Fabricage en karakterisering van fotonische kristallen Slow lichtgolfgeleiders en holtes

Christopher Paul Reardon; Isabella H. Rey; Karl Welna; Liam O'Faolain; Thomas F. Krauss

doi:10.3791/50216

Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Fabricage en karakterisering van fotonische kristallen Slow lichtgolfgeleiders en holtes

18.9K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/50216

⸱

30 november 2012

Christopher Paul Reardon¹ , Isabella H. Rey¹ , Karl Welna¹ , Liam O'Faolain¹ , Thomas F. Krauss¹

¹School of Physics & Astronomy, University of St Andrews

In dit artikel

Samenvatting

Gebruik van fotonisch kristal langzaam licht golfgeleiders en holtes is op grote schaal door de fotonica gemeenschap in veel verschillende toepassingen. Daarom fabricage en karakterisering van deze apparaten zijn van groot belang. Dit document schetst onze fabricage techniek en twee optische karakterisatie methoden, te weten: interferometrische (golfgeleiders) en resonante verstrooiing (holten).

Samenvatting

Slow licht is een van de hot topics in de fotonica gemeenschap in de afgelopen tien jaar, het genereren van grote belangstelling zowel vanuit fundamenteel oogpunt en voor zijn grote mogelijkheden voor praktische toepassingen. Slow licht fotonisch kristal golfgeleiders, in het bijzonder, hebben een belangrijke rol gespeeld en zijn met succes gebruikt voor het uitstellen van optische signalen ^1-4 en de verbetering van zowel lineaire ^5-7 en niet-lineaire apparaten. ^{8 tot 11}

Fotonisch kristal holtes te bereiken vergelijkbare effecten als die van langzame lichtgolfgeleiders, maar over een beperkte bandbreedte. Deze holtes bieden een hoge Q-factor/volume verhouding, voor de realisatie van optisch ¹² en elektrisch ¹³ gepompt ultra-lage drempel lasers en de versterking van de niet-lineaire effecten. ^{Veertien-zestien} Bovendien passieve filters ¹⁷ en modulatoren ^{18 tot 19} zijn aangetoond, vertonen ultra-smalle lijn-breedte, hoge vrije-spectrale range en opnemen waarden van een laag energieverbruik.

Om deze spannende resultaten te bereiken, moet een robuuste herhaalbaar fabricage-protocol worden ontwikkeld. In dit artikel nemen we een diepgaande blik op onze fabricage-protocol dat electron-beam lithografie hanteert voor de definitie van fotonisch kristal patronen en maakt gebruik van natte en droge etstechnieken. Onze geoptimaliseerde fabricage recept resulteert in fotonische kristallen die geen last hebben van verticale asymmetrie en vertonen zeer goede rand-wandruwheid. We bespreken de resultaten van het variëren van de parameters etsen en de nadelige gevolgen die zij kunnen hebben op een apparaat, waardoor een diagnostisch route die kunnen worden genomen om voorzover vergelijkbare problemen.

De sleutel tot het evalueren van trage lichtgolfgeleiders is de passieve karakterisering van de transmissie en de groep-index spectra. Verschillende methoden zijn gemeld, met name oplossing van de Fabry-Perot rand van het transmissiespectrum ^20-21 eend interferometrische technieken. ^{tweeëntwintig-vijfentwintig} We beschrijven hier een directe, breedband meettechniek te combineren spectrale interferometrie met Fourier transformatie-analyse. ²⁶ Onze methode onderscheidt zich door zijn eenvoud en kracht, als we kunnen karakteriseren een kale fotonisch kristal met toegang golfgeleiders, zonder behoefte voor on-chip stoorcomponenten en de installatie slechts uit een Mach-Zehnder interferometer, zonder de noodzaak van bewegende delen en vertraging scans.

Als kenmerkende fotonisch kristal holten, technieken met interne of externe bronnen ²¹ golfgeleiders rechtstreeks gekoppeld met de holte ²⁷ invloed op de prestaties van de ruimte zelf, waardoor een onjuist meting. Hier beschrijven we een nieuwe en onopvallende techniek die gebruik van een cross-gepolariseerde testbundel maakt en staat bekend als resonante verstrooiing (RS), waarbij de probe gekoppeld out-of vliegtuig in de holte door een objectief. De techniek werd voor het eerst demonstratieted door McCutcheon ea. ²⁸ en verder ontwikkeld door Galli et al. ^29.

Protocol

Disclaimer: Het volgende protocol geeft een algemeen proces flow met betrekking tot de fabricage en karakterisering technieken voor fotonische kristal golfgeleiders en holtes. De processtroom is geoptimaliseerd voor de specifieke apparatuur in ons laboratorium en parameters kunnen verschillen als andere reagentia of apparatuur wordt gebruikt.

1. Monstervoorbereiding

Sample splijtmachine - nemen de silicium-op-isolator (SOI) wafer en gebruik een diamant schrijver een lijn ongeveer 1-2 mm vanaf de rand van het silicium krassen, zodat de kras uitstrekt over de rand van de wafer. Lijn de kras op een rechte rand (bijvoorbeeld die van een microscoop dia) en zelfs van toepassing positieve druk aan beide zijden van de kras: de wafer zal klieven langs het kristal vliegtuig op de scratch locatie. Herhaal deze procedure om de hele chip te definiëren.
Voorbeeld Reiniging - Plaats het monster in de LET aceton met een pincet eennd reinigen in een ultrasoon bad gedurende 1-2 min. Neem het monster uit de aceton; eventuele restjes aceton uit het monster met behulp van LET isopropanol (30 sec) (beide aceton en isopropanol zijn brandbaar: gebruik een goede ventilatie en vermijd alle ontstekingsbronnen). Droog het monster met een schone droge stikstof pistool.
Spin weerstaan - zet het monster op de spin-coater. Pipetteer elektron gevoelige weerstaan LET ZEP520A (ZEP520A is ontvlambaar, schadelijk bij inademing en aanraking met de huid en ogen dient vermeden te worden) op het monster - gebruik genoeg weerstaan om volledig te bedekken het monster zonder de weerstand stroomt over de rand. Draai het monster wordt gesorteerd zodat een ca. geven. 350 nm dikke film en bakken op een hete plaat bij 180 ° C gedurende 10 minuten. We vonden deze dikte de optimale dikte die resolutie en etch weerstand in evenwicht (zie later) zijn.

2. Patroon Definitie

Design - met behulp van de juiste software, simuleren de vereiste fotonisch kristal patroon. Een gevoellooser van nuttige software pakketten zijn beschikbaar, met inbegrip van maar niet beperkt tot: MIT Photonic Bands (MPB), FullWAVE (Rsoft), MIT Elektromagnetische Vergelijking Propagation (MEEP).
Pattern Generation - maak de belichting bestanden (GDS-formaat in het algemeen) en de nabijheid fout ingesteld met behulp van de juiste software ^30.
Patroon Belichting - laden van het monster in de kamer van de elektronenstraal lithografie systeem (LEO 1530 / Raith Elphy) en pomp naar beneden. Zodra vacuüm is bereikt, schakelt de EHT aanbod en ingesteld op 30 kV. Laat het systeem in deze toestand gedurende 1 uur om het monster podium en kamer naar een evenwichtstemperatuur bereiken. Set-up van de blootstelling, zoals aangegeven in de gebruikershandleiding van uw specifieke electron beam lithografie systeem. Bloot het monster met een geschikte basis stapgrootte (bijv. 2 nm) (dit is de minimale pixelgrootte dat het systeem bloot), een insteltijd van ten minste 1 ms (dit is de tijd tussen het systeem wacht bewegen van de balk en blootde bijzondere gedeelte van het patroon), en een gebied dosis van 55 μAcm ^-2.
Sample Development - met LET OP Xyleen (Xyleen is zowel brandbaar en zeer giftig werk in een goed geventileerde ruimte uit de buurt van ontstekingsbronnen en vermijd contact met huid en ogen) bij een temperatuur van 23 ° C te ontwikkelen het monster gedurende 45 sec. Spoel in isopropanol.

3. Patten Transfer

RIE Kamer Reiniging - Stel het debiet van argon en waterstof tot 200 sccm. Gaspedaal de pomp via een vlinderklep, om kamerdruk van 1 x 10 ^-1 mBar bereiken. Stel het RF-vermogen van 100 W, de plasma ontsteken en laat minstens 10 min - een DC voorspanning van ongeveer 700 V opgemerkt. Na het uitschakelen van de Ar / H ₂ plasma, kan de kamer op te pompen voor ongeveer 1 minuut. Stel de stroomsnelheid van zuurstof in de kamer tot 200 sccm en weer gas de kamerdruk tot 1 x 10 ^-1 mBar. Ignite een tweede plasmavan zuurstof met een vermogen van 100 W en lopen gedurende 5 minuten. Na deze procedures, zal de kamer vrij te zijn van verontreinigingen, zoals polymeerresten, van een vorige droge etch. Wij voeren deze procedure voor elke verandering in etch recept om maximale herhaalbaarheid te garanderen. Deze procedure is geoptimaliseerd voor ons systeem dat bestaat uit een parallelle plaat, kathode loaded, RIE, een hoofdkamer 12 inch in diameter bij 14 cm hoog, waaronder een 12 inch poort met zowel smoorklep en bevestigd turbomoleculaire pomp.
Fotonisch kristal Etching - plaats het monster in de RIE hoofdkamer en het systeem tot een achtergronddruk van <3 x 10 ^-6 mBar te zorgen voor de kamer vrij is van water damp pomp. Begin de ets door pre-conditionering van de kamer met de ets gassen (namelijk CHF ₃ en SF _6): stel het debiet van beide gassen tot 100 sccm (dat wil zeggen die een gas verhouding van 1:1) en het gebruik van de gashendel te brengen de kamer druk 5 x 10 ^{2 mbar, zodat de gassen stromen gedurende tenminste 10 minuten. Na pre-conditioning, stelt u de RF-vermogen tot ongeveer 20 W en ontsteken een plasma, etsen van de steekproef voor ongeveer 2 minuten (de etssnelheid van silicium voor deze ets parameters is ongeveer 150 nm / min), met dien verstande dat een kamer druk van 5 x 10 ^-2 mBar gehandhaafd. Een DC bias tussen 200 tot 220 V moet worden bereikt door het etsen periode.}
Sample Cleaning de nog overblijvende elektron gevoelige weerstaan - na droge etsen, het monster te reinigen door spoelen in VOORZICHTIG 1165 Remover (1165 is brandbaar en kan irritatie veroorzaken aan ogen, neus en luchtwegen) met ultrasone agitatie voor 1-2 min, gevolgd door aceton en isopropanol zoals hierboven (stap 1.2).
Membraan Isolatie - spin-coat van het monster met UV-gevoelige foto weerstaan LET Microposit S1818 G2 (S1818 G2 is zowel brandbaar en veroorzaakt irritatie van de ogen, neus en luchtwegen) (zie stap 1.3). Met een KREDIETENe fotomasker definiëren vensters binnen de resist boven de fotonisch kristal patronen met de UV masker aligner. Expose het monster voor ongeveer 30-45 sec. Ontwikkel de weerstand in VOORZICHTIG Microposit Developer MF-319 (MF-319 is een alkalische vloeistof en kan leiden tot irritatie van de ogen, neus en luchtwegen) gedurende 30-45 sec, spoelen daarna in gedeïoniseerd water. Bereid een plastic beker met een mengsel van LET 01:05 Fluorwaterstofzuur (1,1499 g / ml 48 tot 51% HF) (HF is zeer corrosief en gemakkelijk vernietigt weefsels, bij de omgang met het gebruik volledige persoonlijke beschermingsmiddelen geschikt voor HF) naar gedeïoniseerd water. Merk op dat om veiligheidsredenen alleen plastic bekers en pincet moet worden gebruikt met fluorwaterstofzuur. Dompel het monster in de Fluorwaterstofzuur mengsel gedurende 15 minuten. Na het etsen, spoel het monster in gedeïoniseerd water. Verwijder het resterende fotoresist met aceton en isopropanol (zie stap 1.2) - uit deze fase en verder ultrasone agitatie niet worden gebruikt. Om de steekproef te waarborgenwordt zo schoon mogelijk zijn, volg dan de aceton en isopropanol wassen met een spoeling in VOORZICHTIG Piranha-oplossing (Piranha-oplossing is erg energiek, explosieve en valt organische materialen, bij de omgang met volledige persoonlijke beschermingsmiddelen te gebruiken) (3:1 LET zwavelzuur (zwavelzuur zuur is bijtend en zeer giftige, bij de omgang met gebruik van persoonlijke beschermingsmiddelen en vermijd inademing van damp of nevel) met waterstofperoxide LET OP (waterstofperoxide is zeer gevaarlijk in geval van contact met de huid, bij de omgang met persoonlijke beschermingsmiddelen te gebruiken)) gedurende 5 minuten , spoel dan het monster in gedeïoniseerd water, aceton en isopropanol. Merk op dat om veiligheidsredenen alleen glazen bekers en metalen pincet moet worden gebruikt met de Piranha-oplossing. Zoals Piranha oplossing exploderen in contact met aceton of isopropanol, moet worden behandeld afstand van deze reagentia.
Facet splijtmachine - als het opstellen van een fotonisch kristal langzaam licht golfgeleider, het monster vereist facet splijten. Cleave de sample volgens dezelfde procedure als beschreven in stap 1.1, behalve dat een zo klein mogelijk kras worden gebruikt. Een SOI chip met ~ 700 urn substraat betrouwbaar kan worden gesplitst tot 4-5 mm lang monsters.

4. Fotonisch kristal Slow-licht Waveguide Karakterisering

Voorlopige voorbereiding van de installatie - sluit de uitgang van een LET breedband versterkte spontane emissie (ASE) lichtbron (onzichtbare straling van IRL: onnodige hoge vermogens, bedek stralengang indien mogelijk) om een 3 dB fiber splitter en elk van de uitgangen te gebruiken paar licht in de twee takken van een vrije ruimte Mach-Zehnder interferometeter (MZI), zie figuur 9. Gebruik asferische lenzen om de lichtuitvoer van de vezels collimeren. In een van de armen van de interferometer gebruikt twee extra asferische lenzen koppelen van de lichtbundel in en uit het monster chip. Plaats een polarisatie beam splitter (PBS) in het monster arm TE-polariseren light invoeren van het monster. Gebruik asferische lenzen te koppelen van de gecollimeerde uitgang balken van beide armen terug in een tweede 3 dB fiber splitter, waar ze zullen recombineren. Sluit een van de uitgangen een infrarood detector en gebruik maken van de lezing van de detector om het licht koppeling te maximaliseren in het monster; sluit de andere uitgang van een optische spectrumanalyser (OSA). De twee takken van de MZI moeten ongeveer dezelfde optische lengte in de aanwezigheid van het monster: ervoor zorgen dat de vezels in de twee takken van de MZI dezelfde nominale lengte hebben en over een instelbare vertragingstrap in de referentiearm om voor fijninstelling van de lengte. In het monster arm monteren asferische lenzen op xyz precisie fasen de beste koppeling verkrijgen in het monster.
Pas verwijzing armlengte - koppel de lichtbundel op een lege (dus zonder fotonisch kristal) randgolfgeleider (van hetzelfde type als de toegang golfgeleiders die zich voeden met licht in de fotonische kristallen) wiverdunnen dezelfde chip in de steekproef arm. Voer een continue scan van de OSA en let op de gemeten golflengte spectra. Als de twee takken van de MZI hebben ongeveer dezelfde optische lengte, de spectra vertonen randen als gevolg van constructieve en destructieve interferentie, deze marge zal niet verschijnen als de armen van de MZI hebben zeer verschillende optische lengtes (> ~ cm). De pony afstand is omgekeerd evenredig met het verschil in optische weglengte tussen de twee takken. Verplaats de vertraging podium om de referentie-arm korter en de franjes in de OSA acht te nemen: als ze dichter (schaarser), de verwijzing arm korter (langer) dan het monster arm. Stel de vertragingstrap ervoor te zorgen dat de referentie arm korter is dan de arm monster en resulteert in een franje afstand van ongeveer 5 tot 10 randen in een 10 nm golflengtegebied (zie figuur 10a). Tot slot, het uitvoeren van deze optimalisatie op het apparaat dat de maximale vertragingstijd biedt en blijf dan de vertraging vast gedurende de metingvan het gehele monster.
Kalibratie draaien - terwijl nog steeds afgestemd op de lege golfgeleider, lopen drie scans op de OSA: een scan voor de storing spectrum en een scan voor elk van de twee armen afzonderlijk (verkregen door het blokkeren van de andere arm). Gebruik een resolutie van ,05-+0.1 nm. Noteer elke gemeten spectrum.
Slow licht data-acquisitie - uitvoeren en vastleggen drie spectra als in stap 4.3 voor elke fotonisch kristal golfgeleider op de chip.
Fourier data-analyse - de interferentie spectrum (interferogram) I (ω) wordt wiskundig uitgedrukt door:
I (ω) = S (ω) + R (ω) + sqrt [S (ω) R (ω)] {exp [iΦ (ω) - iωτ] + cc}
waarin S (ω) en R (ω) de spectrale densiteiten afzonderlijk gemeten van het monster en referentie armen. De vertraging τ wordt bepaald door de positie van de vertragingstrap in de referentiegroep. De informatie over de verspreiding van het fotonisch kristal golfgeleider is in de fasetermijn, die we moeten halen uit de gemeten data.
Trek de niet-storende S (ω) + R (ω) van het interferogram alleen de storende term isoleren. Bereken de Fourier-transformatie van het storende term: de term sqrt (SR) exp [i (Φ-ωτ)] en de complexe geconjugeerde overeen met pieken middelpunt op t = τ en t = τ-respectievelijk. Filter numeriek een van de twee algemene transformeren naar het frequentiedomein. Differentiëren de fase Φ (ω) - ωτ van de verkregen data met betrekking tot ω aan Δτ _g, het verschil in groepvertraging tussen de twee armen verkrijgen. De groep index n = c _g / v _g met v _g de groep snelheid, wordt gegeven door:
n _g = (Δτ _g ^PhC - Δτ _g ^cal) c / L + n _cal,
waar Δτ _g ^cal wordt verkregen uit de kalibreringsgegevens genomen frOM de blanco golfgeleider, L de fotonisch kristal golfgeleider lengte en n = 2,7 _cal de effectieve index van de referentie randgolfgeleider. De bijdrage aan de vertraging van de verschillende optische elementen van de installatie wordt meegenomen in de kalibratie run en wordt daarom afgetrokken in deze stap.

Overdrachtscurve - bereken de transmissie curve van genormaliseerd spectrum monster van een fotonisch kristal golfgeleider die van de blanco golfgeleider.

5. Fotonisch kristal Cavity Karakterisering

Setup - de voorbereiding van de installatie (Figuur 14) voor RS omvat: het uitschakelen van de verwisselbare element aan de polariserende bundelsplitser, het invoegen van een polarisator in de input arm en een analysator in de uitvoer arm; flip een spiegel in de probe arm het gebruik van een infrarood bron toe, laat de verlichting van het monster. Verticaal Monteer het monster met een 45 ° oriëntatie op asvan de polarisator (figuur 18) op een differentieel aangedreven xyz micro-blok en de micro-block aanpassen zodat het monster in focus en een holte te zien met de camera, zoals in Figuur 15 (links). Met een versterkte spontane emissie (ASE) bron, sluiten de balk met het midden van de holte Figuur 15 (rechts). Flip weg de verlichting spiegel en laat de output arm om de spectrometer (monochromator met aangebouwde array detector) in te voeren. Start een brede scan met een lage tot matige resolutie om de holte pieken te identificeren. Verkrijgen grove golflengte van de resonantie in de ASE scan (Figuur 16a) met een nauwkeurigheid van 1 nm. Het is ook mogelijk de brede scan verkrijgen met een waarschuwing afstembare laserbron (TLS) (Figuur 16b) (onzichtbare IR straling onnodig hoge vermogens, betrekking stralengang indien mogelijk). Men moet oppassen dat de resolutie is ingesteld op de hoogste waarde met het oog opproeven van de line-breedte van elke piek.
Voer een hoge resolutie scans van de geïdentificeerde pieken - sluit de TLS op de ingang arm en de straal op een mW niveau verzwakken. Bereid je voor op de hoge resolutie scan doordat de uitgang arm te worden verzameld door de fotodetector en het opzetten van een continu sweep te scannen met een resolutie van 1 uur voor een 2 nm, gecentreerd op de eerder gevonden resonantie golflengte. Het belang van deze stap is de signaal-ruisverhouding (SNR) te verbeteren teneinde een Lorentz line-vormresonantie verkrijgen: de xyz positie van de micro-blok veranderen en opnieuw uitvoeren scan tot de SNR gemaximaliseerd en de lijn-vorm benadert die van een Lorentz, zoals in de sectie representatief resultaat.