Name: Fabricación y caracterización de guías de onda de cristal fotónico luz lenta y cavidades (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-11-30T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 8 s
Description: Aprende a fabricar y caracterizar guías de onda de cristal fotónico luz lenta y cavidades mediante litografía de haz de electrones y grabado por plasma. Este método avanza la investigación en fotónica y dispositivos ópticos.

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Los autores agradecen Dr Matteo Galli, el Dr. Simone L. Portalupi y el Prof. Lucio C. Andreani, de la Universidad de Pavia útil para los debates relacionados con la técnica de RS y la ejecución de las medidas.

Descargo de responsabilidad: La siguiente protocolo proporciona un flujo de proceso general que abarca las técnicas de fabricación y caracterización de guías de onda cristalina fotónica y cavidades. El flujo de proceso está optimizado para el equipo específico disponible en nuestro laboratorio, y los parámetros pueden ser diferentes si otros reactivos o equipo se utiliza. 1. Preparación de la muestra <ol><li> La escisión de la muestra - la toma de silicio sobre aislante (SOI) de la oblea y utilice una punta trazadora de diamante para rayar una línea de aproximadamente 1-2 mm de largo desde el borde de la superficie de silicio, asegurando que el cero se extiende sobre el borde de la oblea. Alinear el cero a un borde recto (por ejemplo, la de un portaobjetos de microscopio) y aplicar una presión positiva a ambos lados del cero: la oblea se adherirá a lo largo del plano de cristal en la posición cero. Repita este procedimiento para definir todo el chip. </li><li> Servicio de limpieza de la muestra - Colocar la muestra en la acetona PRECAUCIÓN con unas pinzas unnd limpiar en un baño de ultrasonidos durante 1-2 min. Retire la muestra de la acetona, enjuague toda la acetona restante de la muestra usando PRECAUCIÓN isopropanol (30 seg) (ambos acetona e isopropanol son inflamables: utilizar una buena ventilación y evitar toda fuente de ignición). Se seca la muestra usando una pistola de nitrógeno seco limpio. </li><li> Haga girar resistir - colocar la muestra en el spin-revestidor. Pipeta electrónica sensible resistir PRECAUCIÓN ZEP520A (ZEP520A es inflamable, nocivo por inhalación y por contacto con la piel y ojos debe ser evitado) sobre la muestra - use suficiente resisten a cubrir por completo la muestra sin la capa protectora que fluye sobre el borde. Girar la muestra a fin de dar un aprox. 350 nm de espesor de película y hornear en una placa caliente a 180 ° C durante 10 min. Nos pareció que este espesor que el espesor óptimo que equilibra la resolución y la resistencia a la corrosión (ver más adelante). </li></ol> 2. Patrón Definición <ol><li> Diseño - usando el software apropiado, simular el patrón requerido de cristal fotónico. A entumecidoer de paquetes de software útiles están disponibles, incluyendo pero no limitado a: MIT banda fotónica (MPB), de onda completa (RSoft), MIT propagación electromagnética Ecuación (MEEP). </li><li> Generación del patrón - crear los archivos de formato de exposición (GDS en general) y el error proximidad correcta utilizando el software apropiado 30. </li><li> La exposición Patrón - cargar la muestra en la cámara del sistema de litografía por haz de electrones (LEO 1530 / Elphy Raith) y bombear hacia abajo. Una vez vacío, se ha logrado conectar la tensión EHT y se puso a 30 kV. Deje el sistema en este estado durante 1 hora para permitir que la muestra, y la cámara de etapa para alcanzar una temperatura de equilibrio. Puesta en marcha de la exposición, como se indica en el manual de usuario de su sistema de litografía por haz de electrones específico. Exponer la muestra usando un tamaño adecuado paso básico (por ejemplo, 2 nm) (siendo este el tamaño de píxel mínimo que el sistema puede exponer), un tiempo de establecimiento de al menos 1 ms (siendo este el tiempo que el sistema espera entre el movimiento de la viga y exponiendola porción particular de la figura), y una dosis por área de 55 μAcm -2. </li><li> Desarrollo de la muestra - con Xileno PRECAUCIÓN (xileno es tanto el trabajo inflamable y altamente tóxico en un área bien ventilada, lejos de fuentes de ignición y evite el contacto con la piel y los ojos) a una temperatura de 23 ° C desarrollan la muestra durante 45 segundos. Enjuague con isopropanol. </li></ol> 3. Transferencia de Patten <ol><li> RIE limpieza de Cámara - Establecer las tasas de flujo de argón e hidrógeno a 200 sccm. Del acelerador hacia abajo de la bomba, a través de una válvula de mariposa, para alcanzar la presión de cámara de 1 × 10 -1 mbar. Establecer la potencia de RF a 100 W, encender el plasma y duración de al menos 10 min - una polarización de corriente continua de aproximadamente 700 V debe ser observada. Después de desconectar el Ar / H 2 plasma, permitir que la cámara de la bomba durante aproximadamente 1 min. Ajuste el caudal de oxígeno en la cámara a 200 sccm y de nuevo estrangular la presión de la cámara a 1 × 10 -1 mBar. Ignite un plasma segundosde oxígeno con una potencia de 100 W y una duración de 5 min. Después de estos procedimientos, la cámara será libre de contaminantes, tales como residuos de polímeros, de cualquier ataque químico seco anterior. Llevamos a cabo este procedimiento antes de cada cambio en la receta de grabado para garantizar la máxima repetibilidad. Este procedimiento se optimiza para nuestro sistema que consiste en una placa paralela, el cátodo cargado, RIE; con una cámara principal 12 pulgadas de diámetro por 14 pulgadas de altura, incluyendo un puerto 12 pulgadas con tanto la válvula de estrangulamiento y turbo-molecular bomba adjunta. </li><li> Grabado de cristal fotónico - cargar la muestra en la cámara principal RIE y bombear el sistema hasta una presión de fondo de &lt;3 × 10 -6 mbar para asegurar la cámara está libre de vapor de agua. Comience la etch por pre-acondicionamiento de la cámara con los gases de grabado (es decir, CHF 3 y SF 6): ajustar la velocidad de flujo de ambos gases a 100 sccm (es decir, establecer una relación de gas de 1:1) y utilizando el acelerador llevar la cámara la presión a 5 × 10 <shasta&gt; -2 mbar; permitir que los gases fluyan por lo menos durante 10 min. Después de pre-acondicionamiento, establecer la potencia de RF a aproximadamente 20 W y encender un plasma; etch la muestra durante aproximadamente 2 min (la velocidad de grabado de silicio para estos parámetros de grabado es de aproximadamente 150 nm / min), asegurando al mismo tiempo que una presión de la cámara de 5 × 10 -2 mbar se mantiene. Un sesgo DC entre 200-220 V debe lograrse durante el período de grabado. </li><li> Muestra de limpieza para retirar los restos de electrones sensible resistir - después de ataque químico en seco, limpiar la muestra por enjuague en 1165 PRECAUCIÓN Remover (1165 es inflamable y puede causar irritación en los ojos, nariz y tracto respiratorio) con agitación ultrasónica durante 1-2 min, seguido de acetona e isopropanol como se describe anteriormente (paso 1,2). </li><li> El aislamiento de membrana - spin-coat la muestra por la foto sensible UV resistir PRECAUCIÓN Microposit S1818 G2 (G2 S1818 es a la vez inflamable y causa irritación en los ojos, las vías respiratorias y la nariz) (véase el paso 1.3). El uso de un CRÉDITOSe fotomáscara, definir ventanas en la capa protectora por encima de los patrones de cristal fotónico utilizando el alineador de máscara UV. Exponer la muestra durante aproximadamente 30-45 segundos. Desarrollar el resistir PRECAUCIÓN Microposit desarrollador MF-319 (MF-319 es un líquido alcalino y puede causar irritación en los ojos, las vías respiratorias y la nariz) durante 30-45 segundos, enjuague después en agua desionizada. Preparar un vaso de precipitados de plástico con una mezcla de ácido PRECAUCIÓN 01:05 fluorhídrico (1,1499 g / ml 48-51% HF) (HF es extremadamente corrosivo y fácilmente destruye el tejido, cuando se utilice el manejo completo de equipo de protección personal para clasificar HF) a desionizada agua. Tenga en cuenta que por razones de seguridad sólo vasos de plástico y pinzas deben usarse con ácido fluorhídrico. Sumergir la muestra en la mezcla de ácido fluorhídrico durante 15 min. Después del grabado, enjuague completamente la muestra en agua desionizada. Eliminar el restante fotoresistente usando acetona e isopropanol (ver paso 1,2) - a partir de esta etapa y en adelante agitación ultrasónica no puede ser utilizado. Para asegurar que la muestraes tan limpio como sea posible, seguir la acetona y el lavado de isopropanol con un enjuague con solución PRECAUCIÓN Piranha (solución Piranha es muy enérgico, lo que potencialmente explosivo y ataca a los materiales orgánicos, cuando se utilice el manejo completo equipo de protección personal) (3:1 PRECAUCIÓN ácido sulfúrico (sulfúrico ácido es corrosivo y muy tóxico, cuando el manejo usar equipo de protección personal y evitar la inhalación de vapores o nieblas) Advertir a peróxido de hidrógeno (agua oxigenada es muy peligroso en caso de contacto con la piel y los ojos, cuando el manejo usar equipo de protección personal)) durante 5 minutos , luego enjuagar la muestra en agua desionizada, acetona e isopropanol. Tenga en cuenta que por razones de seguridad sólo vasos de precipitados de vidrio y pinzas metálicas se debe utilizar con la solución Piranha. Como solución Piranha puede explotar en contacto con acetona o isopropanol, que debe ser manejado lejos de estos reactivos. </li><li> La escisión Facet - si la preparación de un cristal fotónico lenta luz de guía de ondas, la muestra requiere escisión faceta. Cleave la sample siguiendo el mismo procedimiento descrito en el paso 1,1, excepto que como un rasguño pequeño como sea posible se debe utilizar. Un chip con sustrato SOI ~ 700 micras de espesor puede ser fiable escinde a las muestras 4-5 mm de largo. </li></ol> 4. Photonic Crystal lenta luz de guía de ondas Caracterización <ol><li> Preparación preliminar de la instalación - conecte la salida de una banda ancha de emisión espontánea amplificada PRECAUCIÓN (ASE) fuente de luz (invisible radiación IR: evitar innecesarios altos poderes, cubra trayectoria del haz si es posible) para un divisor de 3 dB de fibra y usar cada una de las salidas a Pareja luz en los dos brazos de un espacio libre de Mach-Zehnder interferometeter (MZI), como se muestra en la Figura 9. Utilizar lentes asféricas para colimar la salida de luz de las fibras. En uno de los brazos del interferómetro, utilizar dos lentes asféricas adicionales para acoplar el haz de luz dentro y fuera de la viruta de la muestra. Coloque un divisor de haz de polarización (PBS) en el brazo de la muestra con TE-polarizar el light introducir la muestra. Utilizar lentes asféricas para acoplar los rayos de salida colimados de ambos brazos de nuevo en un segundo divisor de 3 dB de fibra, donde se recombinan. Conectar una de las salidas de un detector de infrarrojos y el uso de la lectura del detector para maximizar el acoplamiento de luz en la muestra; conectar la otra salida a un analizador de espectro óptico (OSA). Las dos ramas de la MZI debería tener aproximadamente la misma longitud óptica cuando está en presencia de la muestra: asegurarse de que las fibras en las dos ramas de la MZI tienen la misma longitud nominal e incluyen una etapa de retardo ajustable en el brazo de referencia para permitir para el ajuste fino de su longitud. En el brazo de muestra, montar las lentes asféricas en fases de precisión xyz para obtener el mejor acoplamiento en la muestra. </li><li> Ajuste el largo brazo de referencia - par el haz de luz a una guía de onda cresta en blanco (es decir, sin cristal fotónico) (del mismo tipo que el acceso a guías de onda que la luz de alimentación en el interior de los cristales fotónicos) wiadelgazar el mismo chip en el brazo de muestra. Ejecutar un análisis continuo de la OSA y observar los espectros de longitud de onda medida. Si los dos brazos de la MZI tienen aproximadamente la misma longitud óptica, las franjas exhiben espectros debido a la interferencia constructiva y destructiva; estas franjas no aparecerá si los brazos del MZI tienen longitudes ópticas muy diferentes (&gt; ~ cm). La separación de franjas es inversamente proporcional a la diferencia de longitud de camino óptico entre los dos brazos. Mueva la etapa de retardo para que el brazo de referencia más cortos y observar las franjas de la OSA: si llegan a ser más densa (menos densa), el brazo de referencia es menor (mayor) que el brazo de la muestra. Establecer la etapa de retardo para asegurarse de que el brazo de referencia es más corto que el brazo de muestra y los resultados en un espaciamiento franja de unos 5 a 10 franjas en un rango de longitud de onda de 10 nm (véase la Figura 10a). Por último, realizar esta optimización en el dispositivo que proporciona el retardo máximo y luego mantener el retardo fijo durante toda la mediciónde toda la muestra. </li><li> Calibración funcionar - al mismo tiempo alineados en la guía de ondas en blanco, ejecute tres exploraciones en la OSA: una exploración para el espectro de interferencia y una exploración para cada uno de los dos brazos por separado (obtenido por bloqueo del otro brazo). Utilice una resolución de 0.05-0.1 nm. Registre cada espectro medido. </li><li> Adquisición de datos lenta luz - ejecutar y registrar tres espectros como en el paso 4,3 para cada guía de cristal fotónico en el chip. </li><li> El análisis de Fourier de datos - el espectro de interferencia (interferograma) I (ω) se expresa matemáticamente por: I (ω) = S (ω) + R (ω) + sqrt [S (ω) R (ω)] {exp [iΦ (ω) - iωτ] + cc}, donde S (ω) y R (ω) son las densidades espectrales medidos por separado de la muestra y los brazos de referencia, respectivamente. El retardo τ es fijada por la posición de la etapa de retardo en el brazo de referencia. La información sobre la dispersión de la guía de cristal fotónico está contenido en la faseplazo, lo que debemos extraer de los datos medidos. Reste la no interferencia de fondo S (ω) + R (ω) del interferograma para aislar sólo el término de interferencia. Cálculo de la transformada de Fourier del término interferente: el término sqrt (SR) exp [i (Φ-ωτ)] y su complejo conjugado corresponden a los picos centrados en t = τ y t =-τ, respectivamente. Filtrar numéricamente uno de los dos términos y transformar de nuevo al dominio de la frecuencia. Diferenciar la fase Φ (ω) - ωτ de los datos resultantes con respecto a ω para obtener Δτ g, la diferencia en el retardo de grupo entre los dos brazos. El grupo de índices n g = c / v g, con g v la velocidad de grupo, está dada por: n = g (g Δτ PhC - Δτ g cal) c / L + n cal, donde Δτ g cal se obtiene de los datos de calibración tomadas from la guía de ondas en blanco, L es la longitud de la guía de ondas de cristal fotónico y n cal = 2,7 es el índice efectivo de la guía de ondas de cresta de referencia. La contribución a la demora de los diversos elementos ópticos de la configuración se tiene en cuenta en la fase de calibración, y por lo tanto se resta en este paso. </li></ol><ol start="6"><li> Curva de transmisión - el cálculo de la curva de transmisión mediante la normalización del espectro de la muestra de una guía de cristal fotónico a la de la guía de ondas en blanco. </li></ol> 5. Cristal fotónico Caracterización Cavidad <ol><li> Configuración - la preparación de la configuración (Figura 14) para RS incluye: conmutación del elemento intercambiable para el divisor de haz polarizante; insertando un polarizador en el brazo de entrada, así como un analizador en el brazo de salida; voltear un espejo en el brazo de la sonda para permitir el uso de una fuente de infrarrojo cercano; permitir la iluminación de la muestra. Montar la muestra en posición vertical con una orientación de 45 ° al ejedel polarizador (Figura 18) en un diferencial accionado xyz micro-bloquear y ajustar el bloque de micro-de modo que la muestra está en el foco y una cavidad se puede ver con la cámara, como en la Figura 15 (izquierda). Uso de una emisión espontánea amplificada (ASE) fuente, alinear el haz con el centro de la cavidad de la figura 15 (derecha). Voltear de distancia del espejo de iluminación y permiten que el brazo de salida para entrar en el espectrómetro (monocromador con detector de matriz adjunta). Ejecutar un análisis amplio con una resolución baja a moderada con el fin de identificar los picos de la cavidad. Obtener la longitud de onda aproximada de la resonancia en la exploración ASE (Figura 16a) con una precisión de 1 nm. También es posible adquirir la exploración amplia con una fuente láser sintonizable PRECAUCIÓN (TLS) (Figura 16b) (invisible radiación IR: evitar innecesarias altas potencias, cubrir trayectoria del haz, si es posible). Uno tiene que tener cuidado de que la resolución se ajusta al valor más alto con el fin deprobar los anchos de línea de cada pico. </li><li> Realizar exploraciones de alta resolución sobre los picos identificados - conectar los TLS con el brazo de entrada y atenuar el haz a un nivel mW. Preparación para el escaneo de alta resolución, permitiendo el brazo de salida para ser recogidos por el fotodetector y la creación de una exploración de barrido continuo con una resolución de 1 pm para una amplia nm 2 centrado en la longitud de onda de resonancia encontrado previamente. La importancia de este paso es el de mejorar la relación señal-ruido (SNR) con el objetivo de obtener una línea de Lorentzian forma de resonancia: cambiar la posición xyz del bloque de micro-y volver a ejecutar la exploración hasta que la SNR se maximiza y la línea de la forma es similar a la de un Lorentzian, como se muestra en la sección resultado representativo. </li></ol>

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</ol>

No hay conflictos de interés declarado.

Ejemplo de fabricación Nuestra elección de haz de electrones resistir (es decir ZEP 520A) se debe a su alta resolución simultáneamente y resistencia a la corrosión. Creemos que 520A ZEP puede verse afectada por la luz UV emitida por las luces de laboratorio generales; como tal se recomienda colocar recubiertos spin-muestras en recipientes opacos UV mientras que se muevan de un laboratorio a otro. Pasando a definir el patrón de cristal fotónico, antes de exp...

<table><tbody><tr><td>Acetona</td><td>Fisher Scientific</td><td>A/0520/17</td><td><fuerte>PRECAUCIÓN: inflamable, use buena ventilación y evite todas las fuentes de ignición.</fuerte></td></tr><tr><td>Isopropanol</td><td>Fisher Scientific</td><td>P/7500/15</td><td><fuerte>PRECAUCIÓN: inflamable, use buena ventilación y evite todas las fuentes de ignición.</td></tr><tr><td>Electron Beam resiste</td><td>Marubeni Europe plc.</td><td>ZEP520A</td><td><fuerte>PRECAUCIÓN: inflamable, dañino por inhalación, evite el contacto con la piel y los ojos.</fuerte></td></tr><tr><td>Xileno</td><td>Fisher Scientific</td><td>X/0100/17</td><td><fuerte>PRECAUCIÓN: inflamable y altamente tóxico, use buena ventilación, evite todas las fuentes de ignición, evite el contacto con la piel y los ojos.</fuerte></td></tr><tr><td>Microposit S1818 G2</td><td>Chestech Ltd.</td><td>10277866</td><td><fuerte>PRECAUCIÓN: inflamable y causa irritación en los ojos, la nariz y las vías respiratorias.</td></tr><tr><td>Microposit Developer MF-319</td><td>Chestech Ltd.</td><td>10058721</td><td><fuerte>PRECAUCIÓN: líquido alcalino y puede causar irritación en los ojos, la nariz y las vías respiratorias.</</td></tr><tr><td>Ácido fluorhídrico</td> >fuerte <td>Fisher Scientific</td><td>22333-5000</td><td><fuerte>PRECAUCIÓN: extremadamente corrosivo, destruye fácilmente los tejidos; manéjelo con equipo de protección personal completo clasificado para HF.</td></tr><tr><td>Microposit 1165 Remover</td><td>Chestech Ltd.</td><td>10058734</td><td><fuerte>PRECAUCIÓN: inflamable y causa irritación en los ojos, la nariz y las vías respiratorias.</</td></tr><tr><td>Ácido sulfúrico</td> >fuerte <td>Fisher</td><td>Scientific S/9120/PB17</td><td><fuerte>PRECAUCIÓN: corrosivo y muy tóxico; manéjelo con equipo de protección personal y evite la inhalación de vapores o nieblas.</fuerte></td></tr><tr><td>Peróxido de hidrógeno</td><td>Fisher Scientific BPE2633-500</td><td></td><td><fuerte>PRECAUCIÓN: muy peligroso en caso de contacto con la piel y los ojos; mango con equipo de protección personal.</td></tr><tr><td colspan="4">Equipment</td></tr><tr><td>Silicon-on-Insulator oblea</td><td>Soitec</td><td>G8P-110-01</td><td></td></tr><tr><td>Diamond Scribe</td><td>J M Diamond Tool Inc.</td><td>HS-415</td><td></td></tr><tr><td>Portaobjetos de microscopio</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB58622</td><td></td></tr><tr><td>Vasos de precipitados</td><td>Pinzas</td> de <td>FB33109</td><td></td>Fisher Scientific</tr><tr><td></td><td>SPI Supplies</td><td>PT006-AB</td><td></td></tr><tr><td>Baño ultrasónico</td><td>Camlab</td><td>1161436</td><td></td></tr><tr><td>Spin-Coater</td><td>Electronic Micro Systems Ltd.</td><td>EMS 4000</td><td></td></tr><tr><td>Pipeta</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB55343</td><td></td></tr><tr><td>Sistema de litografía de haz E</td><td>Raith Gmbh</td><td>Raith 150</td><td></td></tr><tr><td>Sistema de grabado de iones reactivos</td><td>Diseñado internamente por patente</td><td>:</td> alineador de <td></td></tr><tr><td>máscara UV</td><td>Karl Suss</td><td>MJB-3</td><td></td></tr><tr><td>Fuente ASE</td><td>Amonics</td><td>ALS-CL-15-B-FA</td><<td>fuerte>PRECAUCIÓN: radiación IR invisible.</fuerte></td></tr><tr><td>Fibras monomodo</td><td>Thorlabs</td><td>P1-SMF28E-FC-2</td><td></td></tr><tr><td>Divisores de fibra de 3 dB</td><td>Thorlabs</td><td>C-WD-AL-50-H-2210-35-FC/FC</td><td></td></tr><tr><td>Lentes asféricas</td><td>New Focus</td><td>5720-C</td><td></td></tr><tr><td>Etapas XYZ</td><td>Melles Griot</td><td>17AMB003/MD</td><td></td></tr><tr><td>Cubo divisor de haz polarizado</td><td>Thorlabs</td><td>PBS104</td><td></td></tr><tr><td>Detector de infrarrojos</td><td>New Focus</td><td>2033</td><td></td></tr><tr><td>100&#215; Objetivo</td><td>Nikon</td><td>BD Plan 100x</td><td></td></tr><tr><td>Osciloscopio</td><td>Tektronix</td><td>TDS1001B</td><td></td></tr><tr><td>Analizador de Espectro Óptico</td><td>Advantest</td><td>Q8384</td><td></td></tr><tr><td>Tarjeta de sensor IR</td><td>Newport</td><td>F-IRC2</td><td></td></tr><tr><td>Fuente TLS</td><td>Agilent</td><td>81940A</td><td><fuerte>ATENCIÓN: radiación IR invisible.</cámara</td></tr> <tr><td>>IR fuerte</td><td>Electrofísica</td><td>7290A Detector IR</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Nuevo Enfoque</td><td>2153</td><td></td></tr><tr><td>Multímetro Digital</td><td>Agilent</td><td>34401A</td><td></td></tr><tr><td>Stock de Iluminación</td><td>Yale</td><td>Lite Mite</td><td></td></tr><tr><td>Monocromador</td><td>Productos Espectrales</td><td>DK480</td><td></td></tr><tr><td>Detector de Matriz</td><td>Andor</td><td>DU490A-1.7</td><td></td></tr><tr><td>GIF Fibra</td><td>Thorlabs</td><td>31L02</td><td></td></tr></tbody></table>

fabricación y caracterización de guías de onda de cristal fotónico luz lenta y cavidades

Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Slow luz ha sido uno de los temas candentes en la comunidad fotónica en la última década, generando un gran interés tanto desde el punto de vista fundamental y por su considerable potencial para aplicaciones prácticas. Slow guías de ondas de luz de cristal fotónico, en particular, han jugado un papel importante y se han empleado con éxito para retrasar las señales ópticas 1-4 y 8-11 la mejora de ambos dispositivos lineales y no lineales 5.7. Cavidades de cristal fotónico lograr efectos similares a los de guías de ondas de luz lenta, pero en un menor ancho de banda. Estas cavidades ofrecen un alto ratio de Q-factor/volume, para la realización de óptica 12 y 13 eléctricamente bombeado láser ultra-bajos de umbral y la mejora de los efectos no lineales. 14-16 Además, los filtros pasivos 17 y moduladores 18-19 se ha demostrado, exhibiendo ultra-estrecho ancho de línea de alta free-espectral range y registrar los valores de consumo de energía baja. Para lograr estos resultados emocionantes, un protocolo robusto fabricación repetitiva debe ser desarrollado. En este artículo, echamos un vistazo en profundidad a nuestro protocolo de fabricación que utiliza la litografía por haz de electrones para la definición de los patrones de cristal fotónico y utiliza técnicas de grabado húmedo y seco. Nuestros resultados optimizados receta de fabricación de cristales fotónicos que no sufren de asimetría vertical y exhiben muy buena borde de pared rugosidad. Se discuten los resultados de la variación de los parámetros de grabado y los efectos perjudiciales que pueden tener en un dispositivo, que conduce a una ruta de diagnóstico que se pueden tomar para identificar y eliminar problemas similares. La clave para la evaluación de guías de ondas lentas de luz es la caracterización pasiva de transmisión y los espectros de índice de grupo. Varios métodos han sido reportados, lo más notablemente la resolución de las franjas de Fabry-Perot del espectro de transmisión de un 20-21técnicas de interferometría. 22-25 d A continuación, describimos una técnica directa, la medición de banda ancha combinando la interferometría espectral con el análisis de Fourier transform. 26 Nuestro método destaca por su sencillez y potencia, como se puede caracterizar un cristal fotónico desnudo con guías de ondas de acceso, sin necesidad para los componentes de interferencia en el chip, y la configuración de la única consiste en un interferómetro de Mach-Zehnder, sin necesidad de partes móviles y escáneres de retardo. En la caracterización de las cavidades de cristal fotónico, las técnicas que implican fuentes internas 21 o guías de onda externos acoplados directamente a la cavidad 27 impacto en el rendimiento de la propia cavidad, distorsionando así la medición. Aquí se describe una técnica novedosa y no intrusivo que hace uso de un haz de sonda de polarización cruzada y se conoce como dispersión resonante (RS), donde la sonda se acopla fuera del plano en la cavidad a través de un objetivo. La técnica fue la primera demostracióndo por McCutcheon et al. 28 y desarrollado por Galli et al 29.

Muestras fabricadas
Figura 1 muestra una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de un patrón expuesto y revelado en una resistencia para haz de electrones; es evidente, por el borde «limpio» entre la resistencia y el sustrato de silicio, que se ha logrado una exposición y revelado completos. La exposición de patrones de prueba de dosis, compuestos por formas simples repetidas (en nuestro caso, cuadrados de 50 × 50 μm), cada uno con una dosis base diferente, se utiliz...

El uso de guías de ondas de luz de cristal fotónico lentos y cavidades ha sido ampliamente adoptado por la comunidad fotónica en muchas aplicaciones diferentes. Por lo tanto la fabricación y caracterización de estos dispositivos son de gran interés. En este trabajo se describe nuestra técnica de fabricación y dos métodos de caracterización óptica, a saber: la dispersión interferométrica (guías de onda) y resonancia (cavidades).

Fabricación y caracterización de guías de onda de cristal fotónico luz lenta y cavidades

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view ...

El objetivo general de este procedimiento es fabricar y caracterizar una guía o cavidad de onda de luz lenta de cristal fotónico. Esto se logra preparando primero el silicio en el chip aislante para la litografía por haz de electrones mediante la limpieza y el recubrimiento por centrifugado del chip con ZEP cinco 20 a resist. El segundo paso es exponer y desarrollar el patrón de cristal fotónico utilizando litografía de haz de electrones para la definición del patrón y xileno para el desarrollo.A continuación, transfiera el patrón de cristal fotónico a la capa superior de silicio del chip grabando la muestra con plasma en el grabador de iones reactivos. El paso final es eliminar la capa de óxido enterrada grabando la sílice en ácido fluorhídrico. Esto crea dispositivos de cristal fotónico de membrana, en otras palabras, dispositivos con aire tanto por encima como por debajo de la capa de cristal fotónico de silicio.En última instancia, el dispositivo se caracteriza ópticamente si la muestra contiene guías de onda de cristal fotónico entre las que se realiza un experimento de luz lenta basado en interferómetro si la muestra consta de cavidades de cristal fotónico. En su lugar, se utiliza una técnica de dispersión por resonancia para la caracterización. El objetivo de nuestro trabajo es estudiar la interacción de la luz-materia en nanoestructuras fotónicas y crear dispositivos novedosos y explorar conceptos interesantes en dichas estructuras.Por lo tanto, para concentrarnos y poder centrarnos realmente en la física de este trabajo, necesitamos un protocolo de fabricación fiable. Hemos desarrollado un protocolo basado en silicio sobre aislante, que nos parece muy fiable y conveniente, y al poner este protocolo a disposición de una gama más amplia de usuarios y otros investigadores, esperamos estimular más actividad en esta área. En cuanto a la caracterización de nuestra lenta vida útil de las guías de onda cristalina Tory, nuestra técnica destaca por su sencillez y potencia, ya que no requiere componentes interferométricos en chip ni partes móviles.La principal ventaja de esta técnica de dispersión por resonancia sobre los métodos existentes es que permite una caracterización de cavidades cristalinas fotónicas y una disposición fuera del plano, que normalmente requeriría una fuente de luz interna para comenzar a limpiar una oblea aislante de silicio colocándola en un baño ultrasónico de acetona durante uno o dos minutos. A continuación, transfiera la muestra a isopropanol durante 30 segundos para eliminar cualquier acetona residual y séquela con una pistola de nitrógeno limpia y seca. A continuación, coloque la oblea en un codificador de espín y pipetee con suficiente CEP 5 28 Photoresist para cubrir completamente la muestra.Gire la muestra a 3.200 RPM durante 60 segundos para producir una película de 350 nanómetros de grosor. Retire la oblea del codificador giratorio y hornee en un plato caliente a 180 grados centígrados durante 10 minutos. Una vez que el chip se enfríe, colóquelo en la cámara de exposición del patrón del sistema de litografía por haz de electrones y bombee hacia abajo cuando se haya alcanzado el vacío completo.Ajuste el voltaje de aceleración a 30 kilovoltios y deje que el sistema se equilibre durante una hora. A continuación, exponga la muestra con una dosis de área de 55 microamperios por centímetro cuadrado. Usando un tamaño de paso de dos nanómetros.Revele la muestra colocándola en xileno a 23 grados centígrados durante 45 segundos. A continuación, enjuague el xileno residual con isopropanol. Después de limpiar la cámara de grabado iónico reactivo, cargue la muestra y bombee el sistema a menos de tres veces 10 elevado a menos seis.A continuación, preacondicione la cámara introduciendo fluoruro y fluoruro de hexa de azufre en una proporción de uno a uno a 100 SECM, y deje que los gases fluyan durante al menos 10 minutos. A continuación, ajuste la potencia de RF a 20 vatios y encienda un plasma. Grabe la muestra durante aproximadamente dos minutos mientras se asegura de que se mantenga una presión de la cámara de cinco veces 10 por los dos milibares negativos.A continuación, retire la muestra y límpiela enjuagándola. En 1165, retirar con agitación ultrasónica durante uno o dos minutos, seguido de acetona e isopropanol. Para comenzar el aislamiento de la membrana, recubra la muestra con micros fotorresistentes sensibles a los rayos UV S 1818 G two.Usar una mascarilla fotográfica adecuada. Defina ventanas dentro de la resistencia por encima de los patrones de cristal fotónico utilizando el alineador de máscara UV. Exponga la muestra durante aproximadamente 30 a 45 segundos.Revele el fotorresistente en revelador micro posit MF 3 1 9 durante 30 a 45 segundos. Enjuague posterior y agua desionizada. A continuación, grabe la muestra en una parte de ácido fluorhídrico en cinco partes de agua desionizada durante 15 minutos.Después del grabado, enjuague bien la muestra y con agua desionizada. Retire el fotorresistente restante con acetona durante cinco minutos o hasta que la muestra parezca limpia. Luego enjuague, isopropanol y seque con nitrógeno.A continuación, limpie la muestra en un baño de piana con tres partes de ácido sulfúrico por una parte de peróxido de hidrógeno durante cinco minutos. A continuación, enjuague la muestra con acetona y agua desionizada e isopropanol. Por último, corte la muestra haciendo pequeños arañazos a cada lado del chip, alineando los arañazos con el borde de un portaobjetos de cristal y presionando para cortar a lo largo de las líneas de arañazos.Con el fin de medir la transmisión y agrupar las curvas de índice de las guías de ondas de cristal fotónico de luz lenta, configure un sistema de detección interferométrica zender simulado que se muestra aquí, como se describe en detalle en el protocolo adjunto. A continuación, inserte el chip en su lugar y acople la luz en una guía de onda de cresta en blanco. Ajuste la etapa de retardo hasta que la longitud del brazo de referencia sea más corta que el brazo de muestra.Continúe ajustando la etapa de retardo y observe la potencia transmitida a través de una piel continua del analizador de espectro óptico. Ajuste hasta que se observen de cuatro a 10 franjas en un rango de longitud de onda de 10 nanómetros. Una vez ajustada, mantenga la línea de retardo fija durante todas las mediciones.A continuación, calibre la configuración ejecutando tres escaneos de la guía de onda en blanco en el analizador de espectro óptico con una resolución de 0,05 a 0,1 nanómetros. Un escaneo para el espectro de interferencia y un escaneo para cada uno de los dos brazos por separado. Registre cada espectro medido.A continuación, ejecute los mismos tres escaneos en cada guía de onda de cristal fotónico del chip. Finalmente, calcule la curva de transmisión normalizando el espectro de muestra de una guía de onda de cristal fotónico al de la guía de onda en blanco. Además, calcule la curva de índice de grupo a partir de los espectros de interferencia como se describe en el protocolo.Comience montando la muestra verticalmente con una orientación de 45 grados con respecto al eje del polarizador en un microbloque XY, Z accionado por diferencial, y ajuste el microbloque para que la muestra esté enfocada y se pueda ver una cavidad con la cámara utilizando una fuente de emisión espontánea amplificada. Alinee la viga con el centro de la cavidad. A continuación, inicie un escaneo amplio con una resolución de carga a moderada.Para identificar los picos de la cavidad, obtenga la longitud de onda del curso de la resonancia en el escaneo de emisión espontánea amplificada con una precisión de más o menos un nanómetro. Una vez que se hayan identificado los picos de la cavidad, realice escaneos de alta resolución con la fuente láser sintonizable atenuada a niveles de microvatios. Escanee con una resolución de un pico metro para un rango de dos nanómetros centrado en la longitud de onda de resonancia encontrada anteriormente.Cambie la posición XY, Z del microbloque y vuelva a ejecutar el escaneo hasta que la relación señal/ruido se maximice y la forma de la línea sea similar a la de un lian que se muestra aquí. El grabado exitoso con el sistema de grabado de iones reactivos produce una muestra con paredes laterales verticales y sin ensanchamiento de los orificios en ninguna de las superficies del silicio. Los ajustes de presión, potencia y tiempo se han optimizado para la creación de estructuras ideales.Cuando la presión de grabado iónico reactivo está por encima del óptimo, el aumento de la presión provoca un ángulo en la pared del cristal fotónico. Los aumentos en la potencia de RF también pueden causar irregularidades en el cristal, como el ensanchamiento de los agujeros del cristal fotónico que se muestran a la derecha. Demasiado tiempo de exposición provoca una combinación de efectos debido a la ruptura de la fotorresistencia, lo que resulta en el ensanchamiento de los agujeros de cristal fotónico y las paredes laterales en ángulo.Una guía de onda en blanco da como resultado franjas distribuidas uniformemente en todo el rango de longitudes de onda. Cuando el blanco se reemplaza con una guía de onda de cristal fotónico de luz lenta de 80 micrómetros de largo, las franjas se vuelven más densas en longitudes de onda superiores a 1.575 nanómetros, marcando la transición del régimen de luz rápida al régimen de luz lenta. Este método proporciona índices de grupo medidos en exceso de 100 para una guía de onda de 80 micrómetros de largo, y casi 90 para una guía de 300 micrómetros de largo.Los escaneos de alta resolución con una fuente láser T Noble producirán idealmente una forma de línea Lian para un análisis preciso del factor Q de 43.855 a una longitud de onda de alrededor de 1.562 nanómetros. El protocolo que acabamos de describir ha sido optimizado para guías de ondas de cristal fotónico y cavidades en el importante rango de longitudes de onda de telecomunicaciones de 1550 nanómetros. Claramente, también podemos hacer otro tipo de guías de onda que son igual de exigentes.También podemos hacerlo en diferentes longitudes de onda, y al proporcionar todos estos detalles a la comunidad, esperamos que otras personas se inspiren para probar esto también en diferentes materiales y para otras aplicaciones. Con nuestra técnica de medición, basada en interferometría espectral y análisis de transformada de foer, podemos medir índices de grupo superiores a 100 con una configuración óptica muy simple. La técnica de caracterización de cavidades permite una caracterización rápida, sencilla y no intrusiva de las propiedades espectrales de nanocavidades de cristal fotónico, como la determinación del factor de calidad del mos resonante.

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Research

Investigación

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Engineering

Ingeniería

Se describe la utilización de una técnica de dióxido de carbono reflujo láser para fabricar cavidades resonantes de sílice, incluyendo independiente microesferas y microtoroids en el chip. El método de reflujo elimina imperfecciones de la superficie, permitiendo largos tiempos de vida de fotones dentro de ambos dispositivos. Los dispositivos resultantes tienen factores de ultra alta calidad, permitiendo a las aplicaciones que van desde las telecomunicaciones a biodetección.

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Aprende a fabricar y caracterizar guías de onda de cristal fotónico luz lenta y cavidades mediante litografía de haz de electrones y grabado por plasma. Este método avanza la investigación en fotónica y dispositivos ópticos.

Fabricación y caracterización de guías de onda de cristal fotónico luz lenta y cavidades

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