Name: Fabrication et caractérisation de guides dondes à cristal photonique lumière lente et les cavités (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-11-30T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 8 s
Description: Découvrez la fabrication et la caractérisation de guides d'ondes à cristal photonique lumière lente et cavités par lithographie électronique et gravure plasma. Cette méthode permet d'évaluer les performances des dispositifs photoniques membranaires.

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Les auteurs remercient le Dr Matteo Galli, le Dr Simone L. Portalupi et le professeur Lucio C. Andreani de l&#39;Université de Pavie pour des discussions utiles liées à la technique de RS et de l&#39;exécution des mesures.

Avertissement: Le protocole suivant donne un flux de processus général couvrant les techniques de fabrication et de caractérisation des guides d&#39;ondes à cristaux photoniques et des cavités. Le flux de processus est optimisé pour le matériel spécifique disponible dans notre laboratoire, et les paramètres peuvent être différents si les autres réactifs ou de l&#39;équipement est utilisé. 1. Préparation des échantillons <ol><li> Fendeuse de l&#39;échantillon - prendre le silicium sur isolant (SOI) plaquette et utiliser un scribe de diamant pour rayer une ligne d&#39;environ 1-2 mm de long à partir du bord de la surface de silicium, veiller à ce que la rayure s&#39;étend sur le bord de la plaquette. Aligner le zéro à un bord droit (par exemple celle d&#39;une lame de microscope) et appliquer une pression positive à deux côtés de la rayure: la plaquette clive le long du plan du cristal à l&#39;emplacement de zéro. Répétez cette procédure pour définir la puce entière. </li><li> Nettoyage de l&#39;échantillon - Lieu de l&#39;échantillon dans l&#39;acétone ATTENTION aide d&#39;une pincette unee nettoyer dans un bain à ultrasons pendant 1-2 min. Retirer l&#39;échantillon de l&#39;acétone, rincez toute l&#39;acétone restante de l&#39;échantillon en utilisant ATTENTION isopropanol (30 sec) (à la fois de l&#39;acétone et l&#39;isopropanol sont inflammables: utiliser une bonne ventilation et éviter toute source d&#39;inflammation). Sécher l&#39;échantillon à l&#39;aide d&#39;un pistolet d&#39;azote propre et sec. </li><li> Spin résister - placer l&#39;échantillon sur le spin-coater. Pipette électronique sensible résister ATTENTION ZEP520A (ZEP520A est inflammable, nocif par inhalation et par contact avec la peau et les yeux doit être évité) sur l&#39;échantillon - utilisé suffisamment de résister à recouvrir complètement l&#39;échantillon sans résister circulant sur le bord. Faire tourner l&#39;échantillon de manière à donner une env. 350 nm d&#39;épaisseur de film et cuire au four sur une plaque chauffante à 180 ° C pendant 10 min. Nous avons trouvé cette épaisseur à l&#39;épaisseur optimale qui concilie résolution et résistance à la gravure (voir plus loin). </li></ol> 2. Définition de modèle <ol><li> Design - utilisant un logiciel approprié, simuler le mode de cristal photonique requis. Un engourdissementer des logiciels utiles sont disponibles, y compris, mais sans s&#39;y limiter: MIT bandes photoniques (DPP), double alternance (Rsoft), Propagation MIT équation électromagnétique (MEEP). </li><li> Génération de modèle - créer les fichiers d&#39;exposition (format gds en général) et les erreurs de proximité réalisé avec un logiciel approprié 30. </li><li> L&#39;exposition Pattern - charger l&#39;échantillon dans la chambre du système de lithographie par faisceau d&#39;électrons (LEO 1530 / Raith Elphy) et tirage au vide. Une fois vide a été réalisé, allumez l&#39;alimentation et l&#39;ISE fixé à 30 kV. Laisser le système dans cet état pendant 1 heure pour permettre à l&#39;échantillon, le stade et la chambre pour atteindre une température d&#39;équilibre. Mise en place de l&#39;exposition, comme indiqué dans le manuel utilisateur de votre système d&#39;électrons lithographie spécifique faisceau. Exposer l&#39;échantillon en utilisant une taille de pas de base appropriée (par exemple, 2 nm) (ce qui est la taille de pixel minimale que le système peut exposer), un temps d&#39;établissement d&#39;au moins 1 ms (ce qui est le temps d&#39;attente du système entre le déplacement du faisceau d&#39;exposition etla partie particulière de la structure), et une dose de 55 μAcm zone -2. </li><li> Développement de l&#39;échantillon - en utilisant Xylène ATTENTION (Xylène est à la fois le travail inflammable et très toxique dans un endroit bien ventilé à l&#39;écart des sources d&#39;ignition et éviter tout contact avec la peau et les yeux) à une température de 23 ° C développer l&#39;échantillon pendant 45 sec. Rincer dans de l&#39;isopropanol. </li></ol> 3. Patten transfert <ol><li> RIE Chambre Nettoyage - Régler les débits d&#39;argon et d&#39;hydrogène à 200 sccm. Diminuer la bande passante de la pompe, par l&#39;intermédiaire d&#39;une vanne papillon, pour obtenir la pression de chambre de 1 × 10 -1 mbar. Réglez la puissance RF de 100 W, allumer le plasma et fonctionner pendant au moins 10 minutes - une polarisation continue d&#39;environ 700 V doivent être respectées. Après l&#39;arrêt de l&#39;Ar / H 2 plasma, permettre à la chambre de la pompe pendant environ 1 min. Régler le débit de l&#39;oxygène dans la chambre à 200 sccm et à nouveau étrangler la pression de la chambre vers le bas à 1 × 10 -1 mbar. Ignite un second plasmade l&#39;oxygène avec une puissance de 100 W et une durée de 5 min. Après ces procédures, la chambre va être exempt de contaminants, tels que les résidus de polymère, de toute gravure précédente sèche. Nous effectuons cette procédure avant chaque changement de formule d&#39;attaque pour assurer une répétabilité maximale. Cette procédure est optimisé pour le système qui est constitué d&#39;une plaque parallèle, cathode chargée, RIE, avec une chambre principale de 12 pouces de diamètre par 14 cm de hauteur, dont un orifice 12 cm avec vanne d&#39;étranglement et les deux turbo-moléculaire pompe fixée. </li><li> Gravure de cristal photonique - charger l&#39;échantillon dans la chambre principale et RIE pomper le système jusqu&#39;à une pression de fond &lt;3 × 10 -6 mbar pour assurer la chambre est exempte de vapeur d&#39;eau. Commencer la gravure par pré-conditionnement, la chambre avec les gaz de gravure (à savoir CHF 3 et SF 6): régler le débit de gaz à la fois 100 sccm (c.-à régler un rapport de gaz de 1:1) et en utilisant le gaz de la chambre de ramener pression de 5 × 10 <sjusqu&#39;à&gt; -2 mbar; permettre aux gaz de s&#39;écouler pendant au moins 10 min. Après le pré-conditionnement, régler la puissance RF à environ 20 W et allumer un plasma; gravure de l&#39;échantillon pendant environ 2 min (la vitesse de gravure du silicium pour ces paramètres de gravure est d&#39;environ 150 nm / min), tout en veillant à ce que la pression dans la chambre de 5 × 10 -2 mbar est maintenue. Une polarisation continue entre 200-220 V doit être réalisée tout au long de la période de gravure. </li><li> Exemple de nettoyage pour enlever les électrons de laque sensible - après gravure sèche, nettoyer l&#39;échantillon par un rinçage à l&#39;ATTENTION Remover 1165 (1165 est inflammable et peut causer une irritation des yeux, du nez et des voies respiratoires des voies) avec agitation ultrasonique pendant 1-2 min, suivi par de l&#39;acétone et l&#39;isopropanol comme il est indiqué ci-dessus (étape 1.2). </li><li> Isolation Membrane - spin-coat de l&#39;échantillon avec photo sensible aux UV résister ATTENTION Microposit S1818 G2 (S1818 G2 est à la fois inflammables et provoque une irritation des yeux, du nez et des voies respiratoires des voies) (voir l&#39;étape 1.3). L&#39;utilisation d&#39;un CRÉDITSe photomasque, définir des fenêtres à l&#39;intérieur de la réserve au-dessus des modèles de cristaux photoniques en utilisant le dispositif d&#39;alignement de masque UV. Exposer l&#39;échantillon pendant environ 30-45 secondes. Développer la résistance à Microposit ATTENTION développeur MF-319 (MF-319 est un liquide alcalin et peut causer une irritation des yeux, du nez et des voies respiratoires des voies) pendant 30-45 secondes, rincer ensuite dans de l&#39;eau déminéralisée. Préparer un récipient en plastique avec un mélange d&#39;acide fluorhydrique ATTENTION 01:05 (1,1499 g / ml 48-51% HF) (HF est extrêmement corrosif et facilement détruit les tissus, lors de la manipulation d&#39;utiliser un équipement complet de protection individuelle prévus pour HF) pour dé-ionisée de l&#39;eau. Notez que pour des raisons de sécurité seulement gobelets en plastique et pinces doivent être utilisées avec de l&#39;acide fluorhydrique. Immerger l&#39;échantillon dans le mélange d&#39;acide fluorhydrique pendant 15 min. Après le décapage, rincer soigneusement l&#39;échantillon dans de l&#39;eau déminéralisée. Retirez le restant de résine photosensible avec de l&#39;acétone et l&#39;isopropanol (voir l&#39;étape 1.2) - à partir de ce stade et suivantes agitation ultrasonique peut pas être utilisé. Pour s&#39;assurer que l&#39;échantillonest aussi propre que possible, suivre l&#39;acétone et l&#39;isopropanol lavage avec une solution de rinçage dans une solution Piranha ATTENTION (solution Piranha est très énergique, est potentiellement explosive et attaque les matériaux organiques, lors de la manipulation d&#39;utiliser un équipement complet de protection individuelle) (3:1 ATTENTION acide sulfurique (acide sulfurique l&#39;acide est corrosif et très toxique, lors de la manipulation des équipements de protection et éviter d&#39;inhaler les vapeurs ou les brouillards) ATTENTION à l&#39;eau oxygénée (peroxyde d&#39;hydrogène est très dangereux en cas de contact avec la peau et les yeux, lors de la manipulation des équipements de protection)) pendant 5 min , puis rincer l&#39;échantillon dans de l&#39;eau désionisée, de l&#39;acétone et l&#39;isopropanol. Notez que pour des raisons de sécurité béchers en verre et des pinces métalliques seulement doit être utilisé avec la solution Piranha. Comme solution Piranha peut exploser au contact avec de l&#39;acétone ou de l&#39;isopropanol, il doit être manipulé loin de ces réactifs. </li><li> Fendeuse Facet - si la préparation d&#39;un cristal photonique lente lumière guide d&#39;ondes, l&#39;échantillon nécessite clivage facette. Cliver la sample en suivant la même procédure que celle décrite dans l&#39;étape 1.1, sauf qu&#39;une aussi petite que possible de zéro doit être utilisé. Une puce SOI avec le substrat ~ um d&#39;épaisseur 700 peut être clivée de manière fiable à 4-5 mm de long échantillons. </li></ol> 4. Caractérisation photonique Cristal guide d&#39;ondes lentes lumière <ol><li> Préparation préliminaire de la configuration - branchez la sortie d&#39;une large bande ATTENTION émission spontanée amplifiée (ASE) source de lumière (rayonnement infrarouge invisible: éviter d&#39;inutiles puissances élevées, couvrir trajectoire du faisceau si possible) pour un séparateur fibre 3 dB et l&#39;utilisation de chacune des sorties de coupler la lumière dans les deux bras d&#39;un espace libre de Mach-Zehnder interferometeter (MZI), comme représenté sur la figure 9. Utiliser des lentilles asphériques pour collimater la lumière émise par les fibres. Dans l&#39;un des bras de l&#39;interféromètre, d&#39;utiliser deux autres lentilles asphériques pour coupler le faisceau de lumière et de sortie de la puce de l&#39;échantillon. Placez un faisceau de polarisation (PBS) dans le bras échantillon à TE-polarisent le light saisie de l&#39;échantillon. Utilisez lentilles asphériques pour coupler les faisceaux de sortie collimatés des deux bras en arrière dans une seconde 3 dB séparateur de fibres, où ils se recombinent. Connecter l&#39;une des sorties à un détecteur à infrarouge et en utilisant la lecture du détecteur de maximiser le couplage de la lumière dans l&#39;échantillon; raccorder l&#39;autre sortie à un analyseur de spectre optique (OSA). Les deux branches de l&#39;MZI doivent avoir à peu près la même longueur optique lorsqu&#39;il est en présence de l&#39;échantillon: faire en sorte que les fibres dans les deux branches de l&#39;MZI ont la même longueur nominale et comprennent un étage à retard variable dans le bras de référence pour permettre pour le réglage fin de la longueur. Dans le bras de l&#39;échantillon, monter les lentilles asphériques sur les scènes de précision xyz pour obtenir le meilleur couplage dans l&#39;échantillon. </li><li> Ajuster la longueur du bras de référence - coupler le faisceau de lumière à un guide d&#39;ondes nervuré (c&#39;est à dire sans cristal photonique) blanc (de même type que l&#39;accès guides d&#39;ondes de lumière qui avance à l&#39;intérieur des cristaux photoniques) wiamincir la même puce dans le bras échantillon. Effectuez un balayage continu sur le SAOS et d&#39;observer les spectres de longueur d&#39;onde mesurée. Si les deux bras de la MZI ont à peu près la même longueur optique, les franges présentent des spectres dus aux interférences constructives et destructives; ces franges n&#39;apparaîtra pas si les bras du MZI sont très différentes longueurs optiques (&gt; ~ cm). L&#39;espacement des franges est inversement proportionnelle à la différence de longueur de chemin optique entre les deux bras. Déplacez l&#39;étage de retard pour faire le bras de référence plus courte et d&#39;observer les franges de l&#39;OSA: si elles deviennent plus denses (moins dense), le bras de référence est plus courte (plus) que dans le bras échantillon. Réglez l&#39;étage de retard afin de s&#39;assurer que le bras de référence est plus court que le bras de l&#39;échantillon et les résultats dans un écartement des franges d&#39;environ 5 à 10 franges dans une gamme de longueur d&#39;onde de 10 nm (voir figure 10a). Enfin, effectuer cette optimisation sur le périphérique qui fournit le retard maximum, puis maintenir le délai fixé dans toute la mesurede l&#39;ensemble de l&#39;échantillon. </li><li> Exécuter l&#39;étalonnage - tout aligné sur le guide d&#39;ondes vide, exécuter trois balayages sur l&#39;OSA: une analyse du spectre d&#39;interférence et une analyse de chacun des deux bras séparément (obtenu en bloquant l&#39;autre bras). Utilisez une résolution de 0,05-0,1 nm. Enregistrer chaque spectre mesuré. </li><li> Lente acquisition lumière des données - de fonctionner et d&#39;enregistrer trois spectres comme à l&#39;étape 4.3 pour chaque guide d&#39;onde à cristaux photoniques sur la puce. </li><li> Fourier analyse des données - le spectre d&#39;interférence (interférogramme) I (ω) s&#39;exprime mathématiquement par: I (ω) = S (ω) + R (ω) + sqrt [S (ω) R (ω)] {exp [iΦ (ω) - iωτ] +} cc, où S (ω) et R (ω) sont les densités spectrales mesurées séparément à partir de l&#39;échantillon de référence et les bras, respectivement. Le retard τ est définie par la position de l&#39;étage de retard dans le bras de référence. L&#39;information sur la dispersion du guide d&#39;ondes à cristal photonique est contenu dans la phaseterme, que nous devons extraire les données mesurées. Soustraire le fond non interférant S (ω) + R (ω) à partir de l&#39;interférogramme d&#39;isoler uniquement le terme d&#39;interférence. Calculer la transformée de Fourier de la durée interférer: le terme sqrt (SR) exp [i (Φ-ωτ)] et de son conjugué complexe correspondent à des pics centrés à t = τ et t =-τ, respectivement. Filtrer numériquement l&#39;un des deux termes et transformer de nouveau dans le domaine fréquentiel. Différencier la phase Φ (ω) - ωτ des données résultantes par rapport aux ω pour obtenir Δτ g, la différence de retard de groupe entre les deux bras. Le groupe d&#39;index n g = c / v g, avec g v la vitesse de groupe, est donnée par: n = g (Δτ g PhC - Δτ cal g) c / L + n cal, où Δτ cal g est obtenue à partir des données d&#39;étalonnage prises enom le guide d&#39;ondes vide, L est la longueur de guide d&#39;ondes à cristal photonique et n = 2,7 cal est l&#39;indice effectif du guide d&#39;ondes nervuré référence. La contribution à la temporisation des divers éléments optiques de l&#39;installation est prise en compte dans la course de calibrage, et est donc soustrait à cette étape. </li></ol><ol start="6"><li> Courbe de transmission - calculer la courbe de transmission en normalisant le spectre de l&#39;échantillon d&#39;un guide d&#39;ondes à cristal photonique à celle de l&#39;ébauche de guide d&#39;ondes. </li></ol> 5. Caractérisation cavité à cristal photonique <ol><li> Installation - la préparation de l&#39;installation (figure 14) pour RS comprend: la commutation de l&#39;élément échangeable vers le diviseur de faisceau polarisant; insérer un polariseur dans la branche d&#39;entrée et un analyseur dans le bras de sortie; retourner un miroir dans le bras de sonde afin de permettre l&#39;utilisation d&#39;une source proche de l&#39;infrarouge; permettre l&#39;illumination de l&#39;échantillon. Monter l&#39;échantillon verticalement avec une orientation de 45 ° à l&#39;axedu polariseur (Figure 18) sur un différentiel entraîné xyz micro-bloquer et régler le bloc micro-afin que l&#39;échantillon est mis au point et une cavité peut être vu avec la caméra, comme dans la Figure 15 (à gauche). En utilisant une émission spontanée amplifiée (ASE) de source, d&#39;aligner le faisceau avec le centre de la figure 15 cavité (droite). Retournez loin le miroir éclairage et permettre au bras de sortie pour entrer dans le spectromètre (monochromateur avec détecteur à barrette ci-joint). Lancer un scan large avec une résolution faible à modéré afin d&#39;identifier les pics cavité. Obtenir la longueur d&#39;onde approximative de la résonance dans le balayage ASE (figure 16a) avec une précision de 1 nm. Il est également possible d&#39;acquérir le scan large avec une source laser accordable ATTENTION (TLS) (figure 16b) (rayonnement infrarouge invisible: éviter d&#39;inutiles puissances élevées, couvrir trajectoire du faisceau si possible). Il faut veiller à ce que la résolution est réglée sur la valeur la plus élevée pouréchantillonner les lignes d&#39;une largeur de chaque pic. </li><li> Effectuer des balayages haute définition sur les pics identifiés - relier les TLS à la branche d&#39;entrée et atténuer le faisceau à un niveau mW. Préparez-vous pour le balayage à haute résolution en permettant au bras de sortie à percevoir par le photodétecteur et la mise en place d&#39;un balayage balayage continu avec une résolution de 1 h pour une plage de 2 nm centré à la longueur d&#39;onde de résonance trouvée précédemment. L&#39;importance de cette étape est d&#39;améliorer le rapport signal-sur-bruit (SNR) dans le but d&#39;obtenir une lorentzienne ligne en forme de résonance: changer la position xyz du bloc de micro-et relancez le scan jusqu&#39;à ce que le SNR est maximisé et la ligne en forme est proche de celle d&#39;une lorentzienne, comme indiqué dans l&#39;article résultat représentatif. </li></ol>

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<li>Galli, M., Portalupi, S. L., Belotti, M., Andreani, L. C., O'Faolain, L., Krauss, T. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Light+scattering+and+Fano+resonances+in+high-Q+photonic+crystal+nanocavities%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Light scattering and Fano resonances in high-Q photonic crystal nanocavities.</a> Appl. Phys. Lett. 94 (7), 71101(2009).</li>
<li>WÃest, R., Strasser, P., Jungo, M., Robin, F., Erni, D., Jückel, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+efficient+proximity-effect+correction+method+for+electron-beam+patterning+of+photonic-crystal+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Microelectron+Eng%22%5BJournal%5D)">An efficient proximity-effect correction method for electron-beam patterning of photonic-crystal devices.</a> Microelectron Eng. 67-68, 182-188 (2003).</li>
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<li>Li, J., White, T. P., O'Faolain, L., Gomez-Iglesias, A., Krauss, T. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Systematic+design+of+flat+band+slow+light+in+photonic+crystal+waveguides%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Systematic design of flat band slow light in photonic crystal waveguides.</a> Opt. Express. 16 (9), 6227-6232 (2008).</li>
<li>Takeda, M., Ina, H., Kobayashi, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fourier-transform+method+of+fringe-pattern+analysis+for+computer-based+topography+and+interferometry%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Opt.+Soc.+Am%22%5BJournal%5D)">Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry.</a> J. Opt. Soc. Am. 72 (1), 156-160 (1982).</li>
</ol>

Aucun conflit d&#39;intérêt déclaré.

Exemple de fabrication Notre choix de résister à faisceau d&#39;électrons (c.-à-ZEP 520A) est due à sa résolution élevée et simultanément résistance à la gravure. Nous croyons que 520A ZEP peut être affectée par la lumière ultraviolette émise par des feux de laboratoire généraux, à ce titre, nous vous recommandons de placer spin-enduites échantillons dans des récipients opaques aux UV tout en les déplaçant d&#39;un laboratoire à un autre. Déplacement sur la...

<table><tbody><tr><td>Acétone</td><td>Fisher Scientific</td><td>A/0520/17</td><td>ATTENTION : inflammable, utilisez une bonne ventilation et évitez toutes les sources d’inflammation.</td></tr><tr><td>Isopropanol</td><td>Fisher Scientific</td><td>P/7500/15</td><td>ATTENTION : inflammable, utilisez une bonne ventilation et évitez toutes les sources d’inflammation.</td></tr><tr><td>Electron Beam resist</td><td>Marubeni Europe plc.</td><td>ZEP520A</td><td>ATTENTION : inflammable, nocif par inhalation, éviter le contact avec la peau et les yeux.</td></tr><tr><td>Xylene</td><td>Fisher Scientific</td><td>X/0100/17</td><td>ATTENTION : inflammable et hautement toxique, utiliser une bonne ventilation, éviter toute source d’inflammation, éviter le contact avec la peau et les yeux.</td></tr><tr><td>Microposit S1818 G2</td><td>Chestech Ltd.</td><td>10277866</td><td>ATTENTION : inflammable et provoque une irritation des yeux, du nez et des voies respiratoires.</td></tr><tr><td>Microposit Developer MF-319</td><td>Chestech Ltd.</td><td>10058721</td><td><fort>ATTENTION : liquide alcalin et peut provoquer une irritation des yeux, du nez et des voies respiratoires.Acide fluorhydrique </fort></td></tr><tr><td>Acide fluorhydrique</td><td>Fisher Scientific</td><td>22333-5000</td><td>ATTENTION : extrêmement corrosif, détruit facilement les tissus ; manipuler avec un équipement de protection individuelle complet classé pour HF.</td></tr><tr><td>Microposit 1165 Remover</td><td>Chestech Ltd.</td><td>10058734</td><td>ATTENTION : inflammable et provoque une irritation des yeux, du nez et des voies respiratoires.</td></tr><tr><td>Acide sulfurique</td><td>Fisher Scientific</td><td>S/9120/PB17</td><td>ATTENTION : corrosif et très toxique ; manipuler avec un équipement de protection individuelle et éviter l’inhalation de vapeurs ou de brouillards.</td></tr><tr><td>Hydrogen Peroxide</td><td>Fisher Scientific</td><td>BPE2633-500</td><td><fort>ATTENTION : très dangereux en cas de contact avec la peau et les yeux ; poignée avec équipement de protection individuelle.</td></tr><tr><td colspan="4">Equipment</td></tr><tr><td>Silicon-on-Insulator wafer</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>Lames de microscope</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB58622</td><td></td></tr><tr><td>Béchers</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB33109</td><td></td></tr><tr><td>pinces à épiler</td><td>SPI Supplies</td><td>PT006-AB</td><td></td></tr><tr><td>Bain à ultrasons</td><td>Camlab</td><td>1161436</td><td></td></tr><tr><td>Spin-Coater</td><td>Electronic Micro Systems Ltd.</td><td>Pipette EMS 4000</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Fisher Scientific</td><td>FB55343</td><td></td></tr><tr><td>Système de lithographie par faisceau d’électrons</td><td>Raith Gmbh</td> Système de gravure ionique réactive <td>Raith 150</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Conçu en interne</td> <td>-</td><td></td></tr> <tr><td>Aligneur de masque UV</td> conçu en interne <td>Karl Suss</td><td>MJB-3</td><td></td></tr><tr><td>Source ASE</td><td>Amonics</td><td>ALS-CL-15-B-FA</td><<td>strong>ATTENTION : rayonnement IR invisible.</td></tr><tr><td>Fibres monomodes</td><td>Thorlabs</td><td>P1-SMF28E-FC-2</td><td></td></tr><tr><td>Répartiteurs de fibres 3 dB</td><td>Thorlabs</td><td>C-WD-AL-50-H-2210-35-FC/FC</td><td></td></tr><tr><td>Lentilles asphériques</td><td>New Focus</td><td>5720-C</td><td></td></tr><tr><td>Platine XYZ</td><td>Melles Griot</td><td>17AMB003/MD</td><td></td></tr><tr><td>Séparateur de faisceau polarisant Cube</td><td>Thorlabs</td><td>PBS104</td><td></td></tr><tr><td>Détecteur IR</td><td>New Focus</td><td>2033</td><td></td></tr><tr><td>100&#215 ; Objectif</td><td>Oscilloscope Nikon</td><td>BD Plan 100x</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Tektronix</td><td>TDS1001B</td><td></td></tr><tr><td>Analyseur de spectre optique</td><td>Advantest</td><td>Q8384</td><td></td></tr><tr><td>Carte de capteur IR</td><td>Newport</td><td>F-IRC2</td><td></td></tr><tr><td>Source TLS</td><td>Agilent</td><td>81940A</td><td>ATTENTION : rayonnement IR invisible.</td></tr><tr><td>IR Caméra</td><td>Electrophysique</td><td>7290A</td><td></td></tr><tr><td>Détecteur IR</td><td>New Focus</td><td>2153</td><td></td></tr><tr><td>Multimètre numérique</td><td>Agilent</td><td>34401A</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Éclairage Stocker Yale</td><td>Lite Mite</td><td></td></tr><tr><td>Monochromateur</td><td>Produits Spectral Products</td><td>DK480</td><td></td></tr><tr><td>Détecteur de réseau</td><td>Andor</td><td>DU490A-1.7</td><td></td></tr><tr><td>GIF Fibre</td><td>Thorlabs</td><td>Référence 31L02</td><td></td></tr></tbody></table>

fabrication et caractérisation de guides d&#39;ondes à cristal photonique lumière lente et les cavités

Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Lumière lente a été l&#39;un des sujets chauds de la communauté de la photonique dans la dernière décennie, suscitent beaucoup d&#39;intérêt tant d&#39;un point de vue fondamental et pour son potentiel considérable pour des applications pratiques. Lents lumière guides d&#39;ondes à cristaux photoniques, en particulier, ont joué un rôle majeur et ont été utilisés avec succès pour retarder les signaux optiques 1-4 et la mise en valeur de ces deux dispositifs linéaires et non linéaires 5-7 8-11. Cavités à cristaux photoniques obtenir des effets similaires à ceux de guides d&#39;ondes lumineuses lents, mais sur une réduction de la bande passante. Ces cavités offrent ratio élevé Q-factor/volume, pour la réalisation de 12 et optiquement pompé électriquement 13 lasers seuils très faibles et l&#39;amélioration des effets non linéaires. 14-16 De plus, les filtres passifs 17 et 18-19 modulateurs ont été démontrés, présentant ultra-étroite largeur de raie, grande spectrale libre rvaleurs ange et l&#39;enregistrement de faible consommation d&#39;énergie. Pour atteindre ces résultats passionnants, un protocole de fabrication robuste reproductible doit être développée. Dans cet article, nous jeter un regard en profondeur sur notre protocole de fabrication qui emploie lithographie électronique pour la définition des modèles de cristaux photoniques et utilise des techniques de gravure sèche et humide. Nos résultats optimisés recette de fabrication de cristaux photoniques qui ne souffrent pas d&#39;asymétrie verticale et présentent une très bonne rugosité des bords mur. Nous discutons les résultats de la variation des paramètres de gravure et les effets néfastes qu&#39;ils peuvent avoir sur un dispositif, conduisant à une route de diagnostic qui peuvent être prises pour identifier et éliminer les problèmes similaires. La clé de l&#39;évaluation de guides de lumière lente est la caractérisation passive de transmission et les spectres d&#39;index du groupe. Diverses méthodes ont été signalés, en particulier la résolution des franges de Fabry-Perot du spectre de transmission d&#39;un 20-21techniques d interférométriques. 22-25 Nous décrivons ici un lien direct, technique de mesure à large bande combinant interférométrie spectrale à transformée de Fourier analyse. 26 Notre méthode se distingue par sa simplicité et sa puissance, que nous pouvons caractériser un cristal photonique nue avec des guides d&#39;ondes d&#39;accès, sans besoin de pour des composantes d&#39;interférence sur la puce, et l&#39;installation ne se compose que d&#39;un interféromètre de Mach-Zehnder, sans avoir besoin de pièces mobiles et les balayages de retard. Lors de la caractérisation des cavités à cristaux photoniques, des techniques impliquant des sources internes 21 ou guides d&#39;ondes externes directement couplé à la cavité 27 impact sur ​​la performance de la cavité elle-même, ce qui fausse la mesure. Ici, on décrit une technique nouvelle et non intrusif qui rend l&#39;utilisation d&#39;un faisceau sonde à polarisation croisée et que l&#39;on appelle diffusion résonante (RS), où la sonde est couplée hors du plan dans la cavité à travers un objectif. La technique a été la première démonstrationted par McCutcheon et coll. 28 et développé par Galli et al 29.

Échantillons fabriqués
Figure 1 montre une image au microscope électronique à balayage (MEB) d'un motif exposé et révélé dans une résine sensible aux électrons ; on constate, d'après le bord « net » entre la résine et le substrat en silicium, que l'exposition et le développement sont complets. L'exposition de motifs tests de dose, composés de formes simples répétées (dans notre cas, des carrés de 50 × 50 μm), chacun avec une dose de base différente, permet de déterminer le facte...

Utilisation des guides d&#39;ondes à cristal photonique de lumière lente et des cavités a été largement adopté par la communauté de la photonique dans de nombreuses applications différentes. Par conséquent fabrication et la caractérisation de ces dispositifs sont d&#39;un grand intérêt. Le présent document décrit notre technique de fabrication et deux méthodes de caractérisation optiques, à savoir: diffusion interférométrique (guides) et de résonance (cavités).

Fabrication et caractérisation de guides d&#39;ondes à cristal photonique lumière lente et les cavités

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 ...

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.

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