Herstellung und Charakterisierung von Photonic Crystal Langsam Lichtwellenleitern und Hohlräume

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist die Herstellung und Charakterisierung eines photonischen Kristalls, eines Wellenleiters oder Hohlraums mit langsamem Licht. Dies wird erreicht, indem zunächst der Silizium-auf-Isolator-Chip für die Elektronenstrahllithographie vorbereitet wird, indem der Chip gereinigt und mit ZEP five 20 a Resist geschleudert wird. Der zweite Schritt besteht darin, das photonische Kristallmuster mit Hilfe der Elektronenstrahllithographie zur Strukturdefinition und von Xylol für die Entwicklung freizulegen und zu entwickeln.

Als nächstes übertragen Sie das photonische Kristallmuster in die oberste Siliziumschicht des Chips, indem Sie die Probe in den reaktiven Ionenätzer plasmaätzen. Der letzte Schritt besteht darin, die vergrabene Oxidschicht zu entfernen, indem die Kieselsäure in Flusssäure weggeätzt wird. Dadurch entstehen photonische Membrankristallbauelemente, d. h. Bauelemente mit Luft sowohl über als auch unter der photonischen Siliziumkristallschicht.

Letztendlich wird das Gerät optisch charakterisiert, wenn die Probe photonische Kristallwellenleiter unter Interferometer-basierten Langsamlicht-Experimenten enthält, wenn die Probe aus photonischen Kristallresonatoren besteht. Stattdessen wird eine Resonanzstreutechnik zur Charakterisierung verwendet. Das Ziel unserer Arbeit ist es, die Wechselwirkung zwischen leichter Materie in photonischen Nanostrukturen zu untersuchen und neuartige Bauelemente herzustellen und interessante Konzepte in solchen Strukturen zu erforschen.

Um uns also auf die Physik dieser Arbeit konzentrieren zu können, brauchen wir ein zuverlässiges Fertigungsprotokoll. Wir haben ein Protokoll entwickelt, das auf Silizium auf Isolator basiert, das wir sehr zuverlässig und praktisch finden, und indem wir dieses Protokoll einem breiteren Spektrum von Anwendern und anderen Forschern zur Verfügung stellen, hoffen wir, mehr Aktivitäten in diesem Bereich anzuregen. Was die Charakterisierung unserer langsamen Lebensdauer von Tory-Kristallwellenleitern betrifft, so zeichnet sich unsere Technik durch ihre Einfachheit und Leistungsfähigkeit aus, da sie keine interferometrischen Komponenten oder beweglichen Teile auf dem Chip benötigt.

Der Hauptvorteil dieser Resonanzstreutechnik gegenüber bestehenden Methoden besteht darin, dass sie eine Charakterisierung von photonischen Kristallhohlräumen und eine Anordnung außerhalb der Ebene ermöglicht, für die normalerweise eine interne Lichtquelle erforderlich wäre, um ein Silizium auf einem Isolatorwafer zu reinigen, indem es ein bis zwei Minuten lang in ein Ultraschallbad aus Aceton gelegt wird. Übertragen Sie dann die Probe für 30 Sekunden in Isopropanol, um alle Acetonreste zu entfernen, und trocknen Sie sie mit einer sauberen, trockenen Stickstoffpistole. Legen Sie dann den Wafer in einen Spin-Coder und pipettieren Sie so viel CEP 5 28 Photoresist, dass die Probe vollständig bedeckt ist.

Drehen Sie die Probe 60 Sekunden lang bei 3.200 U/min, um einen 350 Nanometer dicken Film zu erzeugen. Den Wafer aus dem Spin Coder nehmen und auf einer heißen Platte bei 180 Grad Celsius 10 Minuten backen. Sobald der Chip abgekühlt ist, legen Sie ihn in die Musterbelichtungskammer des Elektronenstrahllithographiesystems und pumpen Sie ihn ab, wenn das volle Vakuum erreicht ist.

Stellen Sie die Beschleunigungsspannung auf 30 Kilovolt ein und lassen Sie das System eine Stunde lang ausgleichen. Belichten Sie dann die Probe mit einer Flächendosis von 55 Mikroampere pro Quadratzentimeter. Mit einer Schrittweite von zwei Nanometern.

Entwickeln Sie die Probe, indem Sie sie 45 Sekunden lang bei 23 Grad Celsius in Xylol legen. Spülen Sie dann restliches Xylol mit Isopropanol ab. Laden Sie nach der Reinigung der reaktiven Ionenätzkammer die Probe und pumpen Sie das System auf weniger als dreimal 10 bis minus sechs ab.

Millibar Dann konditionieren Sie die Kammer vor, indem Sie Fluor und Schwefelhexafluorid in einem Eins-zu-Eins-Verhältnis bei 100 SECM einströmen, und lassen Sie die Gase mindestens 10 Minuten lang strömen. Stellen Sie als Nächstes die HF-Leistung auf 20 Watt ein und zünden Sie ein Plasma. Ätzen Sie die Probe etwa zwei Minuten lang, wobei Sie sicherstellen, dass ein Kammerdruck von fünfmal 10 bis minus zwei Millibar aufrechterhalten wird.

Entnehmen Sie dann die Probe und reinigen Sie sie durch Spülen. Bei 1165 wird die Schmelze ein bis zwei Minuten lang unter Ultraschallrühren entfernt, gefolgt von Aceton und Isopropanol. Um mit der Membranisolierung zu beginnen, wird die Probe mit UV-empfindlichem Fotolack micros S 1818 G two geschleudert.

Verwenden Sie eine geeignete Fotomaske. Definieren Sie mit dem UV-Masken-Aligner Fenster innerhalb des Resists über den photonischen Kristallmustern. Belichten Sie die Probe für ca. 30 bis 45 Sekunden.

Entwickeln Sie den Fotolack im Mikro-Posit-Entwickler MF 3 1 9 für 30 bis 45 Sekunden. Danach Spülen und entionisiertes Wasser. Ätzen Sie anschließend die Probe 15 Minuten lang in einem Teil Flusssäure in fünf Teile entionisiertes Wasser.

Spülen Sie die Probe nach dem Ätzen gründlich aus und deionisieren Sie Wasser. Entfernen Sie den restlichen Fotolack fünf Minuten lang mit Aceton oder bis die Probe sauber erscheint. Dann mit Isopropanol abspülen und mit Stickstoff föhnen.

Reinigen Sie anschließend die Probe in einem Piana-Bad fünf Minuten lang von drei Teilen Schwefelsäure zu einem Teil Wasserstoffperoxid. Spülen Sie die Probe dann in entionisiertem Wasser, Aceton und Isopropanol. Zum Schluss klopfen Sie die Probe, indem Sie auf jeder Seite des Chips kleine Kratzer machen, indem Sie die Kratzer mit der Kante eines Glasobjektträgers auskleiden und Druck ausüben, um entlang der Kratzlinien zu spalten.

Um die Transmissions- und Gruppenindexkurven von photonischen Kristallwellenleitern mit langsamem Licht zu messen, wird ein hier gezeigtes interferometrisches Detektionssystem für Scheinzender eingerichtet, wie es im begleitenden Protokoll ausführlich beschrieben ist. Setzen Sie als Nächstes den Chip ein und koppeln Sie das Licht in einen blanken Gratwellenleiter. Stellen Sie die Verzögerungsstufe so ein, dass die Länge des Referenzarms kürzer ist als die des Probenarms.

Fahren Sie mit der Einstellung der Verzögerungsstufe fort und beobachten Sie die übertragene Leistung durch eine durchgehende Haut des optischen Spektrumanalysators. Anpassen, bis vier bis 10 Farbstreifen in einem Wellenlängenbereich von 10 Nanometern beobachtet werden. Halten Sie die Verzögerungsleitung nach der Einstellung während der gesamten Messung fixiert.

Kalibrieren Sie als Nächstes den Aufbau, indem Sie drei Scans des leeren Wellenleiters auf dem optischen Spektrumanalysator mit einer Auflösung von 0,05 bis 0,1 Nanometern durchführen. Ein Scan für das Störspektrum und ein Scan für jeden der beiden Arme separat. Zeichnen Sie jedes gemessene Spektrum auf.

Führen Sie dann die gleichen drei Scans auf jedem photonischen Kristallwellenleiter auf dem Chip durch. Berechnen Sie abschließend die Transmissionskurve, indem Sie das Probenspektrum eines photonischen Kristallwellenleiters auf das am leeren Wellenleiter normieren. Berechnen Sie außerdem die Gruppenindexkurve aus den Interferenzspektren, wie im Protokoll beschrieben.

Beginnen Sie damit, die Probe vertikal mit einer 45-Grad-Ausrichtung zur Achse des Polarisators auf einem differenzgesteuerten XY-, Z-Mikroblock zu montieren, und stellen Sie den Mikroblock so ein, dass die Probe scharf gestellt wird und ein Hohlraum mit der Kamera unter Verwendung einer verstärkten spontanen Emissionsquelle zu sehen ist. Richten Sie den Balken an der Mitte des Hohlraums aus. Starten Sie als Nächstes einen umfassenden Scan mit einer Auflösung von Last bis mittlerer Auflösung.

Um die Resonatorpeaks zu identifizieren, ermitteln Sie die Verlaufswellenlänge der Resonanz im verstärkten spontanen Emissionsscan mit einer Genauigkeit von plus oder minus einem Nanometer. Sobald die Hohlraumspitzen identifiziert wurden, führen Sie hochauflösende Scans mit der abstimmbaren Laserquelle durch, die auf Mikrowatt abgeschwächt ist. Scannen Sie mit einer Auflösung von einem Pikometer für einen Bereich von zwei Nanometern, zentriert bei der zuvor gefundenen Resonanzwellenlänge.

Ändern Sie die XY- und Z-Position des Mikroblocks und führen Sie den Scan erneut aus, bis das Signal-Rausch-Verhältnis maximiert ist und die Linienform nahe an der eines hier gezeigten Lian liegt. Erfolgreiches Ätzen mit dem reaktiven Ionenätzsystem erzeugt eine Probe mit vertikalen Seitenwänden und ohne Verbreiterung der Löcher auf beiden Oberflächen des Siliziums. Die Einstellungen für Druck, Leistung und Zeit wurden für die Erstellung einer idealen Struktur optimiert.

Wenn der reaktive Ionenätzdruck über dem Optimum liegt, verursacht der Druckanstieg einen Winkel in der photonischen Kristallwand. Eine Erhöhung der HF-Leistung kann auch zu Unregelmäßigkeiten im Kristall führen, wie z. B. die Verbreiterung der photonischen Kristalllöcher, die rechts gezeigt wird. Eine zu lange Belichtungszeit führt zu einer Kombination von Effekten aufgrund des Abbaus des Fotolacks, was zu einer Verbreiterung der photonischen Kristalllöcher und abgewinkelten Seitenwänden führt.

Ein Blanko-Hohlleiter führt zu gleichmäßig verteilten Säumen über den gesamten Wellenlängenbereich. Wenn der Rohling durch einen 80 Mikrometer langen, speziell entwickelten photonischen Kristallwellenleiter mit langsamem Licht ersetzt wird, werden die Streifen bei Wellenlängen über 1.575 Nanometern dichter, was den Übergang vom schnellen zum langsamen Lichtbereich markiert. Diese Methode liefert gemessene Gruppenindizes von über 100 für einen 80 Mikrometer langen Wellenleiter und fast 90 für einen 300 Mikrometer langen Leiter.

Hochauflösende Scans mit einer T-Noble-Laserquelle erzeugen im Idealfall eine Lian-Linienform für eine genaue Q-Faktor-Analyse von 43.855 bei einer Wellenlänge von etwa 1.562 Nanometern. Das Protokoll, das wir gerade beschrieben haben, wurde für photonische Kristallwellenleiter und Resonatoren im wichtigen Wellenlängenbereich der Telekommunikation von 1550 Nanometern optimiert. Natürlich können wir auch andere Arten von Wellenleitern herstellen, die ebenso anspruchsvoll sind.

Wir können es auch bei verschiedenen Wellenlängen tun, und indem wir all diese Details der Community zur Verfügung stellen, hoffen wir, dass andere Menschen inspiriert werden, dies auch in verschiedenen Materialien und für andere Anwendungen auszuprobieren. Mit unserer Messtechnik, die auf spektraler Interferometrie und Foer-Transform-Analyse basiert, sind wir in der Lage, Gruppenindizes von über 100 mit einem sehr einfachen optischen Aufbau zu messen. Die Technik zur Charakterisierung von Resonatoren ermöglicht eine schnelle, unkomplizierte und nicht-intrusive Charakterisierung der spektralen Eigenschaften photonischer Kristall-Nanoresonatoren, wie z.B. die Bestimmung des Qualitätsfaktors des Resonanzmos.