Fabricage en karakterisering van fotonische kristallen Slow lichtgolfgeleiders en holtes
November 30th, 2012
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).
Het algemene doel van deze procedure is om een fotonische kristal langzame lichtgolfgeleider of -holte te fabriceren en te karakteriseren. Dit wordt bereikt door eerst de silicon-on-insulator chip voor elektronenstraal litografie voor te bereiden door de chip te reinigen en met ZEP five 20 a resist te spin coaten. De tweede stap is het fotonische kristalpatroon blootstellen en ontwikkelen met behulp van elektronenstraal litografie voor patroondefinitie en xyleen voor ontwikkeling.
Vervolgens wordt het fotonische kristalpatroon overgebracht naar de bovenste siliciumlaag van de chip door het monster in de reactieve ionen etch te plasma-etsen. De laatste stap is het verwijderen van de begraven oxidelaag door het silica in fluorwaterstofzuur te etten. Dit creëert membraanfotonische kristalapparaten, met andere woorden, apparaten met lucht zowel boven als onder de siliciumfotonische kristallaag.
Uiteindelijk wordt het apparaat optisch gekarakteriseerd als de monster fotonische kristalgolfgeleiders bevat, ondertussen wordt een interferometer gebaseerd langzaam lichtexperiment uitgevoerd als het monster bestaat uit fotonische kristalholten. In plaats daarvan wordt een resonantie verstrooiingstechniek gebruikt voor karakterisering. Het doel van ons werk is om licht-materie interactie in fotonische nanostructuren te bestuderen en nieuwe apparaten te maken en interessante concepten in dergelijke structuren te verkennen.
Om ons te concentreren en echt te kunnen focussen op de fysica van dit werk, hebben we een betrouwbaar fabricageprotocol nodig. We hebben een protocol ontwikkeld op basis van silicon-on-insulator, dat we erg betrouwbaar en gemakkelijk vinden, en door dit protocol beschikbaar te stellen voor een breder scala aan gebruikers en andere onderzoekers, hopen we meer activiteit op dit gebied te stimuleren. Wat betreft de karakterisering van onze langzame licht Tory kristalgolfgeleiders, onze techniek valt op door zijn eenvoud en kracht, omdat het geen on-chip interferentie componenten of beweegbare onderdelen vereist.
Het belangrijkste voordeel van deze resonantie verstrooiingstechniek boven bestaande methoden is dat het een karakterisering van fotonische kristalholten en een uit de vlak arrangement mogelijk maakt, wat meestal een interne lichtbron zou vereisen Om te beginnen, reinig een silicon-on-insulator wafer door het een tot twee minuten in een ultrasoon bad van aceton te plaatsen. Breng vervolgens het monster over in isopropanol gedurende 30 seconden om eventueel achtergebleven aceton te verwijderen en droog het met behulp van een schone, droge stikstofpistool. Plaats vervolgens de wafer in een spin coder en pipet genoeg CEP 5 28 Fotoresist om het monster volledig te bedekken.
Spin het monster gedurende 60 seconden op 3.200 RPM om een film van 350 nanometer dik te produceren. Verwijder de wafer van de spin coder en bak op een hot plate bij 180 graden Celsius gedurende 10 minuten. Zodra de chip is afgekoeld, plaats het in de patroonbelichtingskamer van het elektronenstraal litografie systeem en pomp het systeem volledig leeg als de volledige vacuüm is bereikt.
Stel de versnellingsspanning in op 30 kilovolt en laat het systeem een uur gelijkmaken. Blootstel vervolgens het monster met een gebied dosis van 55 micro ampers per centimeter vierkant. Met behulp van een stappengrootte van twee nanometer.
Ontwikkel het monster door het gedurende 45 seconden in xyleen bij 23 graden Celsius te plaatsen. Spoel vervolgens resterend xyleen weg met isopropanol. Na het reinigen van de reactieve ionen etch kamer, laad het monster en pomp het systeem lege tot minder dan drie keer 10 tot de negatieve zes.
Millibar Breng vervolgens de kamer voorwaardelijk aan door Fluor en zwavelhexafluoride in een verhouding van één op één bij 100 SECM te laten stromen, en laat de gassen minimaal 10 minuten stromen. Stel vervolgens het RF vermogen in op 20 watt en ontsteek een plasma. Ets het monster gedurende ongeveer twee minuten terwijl ervoor wordt gezorgd dat een kamerdruk van vijf keer 10 tot de negatieve twee millibar wordt gehandhaafd.
Verwijder vervolgens het monster en maak het schoon door het te spoelen. In 1165, verwijder met ultrasone agitatie gedurende één tot twee minuten, gevolgd door aceton en isopropanol. Om te beginnen met membraan isolatie, spin coat het monster met UV gevoelige fotoresist micros S 1818 G twee.
Gebruik een geschikt foto masker. Definieer vensters binnen de resist boven de fotonische kristalpatronen met behulp van de UV masker aligner. Blootstel het monster gedurende ongeveer 30 tot 45 seconden.
Ontwikkel de foto resist in micro posit developer MF 3 1 9 gedurende 30 tot 45 seconden. Spoel daarna af met gedeïoniseerd water. Vervolgens etst het monster in een deel hydrofluoric zuur op vijf delen gedeïoniseerd water gedurende 15 minuten.
Na het etsen, spoel het monster grondig en met gedeïoniseerd water. Verwijder de resterende fotoresist met behulp van aceton gedurende vijf minuten of tot het monster er schoon uitziet. Spoel vervolgens met isopropanol en droog af met stikstof.
Reinig vervolgens het monster in een piana bad van drie delen zwavelzuur op één deel waterstofperoxide gedurende vijf minuten. Spoel vervolgens het monster in gedeïoniseerd water, aceton en isopropanol. Ten slotte, kleef het monster door kleine krasjes op elke kant van de chip te maken, deze krasjes uit te lijnen met de rand van een glazen plaat en druk uit te oefenen om langs de kraslijnen te kleffen.
Om transmissie en groepsindexcurven van langzame licht fotonische kristalgolfgeleiders te meten, stelt u een nepzender interferentie detectiesysteem in zoals hier beschreven, zoals gedetailleerd in het bijbehorende protocol. Plaats vervolgens de chip op zijn plaats en koppel licht in een lege richelgolfgeleider. Pas de vertragingsfase aan totdat de referentiearmlengte korter is dan de monsterarm.
Ga door met het aanpassen van de vertragingsfase en observeer de uitgezonden vermogen door een continue huid van de optische spectrum analyzer. Pas aan tot er vier tot 10 franjes worden waargenomen in een bereik van 10 nanometer golflengte. Eenmaal a
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Dit artikel bespreekt de fabricage en karakterisering van fotonische kristal slow light waveguides en holtes. De methoden omvatten elektronenbundel litografie en plasma-etsen om membraan fotonische kristal apparaten te maken.
Belangrijkste onderdeel van het onderzoek
Wetenschapsgebied
- Fotonica
- Optische techniek
- Materiaalwetenschap
Achtergrond
- Fotonische kristal apparaten zijn essentieel in verschillende toepassingen binnen de fotonica gemeenschap.
- Begrip van fabricagetechnieken is cruciaal voor het vooruitgaan van deze technologieën.
- Karakteriseringsmethoden helpen bij het evalueren van apparaatprestaties.
- Slow light waveguides en holtes hebben unieke optische eigenschappen.
Doel van het onderzoek
- Om een fabricagetechniek voor fotonische kristal apparaten te beschrijven.
- Om optische karakteriseringsmethoden te presenteren voor het evalueren van deze apparaten.
- Om bij te dragen aan de kennisbasis in fotonica onderzoek.
Gebruikte methoden
- Voorbereiding van silicium op isolator chip voor elektronenbundel litografie.
- Reiniging en spin coating de chip met ZEP five 20 a resist.
- Exponeren en ontwikkelen van het fotonische kristal patroon met behulp van elektronenbundel litografie.
- Plasma-etsen om het patroon over te brengen naar de siliciumlaag.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle fabricage van membraan fotonische kristal apparaten.
- Demonstratie van effectieve optische karakteriseringsmethoden.
- Inzichten in de prestaties van slow light waveguides en holtes.
- Bijdrage aan de vooruitgang van fotonische apparaat technologie.
Conclusies
- De beschreven methoden zijn effectief voor het fabriceren van fotonische kristal apparaten.
- Karakteriseringstechnieken bieden waardevolle inzichten in apparaatprestaties.
- Dit onderzoek ondersteunt verdere ontwikkelingen in fotonica toepassingen.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Photonic crystal slow light waveguides and cavities enable enhanced light-matter interactions critical for advancing optical sensing and telecommunications technologies. Reliable fabrication and characterization protocols support predictive confidence in device performance, reducing development risk in early-stage photonic innovation. These methods facilitate translational continuity from discovery to preclinical evaluation of photonic biomarkers and diagnostic platforms.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of photonic nanostructures for studying light-matter interactions relevant to biosensing applications.
- Operational Value: Provides a repeatable fabrication protocol ensuring consistent device performance across experimental replicates.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Supports development of label-free optical assays through resonant scattering characterization of photonic crystal cavities.
- Operational Value: Enables high-throughput screening readiness via broadband transmission measurements without on-chip interference components.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates evaluation of ultra-low threshold lasers and nonlinear enhancement for potential use in photodynamic therapy and intraoperative imaging.
- Operational Value: Offers non-intrusive characterization preserving cavity integrity for longitudinal performance tracking.
Pipeline & Workflow Integration
The fabrication and characterization workflow integrates into the discovery continuum from hypothesis testing in early discovery to assay validation in preclinical stages, supporting iterative design of photonic biosensors.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by enabling precise control over photonic crystal geometry to probe light-matter interaction mechanisms.
- Screening: Delivers assay readiness through reproducible transmission and group index measurements critical for comparing waveguide performance under varying conditions.
- Analytics: Provides quantitative group index and quality factor outputs enabling statistical comparison of device performance across fabrication batches.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by enabling characterization of photonic devices compatible with biological environments for biomarker detection.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for rapid prototyping of photonic crystal devices across multiple R&D projects without re-optimization.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in photonic device behavior through accurate measurement of slow light regimes and cavity resonance properties.
- Operational Value: Ensures standardization and scalability via optimized electron beam lithography and etching parameters minimizing vertical asymmetry and edge-wall roughness.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing diagnostic routes to identify and eliminate fabrication defects early in development.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of photonic technologies based on reproducible Q-factor and group index benchmarks.
Implementation Considerations
- Requires expertise in electron beam lithography, plasma etching, and optical interferometry for successful device fabrication and characterization.
- Dependent on access to reactive ion etchors, hydrofluoric acid handling infrastructure, and Mach-Zehnder interferometer setups.
- Necessitates cross-team standardization between nanofabrication and photonics teams to ensure consistent membrane isolation and surface preparation.
- Involves adaptation considerations when extending protocols to alternative materials beyond silicon on insulator for biocompatible photonic platforms.
- Practical limitations include sensitivity to etching pressure, RF power, and exposure time, which can cause sidewall widening or angular deviations affecting optical performance.
