Summary

تصنيع وتوصيف الدليل الموجي الكريستال الضوئية الخفيفة بطيئة وتجاويف

Published: November 30, 2012
doi:

Summary

استخدام الدليل الموجي الكريستال الضوئية ضوء بطيئة وتجاويف اعتمد على نطاق واسع من قبل المجتمع الضوئيات في العديد من التطبيقات المختلفة. ولذلك تصنيع وتوصيف هذه الأجهزة ذات أهمية كبيرة. هذه الورقة التقنية لدينا تصنيع وتوصيف بصري طريقتين، هما: نثر التداخل (الدليل الموجي) والرنانة (تجاويف).

Abstract

كان ضوء بطيئة واحدة من القضايا الساخنة في المجتمع الضوئيات في العقد الماضي، وتوليد اهتمام كبير سواء من وجهة نظر أساسية للمشاهدة وإمكاناتها الكبيرة للتطبيقات العملية. مرشد _ الموجة البطيئة ضوء الكريستال الضوئية، على وجه الخصوص، لعبت دورا رئيسيا ولقد استخدمت بنجاح لتأخير الإشارات الضوئية 8-11 1-4 وتعزيز كلا الجهازين الخطية 5-7 و غير الخطية.

تجاويف الكريستال الضوئية تحقيق تأثيرات مماثلة لتلك التي مرشد _ الموجة الخفيفة بطيئة، ولكن على مدى انخفاض عرض النطاق الترددي هذه التجاويف نسبة عرض عالية Q-factor/volume، لتحقيق بصريا من 12 و 13 كهربائيا ضخ الليزر عتبة منخفضة للغاية، وتعزيز الآثار غير الخطية. 14-16 وعلاوة على ذلك، والمرشحات السلبي 17 و 18-19 جهري أثبتت، معرض ضيقة جدا خط العرض، وارتفاع مجانا الأطياف صأنجي وسجل قيم استهلاك الطاقة منخفضة.

لتحقيق هذه النتائج مثيرة، لا بد من وضع بروتوكول تصنيع قوية للتكرار. ونحن في هذه الورقة إلقاء نظرة معمقة على بروتوكول تلفيق لدينا والتي تستخدم شعاع الإلكترون الطباعة الحجرية لتعريف أنماط الكريستال الضوئية ويستخدم تقنيات النقش الرطب والجاف. لدينا وصفة تصنيع الأمثل النتائج في البلورات الضوئية التي لا تعاني من التباين العمودي ويحمل جيدة جدا حافة الجدار خشونة. نناقش نتائج متفاوتة المعلمات الحفر والآثار الضارة التي يمكن أن يكون على جهاز، مما يؤدي إلى طريق التشخيص التي يمكن اتخاذها لتحديد والقضاء على قضايا مماثلة.

المفتاح لتقييم الدليل الموجي ضوء بطيئة هو توصيف السلبي للنقل ومجموعة أطياف الفهرس. تم الإبلاغ عن أساليب مختلفة، وأبرزها حل هامش فابري بيرو، من الطيف انتقال إلى 20-21تقنيات التداخل د. 22-25 وهنا، نحن تصف المباشر، وتقنية النطاق العريض قياس التداخل الطيفي مع الجمع بين تحليل تحويل فورييه 26 طريقة لدينا تبرز لبساطته والسلطة، ونحن يمكن أن تميز الكريستال الضوئية عارية مع مرشد _ الموجة الوصول، دون الحاجة لمكونات تدخل على الرقاقة، والإعداد يتكون فقط من تداخل ماخ زيندر، ولا حاجة لنقل قطع الغيار وعمليات الفحص تأخير.

عندما تميز تجاويف الكريستال الضوئية، والتقنيات التي تنطوي على مصادر داخلية 21 أو مرشد _ الموجة الخارجية بالإضافة مباشرة إلى الأثر 27 تجويف على أداء تجويف نفسها، وبالتالي تشويه القياس. هنا، نحن تصف تقنية جديدة وغير تدخلية الذي يجعل من استخدام شعاع التحقيق عبر الاستقطاب وكما هو معروف نثر الرنانة (RS)، حيث يقترن التحقيق خارج الطائرة في تجويف من خلال الهدف. كان أول تقنية البرهانتيد بنسبة 28. ماك كوتشون وآخرون وتطويرها من قبل جالي وآخرون 29

Protocol

تنويه: البروتوكول التالي يعطي تدفق العملية العامة التي تغطي تقنيات التصنيع والتوصيف للمرشد _ الموجة الضوئية الكريستال وتجاويف. تم تحسين عملية تدفق للمعدات محددة متاحة في مختبرنا، والمعلمات قد تختلف إذا تم استخدام الكواشف الأخرى أو المعدات. <p class="jove_title" sty…

Representative Results

Fabricated samples Figure 1 shows a scanning electron microscope (SEM) image of an exposed and developed pattern in electron beam resist – it is evident from the “clean” edge between the resist and the silicon substrate that complete exposure/development has been accomplished. Exposure of dose test patterns, consisting of simple repeated shapes (in our case 50 × 50 μm squares), each with a differing base dose, are used to determine the correct dose factor and developmen…

Discussion

عينة تلفيق

اختيارنا للمقاومة شعاع الإلكترون (أي ZEP 520A) ويرجع ذلك إلى ارتفاع قرارها في وقت واحد والمقاومة حفر. ونحن نعتقد أن قد تتأثر 520A ZEP من ضوء الأشعة فوق البنفسجية المنبعثة من مصابيح المختبر النفقات العامة، على هذا النحو فإن?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

الكتاب الامتنان الدكتور ماتيو غالي، والدكتور سيمون Portalupi L. والأستاذ لوسيو اندرياني C. من جامعة بافيا للمناقشات مفيدة تتعلق RS تقنية وتنفيذ القياسات.

Materials

Name Company Catalogue number Comments (optional)
Acetone Fisher Scientific A/0520/17 CAUTION: flammable, use good ventilation and avoid all ignition sources.
Isopropanol Fisher Scientific P/7500/15 CAUTION: flammable, use good ventilation and avoid all ignition sources.
Electron Beam resist Marubeni Europe plc. ZEP520A CAUTION: flammable, harmful by inhalation, avoid contact with skin and eyes.
Xylene Fisher Scientific X/0100/17 CAUTION: flammable and highly toxic, use good ventilation, avoid all ignition sources, avoid contact with skin and eyes.
Microposit S1818 G2 Chestech Ltd. 10277866 CAUTION: flammable and causes irritation to eyes, nose and respiratory tract.
Microposit Developer MF-319 Chestech Ltd. 10058721 CAUTION: alkaline liquid and can cause irritation to eyes, nose and respiratory tract.
Hydrofluoric Acid Fisher Scientific 22333-5000 CAUTION: extremely corrosive, readily destroys tissue; handle with full personal protective equipment rated for HF.
Microposit 1165 Remover Chestech Ltd. 10058734 CAUTION: flammable and causes irritation to eyes, nose and respiratory tract.
Sulphuric Acid Fisher Scientific S/9120/PB17 CAUTION: corrosive and very toxic; handle with personal protective equipment and avoid inhalation of vapours or mists.
Hydrogen Peroxide Fisher Scientific BPE2633-500 CAUTION: very hazardous in case of skin and eye contact; handle with personal protective equipment.
      Equipment
Silicon-on-Insulator wafer Soitec G8P-110-01  
Diamond Scribe J & M Diamond Tool Inc. HS-415  
Microscope slides Fisher Scientific FB58622  
Beakers Fisher Scientific FB33109  
Tweezers SPI Supplies PT006-AB  
Ultrasonic Bath Camlab 1161436  
Spin-Coater Electronic Micro Systems Ltd. EMS 4000  
Pipette Fisher Scientific FB55343  
E-beam Lithography System Raith Gmbh Raith 150  
Reactive Ion Etching System Proprietary In-house Designed  
UV Mask Aligner Karl Suss MJB-3  
ASE source Amonics ALS-CL-15-B-FA CAUTION: invisible IR radiation.
Single mode fibers Thorlabs P1-SMF28E-FC-2  
3 dB fiber splitters Thorlabs C-WD-AL-50-H-2210-35-FC/FC  
Aspheric lenses New Focus 5720-C  
XYZ stages Melles Griot 17AMB003/MD  
Polarizing beamsplitter cube Thorlabs PBS104  
IR detector New Focus 2033  
100× Objective Nikon BD Plan 100x  
Oscilloscope Tektronix TDS1001B  
Optical Spectrum Analyzer Advantest Q8384  
IR sensor card Newport F-IRC2  
TLS source Agilent 81940A CAUTION: invisible IR radiation.
IR Camera Electrophysics 7290A  
IR Detector New Focus 2153  
Digital Multimeter Agilent 34401A  
Illumination Stocker Yale Lite Mite  
Monochromator Spectral Products DK480  
Array Detector Andor DU490A-1.7  
GIF Fiber Thorlabs 31L02  

References

  1. Baba, T., Kawasaki, T., Sasaki, H., Adachi, J., Mori, D. Large delay-bandwidth product and tuning of slow light pulse in photonic crystal coupled waveguide. Opt. Express. 16 (12), 9245-9253 (2008).
  2. Melloni, A., Canciamilla, A., et al. Tunable delay lines in silicon photonics: coupled resonators and photonic crystals, a comparison. IEEE Photon. J. 2 (2), 181-194 (2010).
  3. Ishikura, N., Baba, T., Kuramochi, E., Notomi, M. Large tunable fractional delay of slow light pulse and its application to fast optical correlator. Opt. Express. 19 (24), 24102-24108 (2011).
  4. Beggs, D. M., Rey, I. H., Kampfrath, T., Rotenberg, N., Kuipers, L., Krauss, T. F. Ultrafast tunable optical delay line based on indirect photonic transitions. Phys. Rev. Lett. 108 (21), 213901 (2012).
  5. Beggs, D. M., White, T. P., O’Faolain, L., Krauss, T. F. Ultracompact and low-power optical switch based on silicon photonic crystals. Opt. Lett. 33 (2), 147-149 (2008).
  6. Nguyen, H. C., Sakai, Y., Shinkawa, M., Ishikura, N., Baba, T. 10 Gb/s operation of photonic crystal silicon optical modulators. Opt. Express. 19 (14), 13000-13007 (1364).
  7. Kampfrath, T., Beggs, D. M., White, T. P., Melloni, A., Krauss, T. F., Kuipers, L. Ultrafast adiabatic manipulation of slow light in a photonic crystal. Phys. Rev. A. 81 (4), 043837 (2010).
  8. Monat, C., Corcoran, B., et al. Slow light enhancement of nonlinear effects in silicon engineered photonic crystal waveguides. Opt. Express. 17 (4), 2944-2953 (2009).
  9. Corcoran, B., Monat, C., et al. light emission in silicon through slow-light enhanced third-harmonic generation in photonic-crystal waveguides. Nature Photon. 3, 206-210 (2009).
  10. Li, J., O’Faolain, L., Rey, I. H., Krauss, T. F. Four-wave mixing in photonic crystal waveguides: slow light enhancement and limitations. Opt. Express. 19 (5), 4458-4463 (2010).
  11. Checoury, X., Han, Z., Boucaud, P. Stimulated Raman scattering in silicon photonic crystal waveguides under continuous excitation. Phys. Rev. B. 82 (4), 041308 (2010).
  12. Y, Photonic crystal nanocavity laser with a single quantum dot gain. Opt. Express. 17 (18), 15975-15982 (2009).
  13. Ellis, B., Mayer, M. A., et al. Ultralow-threshold electrically pumped quantum-dot photonic-crystal nanocavity laser. Nature Photon. 24, 297-300 (2011).
  14. Galli, M., Gerace, D., et al. Low-power continuous-wave generation of visible harmonics in silicon photonic crystal nanocavities. Opt. Express. 18 (25), 26613-26624 (2010).
  15. Notomi, M., Shinya, A., Mitsugi, S., Kira, G., Kuramochi, E., Tanabe, T. Optical bistable switching action of Si high-Q photonic-crystal nanocavities. Opt. Express. 13 (7), 2678-2687 (2005).
  16. Shambat, G., Rivoire, K., Lu, J., Hatami, F., Vučkovič, J. Tunable-wavelength second harmonic generation from GaP photonic crystal cavities coupled to fiber tapers. Opt. Express. 18 (12), 12176-12184 (2010).
  17. Fan, S., Villeneuve, P. R., Joannopoulos, J. D., Haus, H. A. Channel drop filters in photonic crystals. Opt. Express. 3 (1), 4-11 (1998).
  18. Tanabe, T., Nishiguchi, K., Kuramochi, E., Notomi, M. Low power and fast electro-optic silicon modulator with lateral p-i-n embedded photonic crystal nanocavity. Opt. Express. 17 (25), 22505-22513 (2009).
  19. Nozaki, K., Tanabe, T., et al. Sub-femtojoule all-optical switching using a photonic-crystal nanocavity. Nature Photon. 4, 477-483 (2010).
  20. Notomi, M., Yamada, K., Shinya, A., Takahashi, J., Takahashi, C., Yokohama, I. Extremely large group-velocity dispersion of line-defect waveguides in photonic crystal slabs. Phys. Rev. Lett. 87 (25), 253902 (2001).
  21. Labilloy, D., Benisty, H., Weisbuch, C., Smith, C. J. M., Krauss, T. F., Houdré, R., Oesterle, U. Finely resolved transmission spectra and band structure of two-dimensional photonic crystals using emission from InAs quantum dots. Phys. Rev. B. 59 (3), 1649-1652 (1999).
  22. Inanç Tarhan, I., Zinkin, M. P., Watson, G. H. Interferometric technique for the measurement of photonic band structure in colloidal crystals. Opt. Lett. 20 (14), 1571-1573 (1995).
  23. Galli, M., Marabelli, F., Guizzetti, G. Direct measurement of refractive-index dispersion of transparent media by white-light interferometry. Appl. Opt. 42 (19), 3910-3914 (1364).
  24. Galli, M., Bajoni, D., Marabelli, F., Andreani, L. C., Pavesi, L., Pucker, G. Photonic bands and group-velocity dispersion in Si/SiO2 photonic crystals from white-light interferometry. Phys. Rev. B. 69 (11), 115107 (2004).
  25. Vlasov, Y. A., O’Boyle, M., Hamann, H. F., McNab, S. J. Active control of slow light on a chip with photonic crystal waveguides. Nature. 438, 65-69 (2005).
  26. Gomez-Iglesias, A., O’Brien, D., O’Faolain, L., Miller, A., Krauss, T. F. Direct measurement of the group index of photonic crystal waveguide via Fourier transform spectral interferometry. Appl. Phys. Lett. 90 (26), 261107 (2007).
  27. Akahane, Y., Asano, T., Song, B. -. S., Noda, S. High-Q photonic nanocavity in a two-dimensional photonic crystal. Nature. 425, 944-947 (2003).
  28. McCutcheon, M. W., Rieger, G. W., et al. Resonant scattering and second-harmonic spectroscopy of planar photonic crystal microcavities. Appl. Phys. Lett. 87 (22), 221110 (2005).
  29. Galli, M., Portalupi, S. L., Belotti, M., Andreani, L. C., O’Faolain, L., Krauss, T. F. Light scattering and Fano resonances in high-Q photonic crystal nanocavities. Appl. Phys. Lett. 94 (7), 71101 (2009).
  30. WÃest, R., Strasser, P., Jungo, M., Robin, F., Erni, D., Jückel, H. An efficient proximity-effect correction method for electron-beam patterning of photonic-crystal devices. Microelectron Eng. 67-68, 182-188 (2003).
  31. Tanaka, Y., Asano, T., Akahane, Y., Song, B. -. S., Noda, S. Theoretical investigation of a two-dimensional photonic crystal slab with truncated cone air holes. Appl. Phys. Lett. 82 (11), 1661 (2003).
  32. Asano, T., Song, B. -. S., Noda, S. Analysis of the experimental Q factors (~ 1 million) of photonic crystal nanocavities. Opt. Express. 14 (5), 1996-2002 (2006).
  33. O’Faolain, L., Schulz, S. A., et al. Loss engineered slow light waveguides. Opt. Express. 18 (26), 27627-27638 (2010).
  34. Joannopoulos, J. D., Johnson, S. G., Winn, J. N., Meade, R. D. . Photonic crystals, molding the flow of light. , (2008).
  35. Li, J., White, T. P., O’Faolain, L., Gomez-Iglesias, A., Krauss, T. F. Systematic design of flat band slow light in photonic crystal waveguides. Opt. Express. 16 (9), 6227-6232 (2008).
  36. Takeda, M., Ina, H., Kobayashi, S. Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry. J. Opt. Soc. Am. 72 (1), 156-160 (1982).

Play Video

Cite This Article
Reardon, C. P., Rey, I. H., Welna, K., O’Faolain, L., Krauss, T. F. Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities. J. Vis. Exp. (69), e50216, doi:10.3791/50216 (2012).

View Video