Fabbricazione e caratterizzazione di guide d'onda fotoniche di cristallo di luce lenta e cavità

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di fabbricare e caratterizzare una guida o cavità d'onda di luce lenta in cristallo fotonico. Ciò si ottiene preparando prima il silicio sul chip isolante per la litografia a fascio di elettroni pulendo e rivestendo il chip con ZEP five 20 a resist. Il secondo passo consiste nell'esporre e sviluppare il modello di cristalli fotonici utilizzando la litografia a fascio di elettroni per la definizione del modello e lo xilene per lo sviluppo.

Quindi, trasferire il modello di cristallo fotonico nello strato superiore di silicio del chip incidendo al plasma il campione nell'incisore ionico reattivo. Il passaggio finale consiste nel rimuovere lo strato di ossido sepolto incidendo la silice in acido fluoridrico. Questo crea dispositivi a cristallo fotonico a membrana, in altre parole, dispositivi con aria sia sopra che sotto lo strato di cristallo fotonico di silicio.

In definitiva, il dispositivo è caratterizzato otticamente se il campione contiene guide d'onda di cristallo fotonico tra l'esperimento a luce lenta basato su interferometro se il campione è costituito da cavità di cristallo fotonico. Invece, per la caratterizzazione viene utilizzata una tecnica di diffusione della risonanza. L'obiettivo del nostro lavoro è studiare l'interazione luce-materia nelle nanostrutture fotoniche e realizzare nuovi dispositivi ed esplorare concetti interessanti in tali strutture.

Quindi, per concentrarci ed essere in grado di concentrarci davvero sulla fisica di questo lavoro, abbiamo bisogno di un protocollo di fabbricazione affidabile. Abbiamo sviluppato un protocollo basato su silicio su isolante, che troviamo molto affidabile e conveniente, e rendendo questo protocollo disponibile a una gamma più ampia di utenti e altri ricercatori, speriamo di stimolare una maggiore attività in questo settore. Per quanto riguarda la caratterizzazione della nostra lenta vita delle guide d'onda a cristallo Tory, la nostra tecnica si distingue per la sua semplicità e potenza in quanto non richiede componenti interferometrici on-chip o parti mobili.

Il vantaggio principale di questa tecnica di diffusione della risonanza rispetto ai metodi esistenti è che consente una caratterizzazione delle cavità dei cristalli fotonici e una disposizione fuori dal piano, che di solito richiederebbe una sorgente di luce interna Per iniziare, pulire un wafer di silicio su isolante mettendolo in un bagno ultrasonico di acetone per uno o due minuti. Quindi trasferire il campione in isopropanolo per 30 secondi per rimuovere eventuali residui di acetone e asciugarlo utilizzando una pistola ad azoto pulita e asciutta. Quindi, posizionare il wafer in uno spin coder e pipettare una quantità sufficiente di fotoresist CEP 5 28 per coprire completamente il campione.

Far girare il campione a 3.200 giri/min per 60 secondi per produrre un film spesso 350 nanometri. Togliete la cialda dallo spin coder e cuocete su una piastra calda a 180 gradi Celsius per 10 minuti. Una volta che il chip si è raffreddato, posizionarlo nella camera di esposizione del modello del sistema di litografia a fascio di elettroni e pomparlo quando è stato raggiunto il vuoto completo.

Impostare la tensione di accelerazione a 30 kilovolt e lasciare il sistema in equilibrio per un'ora. Quindi esporre il campione con una dose di area di 55 micro e commerciali per centimetro quadrato. Utilizzando una dimensione del passo di due nanometri.

Sviluppare il campione immergendolo in xilene a 23 gradi Celsius per 45 secondi. Quindi sciacquare via lo xilene residuo con isopropanolo. Dopo aver pulito la camera di incisione ionica reattiva, caricare il campione e pompare il sistema a meno di tre volte 10 rispetto al sei negativo.

Millibar Quindi precondizionare la camera facendo fluire il fluoruro e il fluoruro esaforico di zolfo in un rapporto uno a uno a 100 SECM e lasciare che i gas fluiscano per almeno 10 minuti. Quindi, imposta la potenza RF su 20 watt e accendi un plasma. Incidere il campione per circa due minuti, assicurandosi di mantenere una pressione della camera di cinque volte 10 fino a due milli bar negativi.

Quindi rimuovere il campione e pulirlo risciacquandolo. Nel 1165, rimuovere con agitazione ultrasonica per uno o due minuti, seguita da acetone e isopropanolo. Per iniziare l'isolamento della membrana, rivestire il campione con i microresist fotoresistenti sensibili ai raggi UV S 1818 G two.

Utilizzando una maschera fotografica appropriata. Definisci le finestre all'interno del resist sopra i modelli di cristalli fotonici utilizzando l'allineatore a maschera UV. Esporre il campione per circa 30-45 secondi.

Sviluppa il fotoresist nello sviluppatore micro posit MF 3 1 9 per 30-45 secondi. Risciacquo successivo e acqua deionizzata. Quindi, incidere il campione in una parte di acido fluoridrico in cinque parti di acqua deionizzata per 15 minuti.

Dopo l'incisione, sciacquare accuratamente il campione e deionizzare l'acqua. Rimuovere il fotoresist rimanente utilizzando l'acetone per cinque minuti o fino a quando il campione non appare pulito. Quindi risciacquare, isopropanolo e asciugare con azoto.

Quindi, pulire il campione in un bagno piana di tre parti di acido solforico e una parte di perossido di idrogeno per cinque minuti. Quindi sciacquare il campione in acqua deionizzata, acetone e isopropanolo. Infine, tagliare il campione facendo piccoli graffi su ciascun lato del chip che allinea i graffi con il bordo di un vetrino e premere per tagliare lungo le linee di graffio.

Al fine di misurare le curve di indice di trasmissione e di gruppo delle guide d'onda dei cristalli fotonici a luce lenta, impostare un sistema di rilevamento interferometrico mock zender mostrato qui, come descritto in dettaglio nel protocollo allegato. Quindi, inserire il chip in posizione e accoppiare la luce in una guida d'onda a cresta vuota. Regolare lo stadio di ritardo fino a quando la lunghezza del braccio di riferimento è inferiore a quella del braccio del campione.

Continuare a regolare lo stadio di ritardo e osservare la potenza trasmessa attraverso una pelle continua dell'analizzatore di spettro ottico. Regolare fino a quando non si osservano da quattro a 10 frange in un intervallo di lunghezze d'onda di 10 nanometri. Una volta regolata, mantenere la linea di ritardo fissa durante le misurazioni.

Quindi, calibrare la configurazione eseguendo tre scansioni della guida d'onda vuota sull'analizzatore di spettro ottico utilizzando una risoluzione da 0,05 a 0,1 nanometri. Una scansione per lo spettro di interferenza e una scansione per ciascuno dei due bracci separatamente. Registra ogni spettro misurato.

Quindi esegui le stesse tre scansioni su ciascuna guida d'onda di cristallo fotonico sul chip. Infine, calcolare la curva di trasmissione normalizzando lo spettro del campione di una guida d'onda a cristallo fotonico con quello della guida d'onda vuota. Inoltre, calcolare la curva dell'indice di gruppo dagli spettri di interferenza come descritto nel protocollo.

Iniziare montando il campione verticalmente con un orientamento di 45 gradi rispetto all'asse del polarizzatore su un microblocco XY e Z azionato in modo differenziale e regolare il microblocco in modo che il campione sia a fuoco e una cavità possa essere vista con la fotocamera utilizzando una sorgente di emissione spontanea amplificata. Allineare la trave con il centro della cavità. Quindi, avviare una scansione ampia con un carico a risoluzione moderata.

Al fine di identificare i picchi della cavità, ottenere la lunghezza d'onda di rotta della risonanza nella scansione ad emissione spontanea amplificata con una precisione di più o meno un nanometro. Una volta identificati i picchi della cavità, eseguire scansioni ad alta risoluzione con la sorgente laser sintonizzabile attenuata a livelli di micro watt. Scansione con una risoluzione di un pico metro per un intervallo di due nanometri centrato sulla lunghezza d'onda di risonanza precedentemente trovata.

Modificare la posizione XY, Z del microblocco ed eseguire nuovamente la scansione fino a quando il rapporto segnale/rumore non è massimizzato e la forma della linea è vicina a quella di un lian mostrato qui. L'incisione riuscita con il sistema di incisione ionica reattiva produce un campione con pareti laterali verticali e nessun allargamento dei fori su entrambe le superfici del silicio. Le impostazioni di pressione, potenza e tempo sono state ottimizzate per la creazione ideale della struttura.

Quando la pressione di incisione ionica reattiva è superiore a quella ottimale, l'aumento della pressione provoca un angolo nella parete del cristallo fotonico. L'aumento della potenza RF può anche causare irregolarità nel cristallo, come l'allargamento dei fori del cristallo fotonico mostrati a destra. Un tempo di esposizione eccessivo provoca una combinazione di effetti dovuti alla rottura del fotoresist con conseguente allargamento dei fori del cristallo fotonico e delle pareti laterali angolate.

Una guida d'onda vuota produce frange distribuite uniformemente su tutta la gamma di lunghezze d'onda. Quando il grezzo viene sostituito con una guida d'onda a cristallo fotonico a luce lenta progettata lunga 80 micrometri, le frange diventano più dense a lunghezze d'onda superiori a 1.575 nanometri, segnando la transizione dal regime di luce veloce a quello lento. Questo metodo fornisce indici di gruppo misurati in eccesso di 100 per una guida d'onda lunga 80 micrometri e quasi 90 per una guida lunga 300 micrometri.

Le scansioni ad alta risoluzione con una sorgente laser T Noble produrranno idealmente una forma della linea Lian per un'analisi accurata del fattore Q di 43.855 a una lunghezza d'onda di circa 1.562 nanometri. Il protocollo che abbiamo appena descritto è stato ottimizzato per guide d'onda e cavità di cristalli fotonici nell'importante gamma di lunghezze d'onda delle telecomunicazioni di 1550 nanometri. Chiaramente, possiamo realizzare anche altri tipi di guide d'onda altrettanto impegnative.

Possiamo anche farlo a diverse lunghezze d'onda e, fornendo tutti questi dettagli alla comunità, speriamo che altre persone siano ispirate a provarlo anche in materiali diversi e per altre applicazioni. Con la nostra tecnica di misurazione, basata sull'interferometria spettrale e sull'analisi delle trasformate di foer, siamo in grado di misurare indici di gruppo superiori a 100 con una configurazione ottica molto semplice. La tecnica di caratterizzazione delle cavità consente una caratterizzazione rapida, diretta e non intrusiva delle proprietà spettrali delle nanocavità dei cristalli fotonici, come la determinazione del fattore di qualità del mos risonante.