Fabrication et caractérisation de guides d'ondes à cristal photonique lumière lente et les cavités

L’objectif global de cette procédure est de fabriquer et de caractériser un guide d’ondes ou une cavité de lumière lente à cristaux photoniques. Ceci est accompli en préparant d’abord le silicium sur la puce isolante pour la lithographie par faisceau d’électrons en nettoyant et en recouvrant la puce avec une réserve ZEP cinq 20 a. La deuxième étape consiste à exposer et à développer le motif de cristaux photoniques en utilisant la lithographie par faisceau d’électrons pour la définition du motif et le xylène pour le développement.

Ensuite, transférez le motif de cristal photonique dans la couche supérieure de silicium de la puce en gravant l’échantillon au plasma dans le graveur ionique réactif. La dernière étape consiste à enlever la couche d’oxyde enfouie en gravant la silice dans l’acide fluorhydrique. Cela crée des dispositifs à cristaux photoniques à membrane, en d’autres termes, des dispositifs avec de l’air à la fois au-dessus et en dessous de la couche de cristaux photoniques de silicium.

En fin de compte, le dispositif est caractérisé optiquement si l’échantillon contient des guides d’ondes à cristaux photoniques parmi une expérience de lumière lente basée sur un interféromètre est réalisée si l’échantillon est constitué de cavités à cristaux photoniques. Au lieu de cela, une technique de diffusion de résonance est utilisée pour la caractérisation. L’objectif de notre travail est d’étudier l’interaction lumière-matière dans les nanostructures photoniques, de créer de nouveaux dispositifs et d’explorer des concepts intéressants dans de telles structures.

Donc, pour nous concentrer et pouvoir vraiment nous concentrer sur la physique de ce travail, nous avons besoin d’un protocole de fabrication fiable. Nous avons développé un protocole basé sur le silicium sur isolant, que nous trouvons très fiable et pratique, et en mettant ce protocole à la disposition d’un plus large éventail d’utilisateurs et d’autres chercheurs, nous espérons stimuler davantage d’activité dans ce domaine. En ce qui concerne la caractérisation de notre slow life des guides d’ondes en cristal Tory, notre technique se distingue par sa simplicité et sa puissance car elle ne nécessite aucun composant interférométrique sur puce ni pièce mobile.

Le principal avantage de cette technique de diffusion par résonance par rapport aux méthodes existantes est qu’elle permet une caractérisation des cavités cristallines photoniques et un arrangement hors plan, ce qui nécessiterait généralement une source lumineuse interne pour commencer à nettoyer une plaquette de silicium sur isolant en la plaçant dans un bain ultrasonique d’acétone pendant une à deux minutes. Transférez ensuite l’échantillon dans de l’isopropanol pendant 30 secondes pour éliminer tout résidu d’acétone et séchez-le à l’aide d’un pistolet à azote propre et sec. Ensuite, placez la plaquette dans un codeur de spin et pipetez suffisamment de résine photosensible CEP 5 28 pour couvrir complètement l’échantillon.

Faites tourner l’échantillon à 3 200 tr/min pendant 60 secondes pour produire un film de 350 nanomètres d’épaisseur. Retirez la plaquette du codeur rotatif et faites-la cuire sur une plaque chauffante à 180 degrés Celsius pendant 10 minutes. Une fois la puce refroidie, placez-la dans la chambre d’exposition du système de lithographie par faisceau d’électrons et pompez-la lorsque le vide complet a été atteint.

Réglez la tension d’accélération sur 30 kilovolts et laissez le système s’équilibrer pendant une heure. Ensuite, exposez l’échantillon avec une dose de surface de 55 microampères par centimètre carré. En utilisant une taille de pas de deux nanomètres.

Développez l’échantillon en le plaçant dans du xylène à 23 degrés Celsius pendant 45 secondes. Rincez ensuite le xylène résiduel avec de l’isopropanol. Après avoir nettoyé la chambre de gravure ionique réactive, chargez l’échantillon et pompez le système à moins de trois fois 10 puissance moins six.

Millibar Ensuite, préconditionnez la chambre en faisant couler du fluor et de l’hexafluorure de soufre dans un rapport de un à un à 100 SECM, et laissez les gaz s’écouler pendant au moins 10 minutes. Ensuite, réglez la puissance RF sur 20 watts et allumez un plasma. Gravez l’échantillon pendant environ deux minutes tout en veillant à ce qu’une pression de chambre de cinq fois 10 puissance moins deux milli bar soit maintenue.

Retirez ensuite l’échantillon et nettoyez-le par rinçage. Dans 1165, retirer avec une agitation ultrasonique pendant une à deux minutes, suivi d’acétone et d’isopropanol. Pour commencer l’isolation de la membrane, revêtez l’échantillon avec des micros photosensibles sensibles aux UV S 1818 G deux.

À l’aide d’un masque photo approprié. Définissez des fenêtres dans la réserve au-dessus des motifs de cristaux photoniques à l’aide de l’aligneur de masque UV. Exposez l’échantillon pendant environ 30 à 45 secondes.

Développez la résine photo dans le révélateur micro posit MF 3 1 9 pendant 30 à 45 secondes. Rinçage ultérieur et eau déminéralisée. Ensuite, gravez l’échantillon dans une partie d’acide fluorhydrique dans cinq parties d’eau désionisée pendant 15 minutes.

Après la gravure, rincez abondamment l’échantillon et l’eau déminéralisée. Retirez la résine photosensible restante à l’aide d’acétone pendant cinq minutes ou jusqu’à ce que l’échantillon semble propre. Ensuite, rincez à l’isopropanol et séchez au sèche-cheveux à l’azote.

Ensuite, nettoyez l’échantillon dans un bain de piana composé de trois parties d’acide sulfurique pour une partie de peroxyde d’hydrogène pendant cinq minutes. Rincez ensuite l’échantillon dans de l’eau désionisée, de l’acétone et de l’isopropanol. Enfin, coupez l’échantillon en faisant de petites rayures de chaque côté de la puce en alignant les rayures avec le bord d’une lame de verre et en appuyant pour cliver le long des lignes de rayure.

Afin de mesurer les courbes de transmission et d’indice de groupe des guides d’ondes à cristaux photoniques à lumière lente, mettez en place un système de détection interférométrique Zender simulé illustré ici, comme décrit en détail dans le protocole d’accompagnement. Ensuite, insérez la puce en place et couplez la lumière dans un guide d’ondes à crête vierge. Ajustez l’étape de retard jusqu’à ce que la longueur du bras de référence soit plus courte que celle du bras d’échantillonnage.

Continuez à régler l’étage de retard et observez la puissance transmise à travers une peau continue de l’analyseur de spectre optique. Ajustez jusqu’à ce que quatre à 10 franges soient observées dans une gamme de longueurs d’onde de 10 nanomètres. Une fois ajustée, maintenez la ligne à retard fixe tout au long des mesures.

Ensuite, calibrez la configuration en exécutant trois balayages du guide d’ondes vierges sur l’analyseur de spectre optique en utilisant une résolution de 0,05 à 0,1 nanomètre. Un balayage pour le spectre d’interférence et un balayage pour chacun des deux bras séparément. Enregistrez chaque spectre mesuré.

Exécutez ensuite les trois mêmes balayages sur chaque guide d’ondes à cristaux photoniques de la puce. Enfin, calculez la courbe de transmission en normalisant le spectre de l’échantillon d’un guide d’ondes à cristaux photoniques à celui du guide d’ondes vierges. Calculez également la courbe d’indice de groupe à partir des spectres de brouillage comme décrit dans le protocole.

Commencez par monter l’échantillon verticalement avec une orientation de 45 degrés par rapport à l’axe du polariseur sur un micro-bloc XY, Z à commande différentielle, et ajustez le micro-bloc de sorte que l’échantillon soit net et qu’une cavité puisse être vue avec la caméra à l’aide d’une source d’émission spontanée amplifiée. Alignez le faisceau avec le centre de la cavité. Ensuite, démarrez une analyse large avec une charge à résolution modérée.

Afin d’identifier les pics de cavité, obtenez la longueur d’onde de course de la résonance dans le balayage d’émission spontanée amplifié avec une précision de plus ou moins un nanomètre. Une fois les pics de cavité identifiés, effectuez des balayages haute résolution avec la source laser accordable atténuée à des niveaux de microwatts. Scannez avec une résolution d’un picomètre pour une gamme de deux nanomètres centrée sur la longueur d’onde de résonance précédemment trouvée.

Modifiez la position XY, Z du microbloc et relancez le balayage jusqu’à ce que le rapport signal/bruit soit maximisé et que la forme de la ligne soit proche de celle d’un lian illustré ici. Une gravure réussie avec le système de gravure ionique réactive produit un échantillon avec des parois latérales verticales et sans élargissement des trous à l’une ou l’autre surface du silicium. Les réglages de pression, de puissance et de temps ont tous été optimisés pour une création de structure idéale.

Lorsque la pression de gravure ionique réactive est supérieure à l’optimum, l’augmentation de la pression provoque un angle dans la paroi du cristal photonique. L’augmentation de la puissance RF peut également provoquer des irrégularités dans le cristal, telles que l’élargissement des trous du cristal photonique illustrés à droite. Un temps d’exposition trop long provoque une combinaison d’effets en raison de la dégradation de la résine photosensible, ce qui entraîne un élargissement des trous de cristal photonique et des parois latérales inclinées.

Un guide d’ondes vierge permet d’obtenir des franges uniformément réparties sur toute la gamme de longueurs d’onde. Lorsque l’ébauche est remplacée par un guide d’ondes à cristaux photoniques à lumière lente de 80 micromètres de long, les franges deviennent plus denses à des longueurs d’onde supérieures à 1 575 nanomètres, marquant la transition du régime de lumière rapide au régime de lumière lente. Cette méthode fournit des indices de groupe mesurés en excès de 100 pour un guide d’ondes longues de 80 micromètres, et de près de 90 pour un guide de 300 micromètres de long.

Les balayages haute résolution avec une source laser T Noble produiront idéalement une forme de ligne Lian pour une analyse précise du facteur Q de 43 855 à une longueur d’onde d’environ 1 562 nanomètres. Le protocole que nous venons de décrire a été optimisé pour les guides d’ondes à cristaux photoniques et les cavités dans l’importante gamme de longueurs d’onde des télécommunications de 1550 nanomètres. Il est clair que nous pouvons également fabriquer d’autres types de guides d’ondes tout aussi exigeants.

Nous pouvons également le faire à différentes longueurs d’onde, et en fournissant tous ces détails à la communauté, nous espérons que d’autres personnes seront inspirées à l’essayer également dans différents matériaux et pour d’autres applications. Grâce à notre technique de mesure, basée sur l’interférométrie spectrale et l’analyse par transformée de for, nous sommes en mesure de mesurer des indices de groupe supérieurs à 100 avec une configuration optique très simple. La technique de caractérisation de la cavité permet une caractérisation rapide, simple et non intrusive des propriétés spectrales des nano-cavités à cristaux photoniques, telles que la détermination du facteur de qualité du mos résonant.