Анализ методов изготовления оптоволоконных ближнеполевых зондов для систем сверхплотной записи информации
Рассмотрены методы изготовления оптоволоконных ближнеполевых зондов: механический метод нагревания и растягивания, методы химического травления, метод формирования нанослепка и комбинированные методы. Рассмотрен метод ионно-лучевого фрезерования для формирования плоскости апертуры выходного отверсти...
Saved in:
| Published in: | Реєстрація, зберігання і обробка даних |
|---|---|
| Date: | 2005 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем реєстрації інформації НАН України
2005
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/50784 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Анализ методов изготовления оптоволоконных ближнеполевых зондов для систем сверхплотной записи информации / Е.Е. Голдаевич // Реєстрація, зберігання і оброб. даних. — 2005. — Т. 7, № 4. — С. 14-20. — Бібліогр.: 6 назв. — pос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859937780380991488 |
|---|---|
| author | Голдаевич, Е.Е. |
| author_facet | Голдаевич, Е.Е. |
| citation_txt | Анализ методов изготовления оптоволоконных ближнеполевых зондов для систем сверхплотной записи информации / Е.Е. Голдаевич // Реєстрація, зберігання і оброб. даних. — 2005. — Т. 7, № 4. — С. 14-20. — Бібліогр.: 6 назв. — pос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Реєстрація, зберігання і обробка даних |
| description | Рассмотрены методы изготовления оптоволоконных ближнеполевых зондов: механический метод нагревания и растягивания, методы химического травления, метод формирования нанослепка и комбинированные методы. Рассмотрен метод ионно-лучевого фрезерования для формирования плоскости апертуры выходного отверстия острия оптоволоконного зонда.
The following methods for near-field optical fiber probes fabrication as a mechanical heatingpulling method, chemical etching methods, photoplastic near-field optical probe replication from nanomould fabrication method, and combined methods are considered. The focused ion-beam milling method for optical fiber probe tapered tip aperture forming is considered.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:10:27Z |
| format | Article |
| fulltext |
14
УДК 004.085
Е. Е. Голдаевич
Институт проблем регистрации информации НАН Украины
ул. Н. Шпака, 2, 03113 Киев, Украина
Анализ методов изготовления оптоволоконных
ближнеполевых зондов для систем
сверхплотной записи информации
Рассмотрены методы изготовления оптоволоконных ближнеполевых
зондов: механический метод нагревания и растягивания, методы хи-
мического травления, метод формирования нанослепка и комбиниро-
ванные методы. Рассмотрен метод ионно-лучевого фрезерования для
формирования плоскости апертуры выходного отверстия острия оп-
товолоконного зонда.
Ключевые слова: ближнеполевой оптоволоконный зонд, сверхплотная
запись информации, метод нагрева и растягивания, метод химическо-
го травления, метод создания нанослепка, фокусированное ионно-луче-
вое фрезерование.
Введение
В настоящее время активно разрабатываются новые методы сверхплотной
оптической записи информации. Одной из главных задач таких методов является
создание оптимальных по своим физическим и техническим характеристикам
элементов систем ближнеполевой оптической записи информации. Основным
элементом таких систем, использующих оптические волноводы, является оптово-
локонный зонд. В зависимости от режима работы устройства сверхплотной запи-
си информации зонд может излучать, принимать или излучать и принимать элек-
тромагнитное излучение. В таких устройствах оптоволоконный зонд состоит из
световода с покрытием, предотвращающим утечку электромагнитного излучения,
за исключением апертуры на конце острия зонда, размеры которой меньше длины
волны электромагнитного излучения. Запись или считывание информации произ-
водится путем перемещения оптоволоконного зонда и носителя данных относи-
тельного друг друга на определенном расстоянии. Пространственная разрешаю-
щая способность чтения-записи не ограничивается длиной волны электромагнит-
ного излучения как в случае стандартного оптического чтения-записи, а зависит
от размеров апертуры, через которую проходит электромагнитное излучение (т.е.
© Е. Е. Голдаевич
Анализ методов изготовления оптоволоконных
ближнеполевых зондов для систем сверхплотной записи информации
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2005, Т. 7, № 4 15
меньшая апертура позволяет создавать биты памяти меньших размеров, и, соот-
ветственно, увеличивать плотность записи информации). Однако, передача элек-
тромагнитного излучения через апертуру, размеры которой меньше длины волны,
значительно уменьшается с уменьшением размеров апертуры, что приводит к
уменьшению скорости чтения-записи. Это происходит из-за того, что в заострен-
ной области оптоволоконного зонда электромагнитное излучение больше не рас-
пространяется путем полного внутреннего отражения от границ сердцевины оп-
товолокна, а излучается за его пределы через боковую поверхность острия зонда и
частично поглощается слоем металла, напыленного на эту поверхность. Типичная
величина отношения входного и выходного уровней электромагнитного излуче-
ния для таких зондов равна от 610- до 510- [6]. Металлизация играет роль порого-
вого ограничителя интенсивности электромагнитного излучения во избежание
теплового повреждения острия. В итоге, с выходного отверстия оптоволоконного
зонда на носитель информации передается электромагнитное излучение мощно-
стью всего в несколько нановатт. Следовательно, основной задачей в построении
систем чтения-записи сверхплотной оптической информации является разработка
методов изготовления оптоволоконных зондов, которые обладали бы высокой
пропускной и разрешающей способностью.
Метод нагревания и растягивания
Метод нагревания и растягивания оптоволокна [1] стандартно применяется
для изготовления заостренного ближнеполевого оптического зонда, используемо-
го в системах ближнеполевой микроскопии, нанопроизводства и сверхплотной
оптической записи информации. Острие зонда получается в результате растягива-
ния оптоволокна при воздействии теплового излучения, например, CO2-лазера на
участок оптоволокна (рис. 1а, б). В результате получаются два куска с заострен-
ными концами (рис. 1в). Изменение силы, времени растягивания и количества те-
плоты определяют размер и форму острия.
а) б)
в)
Рис. 1. Принцип изготовления ближнеполевого оптоволоконного зонда методом нагревания
и растягивания: а) воздействие теплового излучения на участок оптоволокна L; б) размягчение
нагреваемого участка оптоволокна и приложение силы F к концу оптоволокна для его
растягивания; в) получение двух заостренных концов оптоволокна
Е. Е. Голдаевич
16
Данный метод позволяет получить четкий контур и гладкую поверхность ко-
нуса острия. Однако он обладает рядом существенных недостатков. С его помо-
щью не возможно воспроизводить одинаковые образцы острия совместно с оди-
наковыми размерами его апертуры. Излучение, передающееся по оптоволоконно-
му зонду, переходит из фазы распространения в фазу рассеивания из-за достаточ-
но большой длины конуса (малого угла при его вершине). Это объясняется утон-
чением сердцевины оптоволокна, по которой и распространяется излучение,
вследствие чего оно уже не отражается от границы раздела «сердцевина–оболоч-
ка», а преломляется и затухает, распространяясь в оболочке. Также уменьшается
уровень сигнала вследствие потерь на отражение от слоя металлизации (рис. 2).
Рис. 2. Острие ближнеполевого оптоволоконного зонда, изготовленного
по методу нагревания и растягивания: 1 — потери на отражение;
2 — излучение покидает пределы сердцевины оптоволокна
Как показано на рис. 3 уменьшить потери на отражение излучения от слоя
металлизации можно металлизацией только области вблизи от выходного отвер-
стия зонда.
Рис. 3. Острие ближнеполевого оптоволоконного зонда, изготовленного по методу нагревания и
растягивания с металлизацией в области выходного отверстия зонда: 1 — излучение покидает
пределы сердцевины оптоволокна; 2 — излучение отражается от границ сердцевины оптоволокна;
3 — металлизация в непосредственной близости от выходного отверстия зонда
Методы химического травления
Широко распространены методы химического травления конца оптоволокна,
например, при помощи 40 %-й плавиковой кислоты (HF) или растворов фтористо-
го аммония (NH4F). Травление происходит в области мениска, который образует-
Анализ методов изготовления оптоволоконных
ближнеполевых зондов для систем сверхплотной записи информации
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2005, Т. 7, № 4 17
ся в результате поверхностного притяжения молекул травящего раствора к по-
верхности оптоволокна (рис. 4).
Рис. 4. Химическое травление оптоволокна в 40 %-м растворе плавиковой кислоты (HF)
Среди этих методов выделяют динамические [2] и статические [1] методы. В
динамических методах оголенный конец оптоволокна с определенной скоростью
погружается или вытаскивается из раствора для травления. Угол конуса острия
зависит от времени, скорости и способа погружения (вытаскивания) конца опто-
волокна. Больший угол, а соответственно, меньший радиус острия получается при
вытаскивании конца оптоволокна из раствора с постоянной скоростью, а также
при быстром его погружении. Меньший угол получается в результате медленного
погружения. Возможно также ступенчатое травление, при котором через опреде-
ленные интервалы времени конец оптоволокна резко вытаскивается из раствора
на определенные интервалы высоты. Статические методы травления предполага-
ют закрепление конца оптоволокна в травящем растворе на некоторое время.
Существует также новый метод травления [3], при котором участок в конце
оптоволокна покрывают полимером (защитным покрытием), плавящимся при на-
греве (рис. 5). Конец оптоволокна подносят к пластине, нагретой до температуры,
выше температуры плавления полимерного слоя. Вследствие конвекции тепла от
нагретой пластины, цилиндрический слой полимера уменьшается и создает заост-
ренную форму в концевой области покрытия. После этого конец оптоволокна по-
гружается в травящий раствор. Угол получаемого острия зависит от угла поли-
мерного покрытия, а, следовательно, от температуры, при которой производится
плавление.
Методы химического травления характеризуются высокой производительно-
стью и высоким уровнем воспроизведения формы острия. Недостатком является
сложность контроля процесса травления в области мениска из-за его нестабиль-
ности, т.к. мениск сильно чувствителен к любым изменениям в его области: виб-
рациям, термическим флуктуациям и др. Другой недостаток — пористая боковая
поверхность острия. Это приводит к потерям излучения вблизи конца острия, а,
Е. Е. Голдаевич
18
следовательно, к уменьшению мощности сигнала и отношения сигнал/шум на вы-
ходе. Метод травления с полимерным покрытием позволяет справиться с этими
недостатками, дает более гладкую поверхность острия и не чувствителен к вибра-
циям, температурным флуктуациям и подходит для травления различных видов
волокон [3].
Рис. 5. Химическое травление оптоволокна с применением защитного полимерного покрытия:
1 — внешняя оболочка оптоволокна; 2 — оптоволокно; 3 — защитный слой плавкого полимера;
4 — нагретая пластина; 5 — мениск; 6 — травитель; 7 — область травления
Метод создания нанослепка
Изготовление острия оптоволоконного ближнеполевого зонда также произ-
водится методом создания нанослепков [5]. Используется свойство полимеров
тесно прилегать к поверхностям до размеров в несколько нанометров. Изготовле-
ние разбивается на следующие шаги (рис. 6): а) вытравливание микроформы в
куске кремния раствором KOH; б) создание контуров низкотемпературным окис-
лением; в) скругление формы оксидным травлением; г) формирование на стенках
формы самообразующегося монослоя полимера (SAM — self-assembled mono-
layer); д) напыление слоя металла; е) фокусированное ионно-лучевое сверление
(FIB — focused ion-beam) наноотверстия в металлизированной вершине конуса; ж)
заполнение формы полимером SU-8 с формированием верхней части зонда; з)
склеивание слепка острия зонда с оптоволокном и извлечение его из формы.
Такие зонды можно производить массово, используя заготовленные формы.
Антиадгезивный слой и скругленные края формы позволяют механически изго-
тавливать зонды без образования поверхностных пор, способствующих утечке
излучения.
Анализ методов изготовления оптоволоконных
ближнеполевых зондов для систем сверхплотной записи информации
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2005, Т. 7, № 4 19
Рис. 6. Схематическая последовательность изготовления оптоволоконного зонда из нанослепка
Комбинированные методы
Используются также комбинированные методы изготовления острия оптово-
локонных зондов. После применения метода нагрева и растягивания дополни-
тельно применяется метод химического травления для получения необходимой
апертуры выходного отверстия острия, а также необходимой величины угла кону-
са острия.
Кроме того, для увеличения пропускной способности острия металлическое
покрытие наносится в малой области вблизи острия, что позволяет уменьшить по-
тери на отражение излучения от покрытия, когда излучение распространяется в
режиме рассеивания (см. рис. 3).
К комбинированным методам можно отнести метод фокусированного ионно-
лучевого изготовления апертуры острия оптоволокна [4]. В этом случае берется
готовое заостренное металлизированное оптоволокно, вершина которого срезает-
ся фокусированным ионно-лучевым фрезерованием, что позволяет получить чет-
кие формы апертуры, а также удалить частицы металла, образованные при его на-
пылении, расположенные в области апертуры, которые уменьшают производи-
тельность оптоволоконного ближнеполевого зонда.
Выводы
Среди проанализированных методов следует выделить метод химического
травления конца оптоволокна с защитным полимерным покрытием, а также метод
сфокусированного ионно-лучевого фрезерования. Данные методы позволяют по-
Е. Е. Голдаевич
20
лучить достаточно гладкую поверхность конуса острия, варьировать величину уг-
ла при вершине конуса острия, а также формировать оптимальную апертуру от-
верстия на конце острия оптоволоконного ближнеполевого оптического зонда. В
целом, методы химического травления доказывают свою простоту, скорость, вос-
производимость и эффективность при изготовлении оптоволоконных зондов. Од-
нако они требуют дополнительных усовершенствований, например, как в случае с
полимерным покрытием [3]. В методе изготовления нанослепка большим пре-
имуществом является формирование апертуры острия оптоволоконного зонда в
самой форме после металлизации стенок конуса, что позволяет контролировать
размеры получаемой апертуры, а также избавиться от частиц металла, образую-
щихся на поверхности апертуры в случае обычной процедуры напыления. Комби-
нированные методы позволяют дополнительно корректировать угол конуса и раз-
меры апертуры ближнеполевых оптических зондов.
1. Mufei Xiao. Fabrication of Probe Tips for Reflection SNOM: Chemical Etch and Heating Pulling
Methods // J. Vac. Sci. Tech. — 1997, Jul. — Vol. 15(4). — Р. 1516–1520.
2. Haber L.H., Schaller R.D., Johnson J.C., Saykally R.J. Shape Control of Near-Field Probes Us-
ing Dynamic Meniscus Etching // Journal of Microscopy. — 2004, Apr. — Vol. 214. — Pt. 1. —
Р. 27–35.
3. Пат. 6905627 США, МКИ B 44 C 001/22. Etching Method for Fabricating High-Quality Opti-
cal Fiber Probe: Пат. 6905627 США, МКИ B44C 001/22/ P.-K. Wei (Тайвань); Academia Sinica. — №
340572; Заявл. 10.01.03; Опубл. 14.06.05; НКИ 216/97. — C. 11.
4. Пат. 6633711 США, МКИ G 02 B 006/00. Focused Ion-Beam Fabrication of Fiber Probes for
Use in Near-Field Scanning Optical Microscopy: Пат. 6633711 США, МКИ G02B 006/00/ S.Pilevar
(США); University of Maryland. — № 584788; Заявл. 01.06.00; Опубл. 14.10.03; НКИ 385/123. —
C. 17.
5. Kim G.M., Kim B.J., Ten Have E.S., Segerink F., Van Hulst N.F., Brugger J. Photoplastic Near-
Field Optical Probe with Sub-100 nm Aperture Made by Replication from a Nanomould // Journal of Mi-
croscopy. — 2003, March. — Vol. 209. — Pt. 3. — Р. 267–271.
6. Пат. 20050161594 США, МКИ H 01 J 003/14. Plasmon Enhanced Near-Field Optical Probes:
Пат. 20050161594 США, МКИ H01J 003/14/ R.E.Hollingsworth (США); № 072017; Заявл. 04.03.05;
Опубл. 28.07.05; НКИ 250/234. — C. 25.
Поступила в редакцию 14.11.2005
Введение
Введение
Метод нагревания и растягивания
Методы химического травления
Метод создания нанослепка
Комбинированные методы
Выводы
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-50784 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1560-9189 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:10:27Z |
| publishDate | 2005 |
| publisher | Інститут проблем реєстрації інформації НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Голдаевич, Е.Е. 2013-11-02T23:43:28Z 2013-11-02T23:43:28Z 2005 Анализ методов изготовления оптоволоконных ближнеполевых зондов для систем сверхплотной записи информации / Е.Е. Голдаевич // Реєстрація, зберігання і оброб. даних. — 2005. — Т. 7, № 4. — С. 14-20. — Бібліогр.: 6 назв. — pос. 1560-9189 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/50784 004.085 Рассмотрены методы изготовления оптоволоконных ближнеполевых зондов: механический метод нагревания и растягивания, методы химического травления, метод формирования нанослепка и комбинированные методы. Рассмотрен метод ионно-лучевого фрезерования для формирования плоскости апертуры выходного отверстия острия оптоволоконного зонда. The following methods for near-field optical fiber probes fabrication as a mechanical heatingpulling method, chemical etching methods, photoplastic near-field optical probe replication from nanomould fabrication method, and combined methods are considered. The focused ion-beam milling method for optical fiber probe tapered tip aperture forming is considered. ru Інститут проблем реєстрації інформації НАН України Реєстрація, зберігання і обробка даних Фізичні основи, принципи та методи реєстрації даних Анализ методов изготовления оптоволоконных ближнеполевых зондов для систем сверхплотной записи информации Analysis of Methods for Fabrication of Near-Field Optical Fiber Probes for Superdense Information Recording Systems Article published earlier |
| spellingShingle | Анализ методов изготовления оптоволоконных ближнеполевых зондов для систем сверхплотной записи информации Голдаевич, Е.Е. Фізичні основи, принципи та методи реєстрації даних |
| title | Анализ методов изготовления оптоволоконных ближнеполевых зондов для систем сверхплотной записи информации |
| title_alt | Analysis of Methods for Fabrication of Near-Field Optical Fiber Probes for Superdense Information Recording Systems |
| title_full | Анализ методов изготовления оптоволоконных ближнеполевых зондов для систем сверхплотной записи информации |
| title_fullStr | Анализ методов изготовления оптоволоконных ближнеполевых зондов для систем сверхплотной записи информации |
| title_full_unstemmed | Анализ методов изготовления оптоволоконных ближнеполевых зондов для систем сверхплотной записи информации |
| title_short | Анализ методов изготовления оптоволоконных ближнеполевых зондов для систем сверхплотной записи информации |
| title_sort | анализ методов изготовления оптоволоконных ближнеполевых зондов для систем сверхплотной записи информации |
| topic | Фізичні основи, принципи та методи реєстрації даних |
| topic_facet | Фізичні основи, принципи та методи реєстрації даних |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/50784 |
| work_keys_str_mv | AT goldaevičee analizmetodovizgotovleniâoptovolokonnyhbližnepolevyhzondovdlâsistemsverhplotnoizapisiinformacii AT goldaevičee analysisofmethodsforfabricationofnearfieldopticalfiberprobesforsuperdenseinformationrecordingsystems |