Name: Fabricação e caracterização de guias de onda de luz de cristal fotônico lentas e cavidades (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-11-30T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 8 s
Description: Aprenda a fabricar e caracterizar guias de onda de luz lenta e cavidades de cristal fotônico usando litografia de feixe de elétrons e gravação por plasma. Este método avança a pesquisa em fotonica.

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Os autores agradecem o Dr. Matteo Galli, Dr. Simone L. Portalupi e Prof Lucio C. Andreani da Universidade de Pavia para discussões úteis relacionadas à técnica RS e da execução das medidas.

Disclaimer: O protocolo a seguir dá um fluxo de processo geral que abrange as técnicas de fabricação e caracterização de guias de onda de cristal fotônico e cavidades. O fluxo do processo é otimizado para o equipamento específico disponível em nosso laboratório, e os parâmetros podem ser diferentes se outros reagentes ou equipamento é utilizado. 1. Preparação da Amostra <ol><li> Clivagem de amostra - levar o silício sobre isolante wafer (SOI), e use um estilete de diamante para riscar uma linha de aproximadamente 1-2 mm de comprimento a partir da aresta da superfície de silício, assegurando que o zero se estende ao longo da borda da pastilha. Alinhar a zero para uma aresta recta (por exemplo a de uma lâmina de microscópio), e aplica-se mesmo com pressão positiva de ambos os lados do zero: a bolacha clivará ao longo do plano de cristal no local do zero. Repetir este procedimento para definir o chip inteiro. </li><li> Lavagem da amostra - Coloque a amostra no acetona CUIDADO usando uma pinça umnd limpar num banho de ultra-sons durante 1-2 min. Retirar a amostra a partir da acetona; enxaguar qualquer acetona remanescente a partir da amostra utilizando CUIDADO isopropanol (30 seg) (ambos acetona e isopropanol são inflamáveis: utilizar uma boa ventilação e evitar todas as fontes de ignição). Seca-se a amostra utilizando uma pistola de azoto seco e limpo. </li><li> Girar resistir - colocar a amostra sobre o spin coater. Pipeta eletrônica sensível resistir CUIDADO ZEP520A (ZEP520A é inflamável, nocivo por inalação e contato com a pele e olhos deve ser evitado) sobre a amostra - use o suficiente resistir para cobrir completamente a amostra sem a resistir a fluir sobre a borda. Girar a amostra, de modo a dar uma aprox. 350 nm de espessura de filme e cozer numa placa de aquecimento a 180 ° C durante 10 min. Encontramos esta espessura para ser a espessura ideal que equilibra resolução e resistência etch (ver adiante). </li></ol> 2. Definição de padrão <ol><li> Design - usando um software apropriado, simular o padrão de cristal fotônico necessária. Um dormenteer de pacotes de software úteis estão disponíveis, incluindo, mas não limitados a: o MIT Bandas fotônicos (MPB), fullwave (RSoft), MIT propagação eletromagnética Equação (MEEP). </li><li> Geração padrão - criar os arquivos de exposição (GDS formato em geral) e de erro proximidade correta utilizando software apropriado 30. </li><li> Exposição padrão - carregar a amostra na câmara do sistema de litografia por feixe de elétrons (LEO 1530 / Raith Elphy) e bombear para baixo. Uma vez que tenha sido alcançada a vácuo, ligar a fonte de EHT e ajustado para 30 kV. Deixar o sistema nesse estado durante 1 hora para permitir que a amostra de fase, e a câmara de atingir uma temperatura de equilíbrio. Definir-se o risco como indicado no manual do usuário de seu sistema específico de litografia por feixe de elétrons. Expor a amostra, utilizando um tamanho de passo básico adequado (por exemplo, 2 nm) (sendo este o tamanho de pixel mínimo que o sistema possa expor), um tempo de repouso de, pelo menos, 1 ms (sendo este o tempo que o sistema espera entre o movimento do feixe e expondoa porção particular do padrão), e uma dose de área de 55 μAcm -2. </li><li> Desenvolvimento amostra - usando Xileno CUIDADO (xileno é tanto trabalho inflamável e altamente tóxico em uma área bem ventilada e longe de fontes de ignição e evitar o contato com a pele e olhos) a uma temperatura de 23 ° C a desenvolver a amostra para 45 seg. Enxágüe em isopropanol. </li></ol> 3. Patten Transferência <ol><li> RIE Lavagem Câmara - Definir as taxas de fluxo de argônio e hidrogênio a 200 sccm. Acelerador para baixo da bomba, através de uma válvula borboleta, para alcançar a câmara de pressão de 1 x 10 -1 mbar. Ajustar a potência de RF a 100 W, inflamar o plasma e para executar, pelo menos, 10 min - uma polarização DC de cerca de 700 V devem ser observadas. Depois de desligar a Ar / H 2 plasma, permitir que a câmara da bomba durante cerca de 1 min. Definir a velocidade de fluxo de oxigénio para dentro da câmara a 200 sccm e mais uma vez a pressão na câmara do acelerador para baixo para 1 × 10 -1 mbar. Acenda um plasma segundode oxigênio com uma potência de 100 W e correr por 5 min. Após estes procedimentos, a câmara irá estar isentos de contaminantes, tais como resíduos de polímeros, a partir de qualquer etch anterior seco. Nós realizamos este procedimento antes de cada mudança em receita etch para assegurar o máximo de repetibilidade. Este processo foi optimizado para o nosso sistema, que consiste de uma placa paralela, cátodo carregado, RIE, com uma câmara principal de 12 centímetros de diâmetro por 14 cm de altura, incluindo uma porta de 12 polegadas com uma válvula de estrangulamento e turbo-bomba molecular ligado. </li><li> Etching cristal fotônico - carregar a amostra na câmara principal RIE e bombear o sistema até uma pressão de fundo de &lt;3 x 10 -6 mBar para assegurar a câmara está livre de vapor de água. Comece a etch por pré-condicionamento da câmara com os gases de decapagem (ou seja CHF 3 e SF 6): definir a taxa de fluxo de ambos os gases a 100 sccm (ou seja, uma razão de gás definida de 1:1) e utilizando o regulador de pressão na câmara de trazer pressão de 5 x 10 <sse&gt; -2 mbar; permitir que os gases fluam para, pelo menos, 10 min. Depois de pré-condicionamento, ajustar a potência de RF para cerca de 20 W e inflamar um plasma; amostra a etch para cerca de 2 min (a taxa de corrosão de silício para estes parâmetros etch é de aproximadamente 150 nm / min), assegurando ao mesmo tempo que a pressão numa câmara de 5 × 10 -2 mbar é mantida. A polarização DC entre 200-220 V deve ser alcançado durante o período de gravação. </li><li> Amostra de limpeza para remover o remanescente de electrões sensível resistir - após decapagem a seco, limpar a amostra por lavagem em 1165 CUIDADO removedor (1165 é inflamável e pode provocar irritação nos olhos, nariz e vias respiratórias), com agitação ultra-sons durante 1-2 min, seguido por acetona e isopropanol como descrito acima (passo 1.2). </li><li> Isolamento membrana - spin-coat a amostra com foto sensível UV resistir CUIDADO Microposit S1818 G2 (S1818 G2 é inflamáveis ​​e provoca irritação nos olhos, nariz e trato respiratório) (ver passo 1.3). Usando um APLICÁVELe fotomáscara, definem janelas na resistir acima dos padrões de cristal fotônico usando o alinhador de máscara UV. Exponha a amostra para cerca de 30-45 seg. Desenvolver a resistir em CUIDADO Microposit desenvolvedor MF-319 (MF-319 é ​​um líquido alcalino e pode causar irritação nos olhos, nariz e trato respiratório) por 30-45 segundos, enxaguando depois em água desionizada. Prepara-se uma proveta de plástico com uma mistura de ácido fluorídrico CUIDADO 01:05 (1,1499 g / ml de HF 48-51%) (HF é extremamente corrosivo e facilmente destrói o tecido, quando o tratamento usa equipamento de protecção completo classificado para HF) para desionizada água. Note-se que por razões de segurança apenas copos de plástico e pinças devem ser utilizados com ácido fluorídrico. Submergir a amostra na mistura de ácido fluorídrico, durante 15 min. Após o condicionamento, lavar cuidadosamente a amostra em água desionizada. Remover o fotorresistente utilizando acetona e isopropanol (ver passo 1.2) remanescente - agitação a partir desta fase de ultra-sons e em diante, não podem ser usados. Para assegurar que a amostraé tão limpo quanto possível, a acetona e isopropanol lavagem com um enxágüe em solução CUIDADO Piranha (Piranha solução é muito enérgico, potencialmente explosiva e ataca materiais orgânicos, quando a manipulação usar equipamento pessoal de protecção total) (3:1 CUIDADO ácido sulfúrico (sulfúrico ácido é corrosivo e muito tóxico, quando a manipulação de equipamentos de proteção pessoal e evitar a inalação de vapores ou névoas) para CUIDADO peróxido de hidrogênio (água oxigenada é muito perigoso em caso de contato com a pele e olhos, quando a manipulação uso de equipamentos de proteção individual)) por 5 min , em seguida, lavar a amostra em água desionizada, acetona e isopropanol. Note-se que por razões de segurança béqueres de vidro e apenas uma pinça de metal deve ser utilizado com a solução de Piranha. Como solução Piranha podem explodir em contacto com acetona ou isopropanol, que deve ser manuseado a partir desses reagentes. </li><li> Clivagem faceta - se preparar um cristal fotônico guia de ondas de baixa luz, a exemplo requer clivagem faceta. Cleave a sample seguindo o mesmo procedimento como descrito na etapa 1.1, com excepção de que, como um arranhão pequeno quanto possível, deve ser utilizado. Um chip SOI com ~ 700 mM substrato de espessura pode ser confiavelmente clivada até 4-5 amostras mm de comprimento. </li></ol> 4. Caracterização Waveguide cristal fotônico Slow-luz <ol><li> Preparação preliminar do setup - conectar a saída de uma banda larga CUIDADO emissão espontânea amplificada (ASE) fonte de luz (radiação infravermelha invisível: evitar desnecessários altas potências, cobrir caminho do feixe se possível) para um divisor de fibra de 3 dB e usar cada uma das saídas para luz par em dois braços de um espaço livre de Mach-Zehnder interferometeter (MZI), como mostrado na Figura 9. Usar lentes asféricas para colimar a saída de luz das fibras. Em um dos braços do interferómetro, utilizar duas lentes asféricas adicionais para acoplar o feixe de luz para dentro e para fora do chip amostra. Coloque um divisor de feixe de polarização (PBS) no braço de amostra para o ligh TE-polarizet introdução da amostra. Usar lentes asféricas para acoplar os feixes de saída colimada a partir de ambos os braços de volta para uma segunda fibra divisor 3 dB, onde irão recombinar. Conectar uma das saídas para um detector de infravermelhos e utilizar a leitura do detector de maximizar o acoplamento de luz na amostra, ligar a saída para um analisador de espectro óptico (OSA). Os dois ramos da MZI deverá ter aproximadamente o mesmo comprimento óptico quando na presença da amostra: certifique-se de que as fibras dos dois ramos da MZI têm o mesmo comprimento nominal e prevê uma fase de atraso ajustável no braço de referência para permitir para o ajuste fino do seu comprimento. No braço de amostra, montar as lentes asféricas em fases de precisão xyz para obter o melhor acoplamento na amostra. </li><li> Ajustar o comprimento do braço de referência - acoplar o feixe de luz a um guia de ondas de crista em branco (isto é, sem cristal fotônico) (do mesmo tipo que o acesso de guias de onda de luz que se alimentam no interior dos cristais fotônicos) wifluidificar o mesmo chip no braço de amostra. Executar uma varredura contínua no OSA e observar os espectros de onda medido. Se os dois ramos da MZI têm aproximadamente o mesmo comprimento óptico, as franjas de espectros de exposição devido à interferência construtiva e destrutiva; estas franjas não aparecerá se os braços do MZI ter muito diferentes comprimentos ópticos (&gt; ~ cm). O espaçamento franja é inversamente proporcional à diferença no comprimento do percurso óptico entre os dois braços. Mover a fase de atraso de tornar o braço mais curto referência e observar as franjas da OSA: se eles se tornarem mais densa (sparser), o braço de referência é menor (mais) do que o braço de amostra. Definir a fase de atraso para certificar-se de que o braço de referência é menor do que o braço de amostra e os resultados no espaçamento franja de aproximadamente 5 a 10 franjas em uma gama de comprimento de onda de 10 nm (ver Figura 10a). Finalmente, executar esta otimização no dispositivo que fornece o atraso máximo e depois manter o atraso fixo ao longo da mediçãode toda a amostra. </li><li> Calibração de correr - enquanto ainda alinhado na guia de ondas em branco, executar três verificações sobre o OSA: uma verificação para o espectro de interferência e uma verificação para cada um dos dois braços em separado (obtido através do bloqueio do outro braço). Use uma resolução de 0,05-0,1 nm. Registre cada espectro medido. </li><li> Lento de aquisição de dados de luz - executar e gravar três espectros como no passo 4,3 para cada guia de ondas de cristal fotônico no chip. </li><li> A análise de Fourier dos dados - o espectro de interferência (interferograma) I (ω) é expresso matematicamente por: I (ω) = S (ω) + R (ω) + sqrt [S (ω) R (ω)] {exp [iΦ (ω) - iωτ] + cc} onde S (ω) e R (ω) são as densidades espectrais medidos separadamente a partir da amostra e os braços de referência, respectivamente. O atraso τ é definido pela posição da fase de atraso no braço de referência. A informação sobre a dispersão do guia de ondas de cristal fotônico está contido na fase deprazo, o que nós temos que extrair a partir dos dados medidos. Subtraia a não interferir fundo S (ω) + R (ω) a partir do interferograma para isolar apenas o termo interferente. Calcular a transformada de Fourier do termo interferindo: o termo sqrt (SR) exp [i (Φ-ωτ)] e seu conjugado complexo correspondem aos picos centrados em t = τ e t =-τ, respectivamente. Filtrar numericamente um dos dois termos e transformar de novo para o domínio da frequência. Diferenciar a fase Φ (ω) - ωτ dos dados resultantes relativamente à ω obter Δτ g, a diferença no atraso de grupo entre os dois braços. O grupo de índice n g = c / v g, com velocidade v g o grupo, é dada por: n = g (g Δτ PhC - Δτ g cal) c / L + n cal, onde Δτ g cal é obtida a partir dos dados de calibração tomadas from o guia de ondas em branco, L é o comprimento do guia de ondas de cristal fotônico e n = 2,7 cal é o índice efectivo do guia de ondas cume referência. O contributo para o atraso de vários elementos ópticos do configuração é tido em conta na perspectiva de calibração, e, por conseguinte, é subtraído neste passo. </li></ol><ol start="6"><li> Curva de transmissão - calcular a curva de transmissão através da normalização do espectro da amostra de um guia de ondas de cristal fotônico ao do condutor de ondas em branco. </li></ol> 5. Caracterização Cavidade de cristal fotônico <ol><li> Setup - a preparação da configuração (Figura 14) para RS inclui: de comutação do elemento de troca para o divisor de feixe de polarização; inserção de um polarizador no braço de entrada, bem como um analisador no braço de saída; inverter um espelho no braço sonda para permitir a utilização de uma fonte de infravermelho próximo; permitem a iluminação da amostra. Monte da amostra na vertical, com uma orientação de 45 ° em relação ao eixodo polarizador (Figura 18) sobre um diferencial accionado xyz micro-bloquear e ajustar o bloco de micro-, de modo que a amostra está no foco e uma cavidade pode ser visto com a câmara, como na Figura 15 (esquerda). Usando uma emissão espontânea amplificada (ASE) fonte, alinhar o feixe com o centro da cavidade Figura 15 (direita). Virar distância do espelho de iluminação e permitem que o braço de saída para introduzir o espectrómetro (monocromador com detector de arranjo em anexo). Iniciar uma verificação geral com baixa a moderada resolução, a fim de identificar os picos da cavidade. Obter o comprimento de onda da ressonância grosseiro na verificação ASE (figura 16a), com uma precisão de 1 nm. Também é possível obter a verificação amplo com uma fonte de laser sintonizável CUIDADO (TLS) (Figura 16-B) (radiação IR invisível: evitar a desnecessária potências elevadas, cobrir caminho do feixe, se possível). Um tem que ter cuidado para que a resolução está definida para o valor mais alto, a fim deprovar os line-larguras de cada pico. </li><li> Realizar exames de alta resolução sobre os picos identificados - conectar as TLS para o braço de entrada e de atenuar o feixe a um nível mW. Prepare-se para a varredura de alta resolução, permitindo que o braço de saída a ser recolhido pelo fotodetector e criação de uma varredura varredura contínua com uma resolução de 01:00 para uma ampla nm 2 centrada no comprimento de onda de ressonância anteriormente encontrado. A importância deste passo é o de melhorar a relação sinal-ruído (SNR), com o objectivo de obter uma linha de ressonância em forma de Lorentz: alterar a posição do bloco de xyz micro e voltar a executar a verificação até que a SNR é maximizada e a linha-forma é próximo do de uma Lorentziana, como mostrado na secção resultado representativo. </li></ol>

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</ol>

Não há conflitos de interesse declarados.

Fabricação Amostra Nossa escolha de feixe de elétrons resistir (ou seja ZEP 520A) é devido a sua resolução simultaneamente alta e resistência à corrosão. Acreditamos que ZEP 520A pode ser afectada pela luz UV emitida das luzes do laboratório gerais, como tal é recomendável colocar spin-revestidos amostras em recipientes opacos UV enquanto movendo-os a partir de um laboratório para outro. Passando para a definição do padrão de cristal fotônico, antes de expo...

<table><tbody><tr><td>Acetona</td><td>Fisher Scientific</td><td>A/0520/17</td><td><forte>CUIDADO: inflamável, use boa ventilação e evite todas as fontes de ignição.</td></tr><tr><td>Isopropanol</td><td>Fisher Scientific</td><td>P/7500/15</td><td>CUIDADO: inflamável, use boa ventilação e evite todas as fontes de ignição.</td></tr><tr><td>Electron Beam resist</td><td>Marubeni Europe plc.</td><td>ZEP520A</td><td>CUIDADO: inflamável, prejudicial por inalação, evite o contato com a pele e os olhos.</td></tr><tr><td>Xylene</td><td>Fisher Scientific</td><td>X/0100/17</td><td>CUIDADO: inflamável e altamente tóxico, use boa ventilação, evite todas as fontes de ignição, evite o contato com a pele e os olhos.</td></tr><tr><td>Microposit S1818 G2</td><td>Chestech Ltd.</td><td>10277866</td><td>CUIDADO: inflamável e causa irritação nos olhos, nariz e trato respiratório.</td></tr><tr><td>Microposit Desenvolvedor MF-319</td><td>Chestech Ltd.</td><td>10058721</td><td>CUIDADO: líquido alcalino e pode causar irritação nos olhos, nariz e trato respiratório.</td></tr><tr><td>Ácido fluorídrico</td><td>Fisher Scientific</td><td>22333-5000</td><td>CUIDADO: extremamente corrosivo, destrói facilmente o tecido; manuseie com equipamento de proteção individual completo classificado para HF.</td></tr><tr><td>Microposit 1165 Remover</td><td>Chestech Ltd.</td><td>10058734</td><td>CUIDADO: inflamável e causa irritação nos olhos, nariz e trato respiratório.</td></tr><tr><td>Ácido sulfúrico</td><td>Fisher</td><td>Scientific S/9120/PB17</td><td>CUIDADO: corrosivo e muito tóxico; manuseie com equipamento de proteção individual e evite a inalação de vapores ou névoas.</td></tr><tr><td>Hydrogen Peroxide</td><td>Fisher Scientific</td><td>BPE2633-500</td><td><forte>CUIDADO: muito perigoso em caso de contato com a pele e os olhos; Lidar com equipamento de proteção individual.</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>lâminas de microscópio</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB58622</td><td></td></tr><tr><td>Copos</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB33109</td><td></td></tr><tr><td>pinças</td><td>SPI Suprimentos</td><td>PT006-AB</td><td></td></tr><tr><td>Banho Ultrassônico</td><td>Camlab</td><td>1161436</td><td></td></tr><tr><td>Spin-Coater</td><td>Electronic Micro Systems Ltd.</td><td>EMS 4000</td><td></td></tr><tr><td>Pipeta</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB55343</td><td></td></tr><tr><td>Sistema de Litografia de Feixe Eletrônico</td><td>Raith Gmbh</td><td>Raith 150</td><td></td></tr><tr><td>Sistema de Gravação de Íons Reativos</td><td>Proprietário Projetado internamente</td> <td>-</td> Alinhador de <td></td></tr><tr><td>máscara UV</td><td>Karl Suss</td><td>MJB-3</td><td></td></tr><tr><td>Fonte ASE</td><td>Amonics</td><td>ALS-CL-15-B-FA</td><td>CUIDADO: radiação IR invisível.</forte></td></tr><tr><td>Fibras monomodo</td><td>Thorlabs</td><td>P1-SMF28E-FC-2</td><td></td></tr><tr><td>Divisores de fibra de 3 dB</td><td>Thorlabs</td><td>C-WD-AL-50-H-2210-35-FC/FC</td><td></td></tr><tr><td>Lentes asféricas</td><td>New Focus</td><td>5720-C</td><td></td></tr><tr><td>XYZ estágios</td><td>Melles Griot</td><td>17AMB003/MD</td><td></td></tr><tr><td>Cubo divisor de feixe polarizador</td><td>Thorlabs</td><td>PBS104</td><td></td></tr><tr><td>Detector IR</td><td>Novo Focus</td><td>2033</td><td></td></tr><tr><td>100&#215; Objetiva</td><td>Nikon</td><td>BD Plan 100x</td><td></td></tr><tr><td>Osciloscópio</td> Analisador de Espectro Óptico <td>Tektronix</td><td>TDS1001B</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Advantest</td><td>Q8384</td><td></td></tr><tr><td>Placa do sensor IR</td><td>Newport</td><td>F-IRC2</td><td></td></tr><tr><td>Fonte TLS</td><td>Agilent</td><td>81940A</td><td>CUIDADO: radiação IR invisível.</td></tr><tr><td>IR Câmera</td><td>Detector de infravermelho de eletrofísica</td><td>7290A</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Novo Foco</td><td>2153</td><td></td></tr><tr><td>Multímetro digital</td><td>Agilent</td><td>34401A</td><td></td></tr><tr><td>Iluminação</td><td>Stocker Yale</td><td>Lite Mite</td><td></td></tr><tr><td>Monocromator</td><td>Produtos espectrais</td><td>DK480</td><td></td></tr><tr><td>Detector de matriz</td><td>Andor</td><td>DU490A-1.7</td><td></td></tr><tr><td>GIF Fiber</td><td>Thorlabs</td><td>31L02</td><td></td></tr></tbody></table>

fabricação e caracterização de guias de onda de luz de cristal fotônico lentas e cavidades

Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Luz lenta tem sido um dos temas quentes na comunidade fotônica na última década, gerando grande interesse, tanto do ponto de vista fundamental e para o seu considerável potencial para aplicações práticas. Lentas luz guias de cristal fotônico, em particular, têm desempenhado um papel importante e tem sido empregada com sucesso para retardar sinais ópticos 1-4 e o reforço de ambos os dispositivos lineares e não-lineares 5-7. 8-11 Cavidades de cristal fotônico obter efeitos semelhantes ao de guias de onda de luz lenta, mas mais de uma reduzida largura de banda. Estas cavidades oferecer Q-factor/volume proporção elevada, para a realização de 12 e opticamente electricamente 13 bombeou lasers ultra-baixo limiar eo acessório de efeitos não lineares. 14-16 Por outro lado, os filtros passivos 17 e moduladores 18-19 foram demonstrados, exibindo ultra-estreito linha de largura, r livre-espectralange e gravar valores de baixo consumo de energia. Para atingir estes resultados animadores, um protocolo de fabricação robusta repetitivo deve ser desenvolvida. Neste trabalho, dar uma olhada em profundidade no nosso protocolo de fabricação que utiliza litografia por feixe de elétrons para a definição de padrões de cristal fotônico e usa técnicas de gravura secos e molhados. Nossos resultados otimizados de fabricação receita em cristais fotônicos que não sofrem assimetria vertical e exibem muito bom aspereza da borda da parede. Discutem-se os resultados da variação dos parâmetros de corrosão e os efeitos nocivos que podem ter sobre um dispositivo, que conduz a uma via de diagnóstico que podem ser tomadas para identificar e eliminar os problemas semelhantes. A chave para a avaliação de guias de onda de luz lentos é a caracterização de transmissão passiva e espectros de índice do grupo. Vários métodos têm sido relatados, principalmente resolver as franjas de Fabry-Perot de o espectro de transmissão de 20-21 umtécnicas d interferométricos. 22-25 Aqui, descrevemos um direto, técnica de medição de banda larga combinando interferometria espectral com análise de Fourier de transformação. Nosso método 26 se destaca por sua simplicidade e poder, como podemos caracterizar um cristal fotônico nua com guias de acesso, sem necessidade para os componentes on-chip de interferência, ea instalação consiste apenas de um interferômetro de Mach-Zehnder, sem a necessidade de peças móveis e digitalizações de atraso. Quando caracterização fotónicas cavidades de cristal, que envolvem técnicas de fontes internas 21 ou externas guias de onda directamente acoplados à cavidade 27 no impacto do desempenho da própria cavidade, distorcendo assim a medição. Aqui, descrevemos uma nova técnica e não intrusivo que faz uso de uma sonda de feixe de polarização cruzada e é conhecida como espalhamento ressonante (RS), em que a sonda é acoplada fora do plano no interior da cavidade por meio de um objectivo. A técnica foi a primeira demonstraçãoted em 28. McCutcheon et al e desenvolvido por Galli et al. 29

Amostras fabricadas
Figura 1 mostra uma imagem de microscopia eletrônica de varredura (MEV) de um padrão exposto e revelado em uma resistência para feixe de elétrons – é evidente, pela borda "limpa" entre a resistência e o substrato de silício, que a exposição e a revelação foram completas. A exposição de padrões de teste de dose, constituídos por formas simples repetidas (no nosso caso, quadrados de 50 × 50 μm), cada um com uma dose base diferente, é utilizada para determinar o...

O uso de guias de onda de luz de cristal fotônico lentos e cavidades tem sido amplamente adotado pela comunidade fotônica em muitas aplicações diferentes. Portanto fabricação e caracterização destes dispositivos são de grande interesse. Este artigo descreve a nossa técnica de fabricação e dois métodos de caracterização óptica, a saber: a dispersão interferométrica (guias de onda) e ressonância (cavidades).

Fabricação e caracterização de guias de onda de luz de cristal fotônico lentas e cavidades

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 ...

O objetivo geral deste procedimento é fabricar e caracterizar um guia ou cavidade de ondas de luz lenta de cristal fotônico. Isso é feito preparando primeiro o silício no chip isolador para litografia por feixe de elétrons, limpando e revestindo o chip com ZEP cinco 20 a resist. O segundo passo é expor e desenvolver o padrão de cristal fotônico usando litografia de feixe de elétrons para definição de padrão e xileno para desenvolvimento.Em seguida, transfira o padrão de cristal fotônico para a camada superior de silício do chip gravando a amostra por plasma no gravador de íons reativos. A etapa final é remover a camada de óxido enterrada, gravando a sílica em ácido fluorídrico. Isso cria dispositivos de cristal fotônico de membrana, em outras palavras, dispositivos com ar acima e abaixo da camada de cristal fotônico de silício.Em última análise, o dispositivo é caracterizado opticamente se a amostra contiver guias de onda de cristal fotônico entre o experimento de luz lenta baseado em interferômetro for realizado se a amostra consistir em cavidades de cristal fotônico. Em vez disso, uma técnica de espalhamento de ressonância é usada para caracterização. O objetivo do nosso trabalho é estudar a interação luz-matéria em nanoestruturas fotônicas e fazer novos dispositivos e explorar conceitos interessantes em tais estruturas.Portanto, para nos concentrarmos e podermos realmente nos concentrar na física deste trabalho, precisamos de um protocolo de fabricação confiável. Desenvolvemos um protocolo baseado em silício sobre isolante, que consideramos muito confiável e conveniente, e ao disponibilizar este protocolo para uma gama mais ampla de usuários e outros pesquisadores, esperamos estimular mais atividades nessa área. Quanto à caracterização de nossa vida lenta dos guias de onda de cristal Tory, nossa técnica se destaca por sua simplicidade e potência, pois não requer componentes interferométricos no chip ou peças móveis.A principal vantagem desta técnica de espalhamento de ressonância sobre os métodos existentes é que ela permite uma caracterização de cavidades de cristal fotônico e um arranjo fora do plano, o que normalmente exigiria uma fonte de luz interna Para começar a limpar um silício no wafer isolante, colocando-o em um banho ultrassônico de acetona por um a dois minutos. Em seguida, transfira a amostra para isopropanol por 30 segundos para remover qualquer acetona residual e seque-a usando uma pistola de nitrogênio limpa e seca. Em seguida, coloque o wafer em um codificador de rotação e pipete em CEP 5 28 Photoresist suficiente para cobrir completamente a amostra.Gire a amostra a 3.200 RPM por 60 segundos para produzir um filme de 350 nanômetros de espessura. Retire o wafer do codificador de centrifugação e leve ao forno em uma chapa quente a 180 graus Celsius por 10 minutos. Depois que o chip for resfriado, coloque-o na câmara de exposição do padrão do sistema de litografia por feixe de elétrons e bombeie para baixo quando o vácuo total for alcançado.Defina a tensão de aceleração para 30 quilovolts e deixe o sistema se equilibrar por uma hora. Em seguida, exponha a amostra com uma dose de área de 55 micro amperes por centímetro quadrado. Usando um tamanho de passo de dois nanômetros.Desenvolva a amostra colocando-a em xileno a 23 graus Celsius por 45 segundos. Em seguida, enxágue o xileno residual com isopropanol. Depois de limpar a câmara de gravação de íons reativos, carregue a amostra e bombeie o sistema para menos de três vezes 10 elevado a seis negativos.Milibar Em seguida, pré-condicione a câmara fluindo em fluor e hexafluoreto de enxofre em uma proporção de um para um a 100 SECM e permita que os gases fluam por pelo menos 10 minutos. Em seguida, defina a potência de RF para 20 watts e acenda um plasma. Condicionar a amostra durante cerca de dois minutos, assegurando que é mantida uma pressão da câmara de cinco vezes 10 elevado a dois mili bar negativos.Em seguida, remova a amostra e limpe-a enxaguando. Em 1165, remova com agitação ultrassônica por um a dois minutos, seguido de acetona e isopropanol. Para iniciar o isolamento da membrana, gire a amostra com micros fotorresistentes sensíveis aos raios UV S 1818 G dois.Usando uma máscara fotográfica apropriada. Defina janelas dentro da resistência acima dos padrões de cristal fotônico usando o alinhador de máscara UV. Exponha a amostra por aproximadamente 30 a 45 segundos.Revele a fotorresistência no micro posit developer MF 3 1 9 por 30 a 45 segundos. Enxágue depois e água deionizada. Em seguida, grave a amostra em uma parte de ácido fluorídrico em cinco partes de água deionizada por 15 minutos.Após a gravação, enxágue bem a amostra e água deionizada. Remova o fotorresistente restante usando acetona por cinco minutos ou até que a amostra pareça limpa. Em seguida, enxágue, isopropanol e seque com nitrogênio.Em seguida, limpe a amostra em um banho de piana de três partes de ácido sulfúrico para uma parte de peróxido de hidrogênio por cinco minutos. Em seguida, enxágue a amostra em água deionizada, acetona e isopropanol. Finalmente, cleve a amostra fazendo pequenos arranhões em cada lado do chip revestindo os arranhões com a borda de uma lâmina de vidro e pressione para clivar ao longo das linhas de arranhões.Para medir as curvas de transmissão e índice de grupo de guias de ondas de cristal fotônico de luz lenta, configure um sistema de detecção interferométrica zender simulado mostrado aqui, conforme descrito em detalhes no protocolo que acompanha. Em seguida, insira o chip no lugar e acople a luz em um guia de ondas em branco. Ajuste o atraso stage até que o comprimento do braço de referência seja menor que o sample braço.Continue a ajustar o atraso stage e observe a potência transmitida através de uma camada contínua do analisador de espectro óptico. Ajuste até que quatro a 10 franjas sejam observadas em uma faixa de comprimento de onda de 10 nanômetros. Uma vez ajustado, mantenha a linha de atraso fixa durante as medições.Em seguida, calibre a configuração executando três varreduras do guia de onda em branco no analisador de espectro óptico usando uma resolução de 0,05 a 0,1 nanômetros. Uma varredura para o espectro de interferência e uma varredura para cada um dos dois braços separadamente. Registre cada espectro medido.Em seguida, execute as mesmas três varreduras em cada guia de onda de cristal fotônico no chip. Finalmente, calcule a curva de transmissão normalizando o espectro de amostra de um guia de onda de cristal fotônico para o da guia de onda em branco. Além disso, calcule a curva de índice de grupo a partir dos espectros de interferência, conforme descrito no protocolo.Comece montando a amostra verticalmente com uma orientação de 45 graus em relação ao eixo do polarizador em um microbloco XY, Z acionado por diferencial e ajuste o microbloco para que a amostra fique em foco e uma cavidade possa ser vista com a câmera usando uma fonte de emissão espontânea amplificada. Alinhe a viga com o centro da cavidade. Em seguida, inicie uma varredura ampla com uma resolução de carga a moderada.Para identificar os picos da cavidade, obter o comprimento de onda do curso da ressonância na varredura de emissão espontânea amplificada com uma precisão de mais ou menos um nanômetro. Uma vez identificados os picos da cavidade, realize varreduras de alta resolução com a fonte de laser sintonizável atenuada para níveis de microwatts. Varredura com uma resolução de um metro de pico para uma faixa de dois nanômetros centrada no comprimento de onda de ressonância encontrado anteriormente.Altere a posição XY, Z do microbloco e execute novamente a varredura até que a relação sinal-ruído seja maximizada e a forma da linha esteja próxima à de um lian mostrado aqui. A corrosão bem-sucedida com o sistema de gravação de íons reativos produz uma amostra com paredes laterais verticais e sem alargamento dos orifícios em qualquer superfície do silício. As configurações de pressão, potência e tempo foram otimizadas para a criação ideal da estrutura.Quando a pressão de gravação de íons reativos está acima do ideal, o aumento da pressão causa um ângulo na parede do cristal fotônico. Aumentos na potência de RF também podem causar irregularidades no cristal, como o alargamento dos orifícios do cristal fotônico mostrados à direita. Muito tempo de exposição causa uma combinação de efeitos devido à quebra do fotorresistente, resultando no alargamento dos orifícios do cristal fotônico e das paredes laterais angulares.Um guia de ondas em branco resulta em franjas uniformemente distribuídas em toda a faixa de comprimento de onda. Quando o espaço em branco é substituído por um guia de onda de cristal fotônico de luz lenta projetado de 80 micrômetros de comprimento, as franjas se tornam mais densas em comprimentos de onda acima de 1.575 nanômetros, marcando a transição do regime de luz rápida para o lento. Este método fornece índices de grupo medidos em excesso de 100 para um guia de ondas de 80 micrômetros de comprimento e quase 90 para um guia de 300 micrômetros de comprimento.Varreduras de alta resolução com uma fonte de laser T Noble produzirão idealmente uma forma de linha Lian para análise precisa do fator Q de 43.855 em um comprimento de onda de cerca de 1.562 nanômetros. O protocolo que acabamos de descrever foi otimizado para guias de ondas de cristal fotônico e cavidades na importante faixa de comprimento de onda de telecomunicações de 1550 nanômetros. Claramente, também podemos fazer outros tipos de guias de ondas que são igualmente exigentes.Também podemos fazê-lo em diferentes comprimentos de onda e, ao fornecer todos esses detalhes para a comunidade, esperamos que outras pessoas se inspirem a experimentar isso em diferentes materiais e para outras aplicações. Com nossa técnica de medição, baseada em interferometria espectral e análise de transformada de Foer, somos capazes de medir índices de grupo acima de 100 com uma configuração óptica muito simples. A técnica de caracterização de cavidades permite uma caracterização rápida, direta e não intrusiva das propriedades espectrais de nanocavidades de cristal fotônico, como a determinação do fator de qualidade do mos ressonante.

fabrication-characterization-photonic-crystal-slow-light-waveguides

Research

JoVE Journal

Engineering

Engenharia

Nós descrevemos a utilização de uma técnica de carbono refluxo dióxido de laser para fabricar cavidades de sílica ressonantes, incluindo autónoma microesferas e no chip microtoroids. O método de refluxo remove imperfeições superficiais, permitindo longos tempos de vida de fotões dentro ambos os dispositivos. Os dispositivos resultantes têm ultra-fatores de alta qualidade, permitindo aplicações que vão das telecomunicações à biodetection.

Fabricação de Sílica Ultra microresonators alto fator de qualidade

São apresentadas as técnicas personalizadas desenvolvidas em nosso laboratório para a construção de sistemas de fotônica de microondas baseado em ultra-alta Q galeria de sussurros modo ressonadores. Os protocolos para obter e caracterizar esses ressonadores são detalhados, e uma explicação de algumas das suas aplicações em fotônica de microondas é dado.

Microwave Systems Fotônica Baseado Ressonadores-gallery de modo Whispering

Nós desenvolver e caracterizar uma fibra ótica de polímero desordenado que usa transversal localização Anderson como um novo mecanismo guia de onda. Esta fibra microestruturada pode transportar uma viga pequena localizada com um raio que é comparável com o raio do feixe de fibras ópticas convencionais.

Fabricação e caracterização de polímeros desordenados fibras ópticas para Transverse Anderson localização da Luz

Excitações optomecânicas paramétricas foram recentemente demonstradas experimentalmente em ressonadores optomecânicos microfluídicos por meio de pressão de radiação óptica e espalhamento de Brillouin estimulado. Este artigo descreve a fabricação desses ressonadores microfluídicos juntamente com metodologias para gerar e verificar oscilações optomecânicas.

Fabricação e Teste de microfluídicos optomechanical osciladores

Estruturas desordenadas oferecer novos mecanismos para a formação de bandgaps fotônicos e liberdade sem precedentes em projetos funcionais de defeitos. Para driblar os desafios computacionais de sistemas desordenados, construímos amostras macroscópicas modulares da nova classe de materiais PBG e utilizar microondas para caracterizar suas propriedades fotônicas escala invariante, de uma forma fácil e barata.

Usando microondas e amostras macroscópicas de dielétricos sólidos para estudar as propriedades fotônicas de desordenados fotônicos Bandgap Materiais

Nós apresentamos um protocolo para a fabricação de cavidades de cristal fotônico 1-D em fibras de sílica de diâmetro subwavelength (nanofibras ópticos) usando a ablação induzida por laser de femtossegundos.

Fabricação de 1-D cristal fotônico cavidade em um nanofibras com ablação induzida por laser femtosegundo

São apresentados protocolos para a síntese de microesferas a partir de polímeros, manipulação de microesferas e medições de micro-fotoluminescência.

Fabricação de Microsferas de Polímeros para Resonadores Ópticos e Aplicações Laser

Espectros de tecido óptico são ferramentas essenciais para calibração e caracterização de sistemas de imagem ópticos e validação de modelos teóricos. Este artigo detalha um método para a fabricação de fantasma que inclui replicação das propriedades ópticas do tecido e a estrutura do tecido tridimensional.

Fabricação e caracterização de espectros ópticos de tecido contendo Macrostructure

A estrutura da banda fotônica permite entender como os modos eletromagnéticos confinados se propagam dentro de um cristal fotônico. Em cristais fotônicos que incorporam elementos magnéticos, tais modos ópticos confinados e ressonantes são acompanhados por atividade magneto-óptica aprimorada e modificada. Descrevemos um procedimento de medição para extrair a estrutura da banda magneto-óptica pela microscopia espacial Fourier.

Caracterização magneto-óptica espectral e de ângulo-resolvido de nanoestruturas fotônicas

Descrito aqui é um método de litografia de nanosfera para fabricação paralela de guias de onda de modo zero, que são matrizes de nanoaperaturas em uma microscopia de vidro revestida de metal para imagens de moléculas únicas em concentrações de nano-a-micromolar de fluoroforos. O método aproveita a automontagem de cristal coloidal para criar um modelo de guia de onda.

Fabricação de guias de ondas de modo zero para microscopia de molécula única de alta concentração

Este protocolo descreve a construção de um étalon de Fabry-Perot de baixo custo, discreto, acoplado a fibras e com espaço aéreo com várias aplicações, como em espectroscopia de gás traço. A fabricação é possível em qualquer instalação com equipamento de laboratório óptico padrão disponível.

Fabricação de um Etalon Fabry-Pérot de baixo custo, acoplado à fibra e com espaço a ar

Aprenda a fabricar e caracterizar guias de onda de luz lenta e cavidades de cristal fotônico usando litografia de feixe de elétrons e gravação por plasma. Este método avança a pesquisa em fotonica.

Fabricação e caracterização de guias de onda de luz de cristal fotônico lentas e cavidades

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