND | Toute filage peut être utilisé. |
| Aligner | Suss Microtec | MJB 3 | Tout dispositif d'alignement peut être utilisé. |
| XeF 2 graveur | Communication Avancée Devices, Inc | # ADCETCH2007 |
Tableau 3. Équipement de fabrication Microtoroid.
| Nom de la partie | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| CO 2 Laser | Synrad | Série 48 | |
| 3-Axis étape | OptoSigma | 120-0770 | Disponible à partir d'autres fournisseurs ainsi. |
| Si Réflecteur 1 "de diamètre) | II-VI | 308325 | Disponible à partir d'autres fournisseurs ainsi. |
| Cinématique cardan (pour Si réflecteur) | Thor Labs | KX1G | Disponible à partir d'autres fournisseurs ainsi. |
| De combinaison de faisceau (1 "diamètre) | Optique Meller | L19100008-B0 | Disponible à partir d'autres fournisseurs ainsi. |
| 4 "Longueur focale (1" de diamètre) | Optique Meller ou II-VI | Disponible à partir d'autres fournisseurs ainsi | |
| Assortiment de messages, supports de lentilles | Thor Labs, Newport, Edmund Optics ou Optosigma | ||
| 6000 Zoom vision industrielle du système | Navitar | n / a | Nécessite générique caméra USB et l'ordinateur pour l'imagerie temps réel. Ceci est acheté sous forme de kit. |
| Focuser pour le système 6000 Zoom | Edmund Optics | 54-792 | Disponible à partir d'autres fournisseurs ainsi. |
| Positionneurs axe XZ pour 6000 Zoom | Parker Daedal | CR4457, CR4452, 4499 | CR4457 est l'axe X, CR4452 est l'axe Z, 4499 est le support de montage. |
Tableau 4. CO 2 par refusion laser Set-up.
Références
- 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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