Wytwarzanie i charakterystyka falowodów i wnęk wolnowodnych kryształów fotonicznych

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

doi:10.3791/50216

Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Wytwarzanie i charakterystyka falowodów i wnęk wolnowodnych kryształów fotonicznych

18.9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/50216

⸱

30 listopada 2012

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

¹School of Physics & Astronomy, University of St Andrews

W tym artykule

Podsumowanie

Wykorzystanie falowodów i wnęk fotonicznych zostało szeroko przyjęte przez społeczność fotoniczną w wielu różnych zastosowaniach. Dlatego produkcja i charakterystyka tych urządzeń cieszy się dużym zainteresowaniem. W artykule przedstawiono naszą technikę wytwarzania i dwie metody charakterystyki optycznej, a mianowicie: interferometrię (falowody) i rozpraszanie rezonansowe (wnęki).

Streszczenie

Slow light było jednym z gorących tematów w społeczności fotonicznej w ostatniej dekadzie, wzbudzając duże zainteresowanie zarówno z fundamentalnego punktu widzenia, jak i ze względu na znaczny potencjał dla praktycznych zastosowań. W szczególności fotoniczne falowody kryształkowe o wolnym świetle odegrały ważną rolę i zostały z powodzeniem wykorzystane do opóźniania sygnałów optycznych^1-4 oraz ulepszania zarówno urządzeń liniowych^5-7, jak i nieliniowych. ^8-11

Fotoniczne wnęki kryształów osiągają podobne efekty jak falowody wolnego światła, ale na zmniejszonej szerokości pasma. Wnęki te oferują wysoki współczynnik Q / objętość, do realizacji optycznie¹² i elektrycznie¹³ pompowanych laserów ultraniskoprogowych oraz wzmocnienia efektów nieliniowych. ^14-16 Ponadto zademonstrowano filtry pasywne¹⁷ i modulatory^18-19, które wykazują ultrawąską szerokość linii, wysoki zakres swobodnego widma i rekordowe wartości niskiego zużycia energii.

Aby osiągnąć te ekscytujące wyniki, musi zostać opracowany solidny, powtarzalny protokół produkcji. W tym artykule przyjrzymy się dogłębnie naszemu protokołowi wytwarzania, który wykorzystuje litografię wiązką elektronów do definiowania wzorów kryształów fotonicznych i wykorzystuje techniki trawienia na mokro i na sucho. Nasza zoptymalizowana receptura produkcji pozwala uzyskać kryształy fotoniczne, które nie cierpią z powodu asymetrii pionowej i wykazują bardzo dobrą chropowatość krawędzi i ścianek. Omawiamy wyniki różnic w parametrach trawienia i szkodliwy wpływ, jaki mogą one mieć na urządzenie, prowadząc do ścieżki diagnostycznej, którą można podjąć w celu zidentyfikowania i wyeliminowania podobnych problemów.

Kluczem do oceny falowodów wolnego światła jest pasywna charakterystyka widm transmisji i indeksu grupowego. Opisano różne metody, w szczególności dotyczące rozdzielczości granic Fabry'ego-Perota widma transmisyjnego^20-21 oraz techniki interferometryczne. ^22-25 W tym miejscu opisujemy bezpośrednią, szerokopasmową technikę pomiarową łączącą interferometrię spektralną z analizą transformaty Fouriera. ²⁶ Nasza metoda wyróżnia się prostotą i wydajnością, ponieważ możemy scharakteryzować nieosłonięty kryształ fotoniczny z falowodami dostępowymi, bez potrzeby stosowania komponentów zakłócających w układzie scalonym, a konfiguracja składa się wyłącznie z interferometru Mach-Zehnder, bez potrzeby stosowania ruchomych części i skanowania opóźnionego.

Podczas charakteryzowania wnęk kryształów fotonicznych, techniki wykorzystujące wewnętrzne źródła²¹ lub zewnętrzne falowody bezpośrednio sprzężone z wnęką²⁷ wpływają na wydajność samej wnęki, tym samym zniekształcając pomiar. W tym miejscu opisujemy nowatorską i nieinwazyjną technikę, która wykorzystuje wiązkę sondy spolaryzowaną krzyżowo i jest znana jako rozpraszanie rezonansowe (RS), w którym sonda jest sprzężona z wnęką poza płaszczyzną za pomocą obiektywu. Technika ta została po raz pierwszy zademonstrowana przez McCutcheona i ^wsp.28, a następnie rozwinięta przez Galli i wsp.²⁹

Protokół

Zastrzeżenie: Poniższy protokół przedstawia ogólny przebieg procesu obejmujący techniki wytwarzania i charakteryzacji falowodów kryształów fotonicznych i wnęk. Przebieg procesu jest zoptymalizowany pod kątem konkretnego sprzętu dostępnego w naszym laboratorium, a parametry mogą się różnić w przypadku użycia innych odczynników lub sprzętu.

1. Przygotowanie próbki

Cięcie próbki - weź wafel krzemowo-izolacyjny (SOI) i użyj rysika diamentowego, aby zarysować linię o długości około 1-2 mm od krawędzi powierzchni krzemu, upewniając się, że rysa rozciąga się poza krawędź płytki. Wyrównaj rysę do prostej krawędzi (np. szkiełka mikroskopowego) i wywieraj równomierny dodatni nacisk po obu stronach rysy: płytka rozszczepi się wzdłuż płaszczyzny kryształu w miejscu zadrapania. Powtórz tę procedurę, aby zdefiniować cały chip.
Czyszczenie próbki - Umieść próbkę w acetonie UWAGA za pomocą pęsety i wyczyść w kąpieli ultradźwiękowej przez 1-2 minuty. Usuń próbkę z acetonu; wypłucz pozostały aceton z próbki za pomocą OSTROŻNIE izopropanolu (30 sekund) (zarówno aceton, jak i izopropanol są łatwopalne: należy stosować dobrą wentylację i unikać wszelkich źródeł zapłonu). Osuszyć próbkę za pomocą czystego, suchego pistoletu do azotu.
Odporność na wirowanie - umieścić próbkę na maszynie do powlekania wirowego. Pipeta wrażliwa na elektrony rezystancja UWAGA ZEP520A (ZEP520A jest łatwopalny, szkodliwy przez drogi oddechowe i należy unikać kontaktu ze skórą i oczami) na próbce - użyj wystarczającej ilości oporu, aby całkowicie pokryć próbkę bez wychodzenia rezystu poza krawędź. Odwirować próbkę tak, aby uzyskać film o grubości ok. 350 nm i piec na płycie grzejnej w temperaturze 180 °C przez 10 minut. Stwierdziliśmy, że ta grubość jest optymalna, która równoważy rozdzielczość i odporność na wytrawianie (patrz dalej).

2. Definicja wzorca

Projektowanie - za pomocą odpowiedniego oprogramowania zasymuluj wymagany wzór kryształów fotonicznych. Dostępnych jest wiele przydatnych pakietów oprogramowania, w tym między innymi: MIT Photonic Bands (MPB), FullWAVE (RSoft), MIT Electromagnetic Equation Propagation (MEEP).
Generowanie wzorców - utwórz pliki ekspozycji (ogólnie format gds) i popraw błędy zbliżeniowe za pomocą odpowiedniego oprogramowania. ^{Rozdział 30}
Ekspozycja wzoru - załaduj próbkę do komory systemu litografii wiązką elektronów (LEO 1530/ Raith Elphy) i odpompuj. Po osiągnięciu podciśnienia należy włączyć zasilanie EHT i ustawić na 30 kV. Pozostawić system w tym stanie na 1 godzinę, aby próbka, stolik i komora osiągnęły temperaturę równowagi. Ustaw ekspozycję zgodnie z instrukcją obsługi konkretnego systemu litografii wiązką elektronów. Naświetlić próbkę, stosując odpowiedni podstawowy rozmiar kroku (np. 2 nm) (jest to minimalny rozmiar piksela, jaki system może naświetlić), czas ustalania wynoszący co najmniej 1 ms (jest to czas, w którym system czeka między przesunięciem wiązki a naświetleniem określonej części wzoru) oraz dawkę obszarową 55 μAcm-2.
Opracowanie próbki - przy użyciu UWAGA Ksylen (ksylen jest zarówno łatwopalny, jak i wysoce toksyczny, pracuje w dobrze wentylowanym pomieszczeniu, z dala od źródeł zapłonu i unika kontaktu ze skórą i oczami) w temperaturze 23 °C rozwijaj próbkę przez 45 sek. Płucz w izopropanolu.

3. Transfer Pattena

Czyszczenie komory RIE - Ustaw natężenie przepływu argonu i wodoru na 200 sccm. Zmniejsz pompę za pomocą przepustnicy, aby osiągnąć ciśnienie w komorze 1 × ^10-1 mBar. Ustaw moc RF na 100 W, zapal plazmę i pracuj przez co najmniej 10 minut - należy zaobserwować polaryzację prądu stałego około 700 V. Po wyłączeniu plazmy Ar/H₂ należy odczekać, aż komora będzie pompować przez około 1 minutę. Ustaw natężenie przepływu tlenu do komory na 200 sccm i ponownie zmniejsz ciśnienie w komorze do 1 × ^10-1 mBar. Zapal drugą plazmę tlenową o mocy 100 W i uruchom przez 5 minut. Po tych zabiegach komora będzie wolna od zanieczyszczeń, takich jak pozostałości polimerów, z wszelkich wcześniejszych suchych wytrawiań. Procedurę tę wykonujemy przed każdą zmianą receptury wytrawiania, aby zapewnić maksymalną powtarzalność. Procedura ta jest zoptymalizowana dla naszego systemu, który składa się z równoległej płyty, obciążonej katodą, RIE; z główną komorą o średnicy 12 cali i wysokości 14 cali, w tym 12-calowym portem z dołączonym zaworem dławiącym i pompą turbomolekularną.
Fotoniczne trawienie kryształów - załaduj próbkę do głównej komory RIE i obniż ciśnienie tła do <3 × ^10-6 mBar, aby upewnić się, że komora jest wolna od pary wodnej. Wytrawianie należy rozpocząć od wstępnego kondycjonowania komory za pomocą gazów trawiących (tj. CHF₃ i SF₆): ustawić natężenie przepływu obu gazów na 100 sccm (tj. ustawić stosunek gazu 1:1) i za pomocą przepustnicy doprowadzić ciśnienie w komorze do 5 × 10-2 mBar; Pozwól gazom płynąć przez co najmniej 10 minut. Po wstępnym kondycjonowaniu ustaw moc RF na około 20 W i zapal plazmę; wytrawiać próbkę przez około 2 minuty (szybkość wytrawiania krzemu dla tych parametrów wytrawiania wynosi około 150 nm/min), zapewniając przy tym utrzymanie ciśnienia w komorze 5 × ^10-2 mBar. Polaryzacja prądu stałego w zakresie 200-220 V powinna być osiągnięta przez cały okres trawienia.
Czyszczenie próbki w celu usunięcia pozostałego rezystu wrażliwego na elektrony - po wytrawieniu na sucho wyczyść próbkę, spłukując ją w CAUTION 1165 Remover (1165 jest łatwopalny i może powodować podrażnienie oczu, nosa i dróg oddechowych) z mieszaniem ultradźwiękowym przez 1-2 minuty, a następnie acetonem i izopropanolem, jak opisano powyżej (krok 1.2).
Izolacja membranowa - pokryj próbkę wirowo fotorezystantem wrażliwym na promieniowanie UV UWAGA Microposit S1818 G2 (S1818 G2 jest zarówno łatwopalny, jak i działa drażniąco na oczy, nos i drogi oddechowe) (patrz krok 1.3). Za pomocą odpowiedniej fotomaski zdefiniuj okna w obrębie rezystu nad wzorami kryształów fotonicznych za pomocą wyrównywacza maski UV. Wystaw próbkę na około 30-45 sekund. Opracuj rezystancję w OSTROŻNIE Microposit Developer MF-319 (MF-319 jest cieczą alkaliczną i może powodować podrażnienie oczu, nosa i dróg oddechowych) przez 30-45 sekund, a następnie spłucz w wodzie dejonizowanej. Przygotuj plastikową zlewkę z mieszaniną kwasu fluorowodorowego UWAGA 1:5 (1,1499 g / ml 48-51% HF) (HF jest wyjątkowo i łatwo niszczy tkanki, podczas pracy należy używać pełnego sprzętu ochrony osobistej przeznaczonego do HF) do wody dejonizowanej. Należy pamiętać, że ze względów bezpieczeństwa z kwasem fluorowodorowym należy używać wyłącznie plastikowych zlewek i pęsety. Zanurzyć próbkę w mieszaninie kwasu fluorowodorowego na 15 minut. Po wytrawieniu dokładnie wypłukać próbkę w wodzie dejonizowanej. Usunąć pozostały fotorezystor za pomocą acetonu i izopropanolu (patrz krok 1.2) - od tego etapu i dalej nie można stosować mieszania ultradźwiękowego. Aby upewnić się, że próbka jest tak czysta, jak to możliwe, należy postępować zgodnie z myciem acetonem i izopropanolem ze spłukiwaniem w PRZESTROGA Roztwór Piranha (roztwór Piranha jest bardzo energetyczny, potencjalnie wybuchowy i atakuje materiały organiczne, podczas obchodzenia się należy stosować pełne środki ochrony osobistej) (3:1 UWAGA kwas siarkowy (kwas siarkowy jest i bardzo toksyczny, podczas obchodzenia się należy stosować środki ochrony osobistej i unikać wdychania oparów lub mgły) PRZESTROGA nadtlenek wodoru (nadtlenek wodoru jest bardzo niebezpieczny W przypadku kontaktu ze skórą i oczami, podczas obchodzenia się z produktem należy stosować środki ochrony indywidualnej)) przez 5 minut, a następnie płukać próbkę w wodzie dejonizowanej, acetonie i izopropanolu. Należy pamiętać, że ze względów bezpieczeństwa z roztworem Piranha należy używać wyłącznie szklanych zlewek i metalowej pęsety. Ponieważ roztwór piranii może eksplodować w kontakcie z acetonem lub izopropanolem, należy go obchodzić z dala od tych odczynników.
Szczelinowanie fasetkowe - w przypadku przygotowania falowodu wolnoświeckiego kryształu fotonicznego, próbka wymaga rozszczepienia fasetowego. Rozszczepić próbkę, postępując zgodnie z tą samą procedurą, która została opisana w kroku 1.1, z tą różnicą, że należy użyć jak najmniejszej rysy. Chip SOI z podłożem o grubości ~700 μm może być niezawodnie rozcinany do próbek o długości 4-5 mm.

4. Charakterystyka falowodu wolnoświeckiego kryształu fotonicznego

Wstępne przygotowanie konfiguracji - podłącz wyjście źródła światła CAUTION z szerokopasmową wzmocnioną emisją spontaniczną (ASE) (niewidzialne promieniowanie IR: unikaj niepotrzebnych dużych mocy, zakryj ścieżkę wiązki, jeśli to możliwe) do rozdzielacza światłowodowego 3 dB i użyj każdego z wyjść do sprzężenia światła w dwóch ramionach interferomemetru Macha-Zehndera (MZI) w wolnej przestrzeni, jak pokazano na rysunku 9. Użyj soczewek asferycznych, aby skolimować strumień świetlny z włókien. W jednym z ramion interferometru użyj dwóch dodatkowych soczewek asferycznych, aby sprzęgnąć wiązkę światła do i z chipa próbki. Umieść rozdzielacz wiązki polaryzacyjnej (PBS) w ramieniu próbki, aby spolaryzować światło wprowadzające próbkę. Użyj soczewek asferycznych, aby połączyć skolimowane wiązki wyjściowe z obu ramion z powrotem w drugi rozdzielacz światłowodowy 3 dB, gdzie zostaną one ponownie połączone. Podłącz jedno z wyjść do detektora podczerwieni i wykorzystaj odczyt detektora, aby zmaksymalizować sprzężenie światła z próbką; podłącz drugie wyjście do optycznego analizatora widma (OSA). Dwa ramiona MZI powinny mieć w przybliżeniu taką samą długość optyczną w obecności próbki: upewnij się, że włókna w dwóch ramionach MZI mają tę samą długość nominalną i zawierają przestrajalny stopień opóźniający w ramieniu odniesienia, aby umożliwić precyzyjną regulację jego długości. W ramieniu próbki zamontuj soczewki asferyczne na precyzyjnych stolikach xyz, aby uzyskać najlepsze sprzężenie z próbką.
Dostosuj długość ramienia referencyjnego - sprzęgnij wiązkę światła z pustym (tj. bez kryształu fotonicznego) falowodem grzbietowym (tego samego typu, co falowody dostępowe, które doprowadzają światło do wnętrza kryształów fotonicznych) w tym samym chipie w ramieniu próbki. Uruchom ciągłe skanowanie OSA i obserwuj zmierzone widma długości fali. Jeśli dwa ramiona MZI mają w przybliżeniu tę samą długość optyczną, widma wykazują prążki spowodowane konstruktywną i destrukcyjną interferencją; te prążki nie pojawią się, jeśli ramiona MZI mają bardzo różne długości optyczne (>~cm). Rozstaw prążków jest odwrotnie proporcjonalny do różnicy w długości ścieżki optycznej między dwoma ramionami. Przesuń stolik opóźniający, aby skrócić ramię referencyjne i obserwuj prążki w OBS: jeśli stają się gęstsze (rzadsze), ramię referencyjne jest krótsze (dłuższe) niż ramię próbki. Ustaw stopień opóźniający, aby upewnić się, że ramię odniesienia jest krótsze niż ramię próbki i powoduje odstęp między prążkami około 5 do 10 prążków w zakresie długości fali 10 nm (patrz rysunek 10a). Na koniec wykonaj tę optymalizację na urządzeniu, które zapewnia maksymalne opóźnienie, a następnie utrzymuj opóźnienie na stałym poziomie przez cały czas pomiaru całej próbki.
Przebieg kalibracji - gdy nadal jest wyrównany na falowodzie ślepym, uruchom trzy skany na OSA: jeden skan dla widma zakłóceń i jeden skan dla każdego z dwóch ramion osobno (uzyskany przez zablokowanie drugiego ramienia). Użyj rozdzielczości 0,05-0,1 nm. Zapisz każde zmierzone widmo.
Akwizycja danych o wolnym świetle - uruchom i zapisz trzy widma, jak w kroku 4.3, dla każdego falowodu kryształu fotonicznego na chipie.
Analiza danych Fouriera - widmo interferencyjne (interferogram) I(ω) jest matematycznie wyrażone wzorem:
I(ω) = S(ω) + R(ω) + sqrt[S(ω)R(ω)]{exp[iΦ(ω) - iωτ] + c.c.},
gdzie S(ω) i R(ω) są gęstościami widmowymi mierzonymi oddzielnie odpowiednio od ramienia próbki i ramienia odniesienia. Opóźnienie τ jest ustawiane przez położenie stopnia opóźniającego w ramieniu odniesienia. Informacja o dyspersji fotonicznego falowodu kwarcowego zawarta jest w członie fazowym, który musimy wyodrębnić z danych pomiarowych.
Odejmij niezakłócające tło S(ω)+R(ω) od interferogramu, aby wyizolować tylko zakłócający człon. Obliczyć transformację Fouriera składnika zakłócającego: wyraz sqrt(SR)exp[i(Φ- ωτ)] i jego sprzęgnięcie zespolone odpowiadają pikom wyśrodkowanym odpowiednio w t=τ i t=-τ. Przefiltruj numerycznie jeden z dwóch terminów i przekształć z powrotem do dziedziny częstotliwości. Rozróżnicuj fazę Φ(ω) - ωτ otrzymanych danych w odniesieniu do ω, aby uzyskać Δτ_g, różnicę w opóźnieniu grupy między dwoma ramionami. Indeks grupy n_g=c/v_g, gdzie v_g jest prędkością grupy, jest określony wzorem:
n_g = (Δτ_g^PhC - Δτ_g^cal)c/L + n_cal,
gdzie Δτ_g^cal uzyskuje się z danych kalibracyjnych pobranych z falowodu ślepej, L jest długością falowodu kryształu fotonicznego, a n_cal = 2,7 jest efektywnym indeksem falowodu grzbietu odniesienia. Udział różnych elementów optycznych konfiguracji w opóźnieniu jest brany pod uwagę w przebiegu kalibracji i dlatego jest odejmowany na tym etapie.

Krzywa transmisji - obliczyć krzywą transmisji, normalizując widmo próbki falowodu kryształkowego fotonicznego do widma falowodu ślepego.

5. Charakterystyka wnęki kryształu fotonicznego

Konfiguracja - przygotowanie konfiguracji (Rysunek 14) dla RS obejmuje: przełączenie elementu wymiennego na rozdzielacz wiązki polaryzacyjnej; włożenie polaryzatora w ramieniu wejściowym oraz analizatora w ramieniu wyjściowym; obrócenie lustra w ramieniu sondy, aby umożliwić użycie źródła bliskiej podczerwieni; umożliwienie oświetlenia próbki. Zamontuj próbkę pionowo w orientacji 45° do osi polaryzatora (rysunek 18) na mikrobloku xyz z napędem różnicowym i wyreguluj mikroblok tak, aby próbka była ostra i można było zobaczyć wgłębienie za pomocą kamery, jak na rysunku 15 (po lewej). Korzystając ze źródła wzmocnionej emisji spontanicznej (ASE), wyrównaj wiązkę ze środkiem wnęki Rysunek 15 (po prawej). Odwróć lustro podświetlające i pozwól, aby ramię wyjściowe weszło do spektrometru (monochromator z dołączonym detektorem matrycowym). Rozpocznij szerokie skanowanie z niską lub umiarkowaną rozdzielczością, aby zidentyfikować piki ubytku. Uzyskaj zgrubną długość fali rezonansu w skanie ASE (rysunek 16a) z dokładnością do 1 nm. Możliwe jest również uzyskanie szerokiego skanu za pomocą przestrajalnego źródła lasera CAUTION (TLS) (Rysunek 16b) (niewidoczne promieniowanie podczerwone: unikaj niepotrzebnych dużych mocy, jeśli to możliwe, zakryj ścieżkę wiązki). Należy uważać, aby rozdzielczość była ustawiona na najwyższą wartość, aby próbkować szerokości linii każdego piku.
Wykonaj skany w wysokiej rozdzielczości na zidentyfikowanych pikach - podłącz TLS do ramienia wejściowego i tłumiąc wiązkę do poziomu mW. Przygotuj się do skanowania w wysokiej rozdzielczości, pozwalając na zebranie ramienia wyjściowego przez fotodetektor i ustawiając ciągłe skanowanie przemiatania z rozdzielczością 1 pm dla zakresu 2 nm wyśrodkowanego na wcześniej znalezionej długości fali rezonansowej. Znaczenie tego kroku polega na poprawie stosunku sygnału do szumu (SNR) w celu uzyskania rezonansu liniowego Lorentza: zmień pozycję xyz mikrobloku i ponownie uruchom skanowanie, aż SNR zostanie zmaksymalizowany, a kształt linii będzie zbliżony do kształtu Lorentza, jak pokazano w sekcji wyników reprezentatywnych.