Summary
L'uso di guide d'onda fotoniche di cristallo di luce lenta e cavità è stato ampiamente adottato dalla comunità fotonica in molte applicazioni differenti. Pertanto fabbricazione e caratterizzazione di questi dispositivi sono di grande interesse. Il presente documento delinea la nostra tecnica di fabbricazione e di due metodi di caratterizzazione ottica, vale a dire: diffusione interferometrica (guide d'onda) e risonante (cavità).
Abstract
Luce lenta è stato uno dei temi caldi della comunità fotonica negli ultimi dieci anni, generando un grande interesse sia da un punto di vista fondamentale e per il suo notevole potenziale per le applicazioni pratiche. Lenti guide d'onda a cristallo fotonico di luce, in particolare, hanno svolto un ruolo importante e sono stati impiegati con successo per ritardare segnali ottici 1-4 e la valorizzazione di entrambi i dispositivi lineari e non lineari 5-7. 8-11
Cavità a cristallo fotonico ottenere effetti simili a quello di guide d'onda luce lenta, ma su una ridotta larghezza di banda. Queste cavità offrono elevato rapporto Q-factor/volume, per la realizzazione di otticamente 12 e 13 elettricamente pompato ultra-bassa soglia laser e la valorizzazione di effetti non lineari. 14-16 Inoltre, filtri passivi 17 e modulatori 18-19 sono stati dimostrati, esibendo ultra-sottile linea di larghezza, alta free-spettrale rvalori ange e registrazione di basso consumo energetico.
Per raggiungere questi risultati entusiasmanti, un protocollo robusto fabbricazione ripetibile deve essere sviluppata. In questo lavoro si prende un approfondito sguardo al nostro protocollo di produzione che impiega litografia a fascio elettronico per la definizione di modelli di cristalli fotonici e utilizza tecniche di incisione umido e secco. I nostri risultati ottimizzati fabbricazione ricetta in cristalli fotonici che non soffrono di asimmetria verticale e presentano ottime bordo muro rugosità. Discutiamo i risultati variando i parametri calcografici e gli effetti negativi che possono avere su un dispositivo, portando ad un percorso diagnostico che può essere preso per identificare ed eliminare problemi simili.
La chiave per valutare guide d'onda luce lenta è la caratterizzazione passiva di trasmissione e indice spettri gruppo. Vari metodi sono stati segnalati, in particolare risolvendo i Fabry-Perot frange dello spettro di trasmissione di 20-21tecniche interferometriche d. 22-25 Qui, descriviamo una diretta, tecnica di misurazione a banda larga che combina interferometria spettrale con l'analisi della trasformata di Fourier. 26 Il nostro metodo si distingue per la sua semplicità e potenza, come si può caratterizzare un cristallo fotonico nuda con guide d'onda di accesso, senza bisogno di on-chip per componenti di interferenza, e la configurazione consiste solo di un interferometro di Mach-Zehnder, senza necessità di parti in movimento e scansioni di ritardo.
Quando caratterizzanti cavità a cristallo fotonico, tecniche concernenti sorgenti interne 21 o guide d'onda esterne direttamente accoppiati alla cavità 27 impatto sulle prestazioni della cavità stessa, distorcendo così la misura. Qui, si descrive una tecnica innovativa e non invasiva che fa uso di una doppia polarizzazione fascio sonda ed è noto come diffusione risonante (RS), dove la sonda è accoppiata fuori piano nella cavità attraverso un obiettivo. La tecnica è stata la prima dimostrazioneta da McCutcheon et al. 28 e ulteriormente sviluppato da Galli et al 29.
Protocol
Disclaimer: Il protocollo che segue fornisce un flusso generale processo nei tecniche di fabbricazione e la caratterizzazione di guide d'onda a cristallo fotonico e cavità. Il flusso di processo è ottimizzato per le apparecchiature specifiche disponibili nel nostro laboratorio, e dei parametri può essere diverso se altri reagenti o attrezzature viene utilizzato.
1. Preparazione del campione
- Spaccatrici campione - prendere il silicio su isolante (SOI) wafer e utilizzare uno scriba diamante graffiare una linea di circa 1-2 mm dal bordo della superficie di silicio, assicurando che il graffio si estende oltre il bordo del wafer. Allineare il graffio di un bordo diritto (ad esempio quello di un vetrino da microscopio) e applicare una pressione positiva di entrambi i lati del graffio: il wafer si atterranno lungo il piano di cristallo nella posizione zero. Ripetere questa procedura per definire l'intero chip.
- Esempio di pulizia - Trasferire il campione in acetone ATTENZIONE con una pinzetta unnd pulire in un bagno ad ultrasuoni per 1-2 min. Togliere il campione dal acetone, sciacquare qualsiasi acetone residuo dal campione utilizzando ATTENZIONE isopropanolo (30 sec) (sia acetone e isopropanolo sono infiammabili: usare una buona ventilazione ed evitare tutte le fonti di accensione). Asciugare l'esempio utilizzando una pistola pulita azoto secco.
- Spin resistere - posizionare il campione attraverso la spin-verniciatore. Pipettare sensibile elettrone resistere ATTENZIONE ZEP520A (ZEP520A è infiammabile, nocivo per inalazione e contatto con la pelle e gli occhi deve essere evitato) sul campione - uso abbastanza resistere per coprire completamente il campione senza il resist che scorre oltre il bordo. Centrifugare il campione in modo da dare un ca. 350 nm di spessore pellicola e cuocere su una piastra riscaldante a 180 ° C per 10 min. Abbiamo trovato questo spessore sia lo spessore ottimale che bilancia risoluzione e resistenza etch (vedi dopo).
2. Modello Definizione
- Design - utilizzando il software appropriato, simulare il modello richiesto cristallo fotonico. A insensibileer di pacchetti software utili sono disponibili, inclusi ma non limitati a: MIT Bande fotoniche (MPB), Fullwave (Rsoft), MIT Propagazione equazione elettromagnetica (MEEP).
- Generazione di un modello - la creazione dei file di esposizione (formato GDS in generale) e l'errore di prossimità corretto utilizzando il programma adatto 30.
- Modelli d'esposizione - caricare il campione nella camera del sistema di litografia a fascio di elettroni (LEO 1530 / Raith Elphy) di gas e liquidi. Una volta vuoto è stato raggiunto, accendere l'alimentazione EHT e impostare a 30 kV. Lasciare il sistema in questo stato per 1 ora per permettere al campione, fase e camera a raggiungere una temperatura di equilibrio. Set-up l'esposizione come indicato nel manuale utente del proprio specifico sistema di litografia a fascio elettronico. Esporre il campione utilizzando una dimensione appropriata passo base (ad esempio 2 nm) (essendo questa la dimensione del pixel minimo che il sistema può esporre), un tempo di assestamento di almeno 1 ms (questo è il tempo di attesa del sistema tra muovere la trave ed esponendola particolare porzione del pattern), e una dose superficie di 55 μAcm -2.
- Sviluppo del campione - con Xilene ATTENZIONE (xilene è sia il lavoro infiammabile e altamente tossico in un luogo ben ventilato, lontano da fonti di calore ed evitare il contatto con la pelle e gli occhi) ad una temperatura di 23 ° C lo sviluppo del campione per 45 sec. Sciacquare in isopropanolo.
3. Patten Transfer
- RIE Pulizia Camera - Impostare le portate di argon e idrogeno a 200 sccm. Throttle giù la pompa, tramite una valvola a farfalla, per raggiungere la pressione della camera di 1 × 10 -1 mBar. Impostare la potenza RF di 100 W, accendere il plasma e correre per almeno 10 minuti - una polarizzazione CC di circa 700 V deve essere osservata. Dopo aver spento l'Ar / H 2 plasma, permettono la camera di pompare per circa 1 min. Impostare la portata di ossigeno nella camera a 200 sccm e di nuovo gas la pressione della camera a 1 × 10 -1 mBar. Innescare un plasma secondodi ossigeno con una potenza di 100 W e correre per 5 min. Dopo queste procedure, la camera sarà privo di contaminanti, come residui di polimero, da qualsiasi precedente etch secca. Abbiamo eseguire questa procedura prima di ogni cambiamento di ricetta etch per garantire la massima ripetibilità. Questa procedura è ottimizzata per il nostro sistema che consiste di una piastra parallela, catodo caricato, RIE, con una camera principale 12 pollici di diametro di 14 pollici di altezza, tra cui una porta 12 pollici sia con valvola di regolazione e pompa turbomolecolare allegata.
- Acquaforte cristallo fotonico - caricare il campione nella camera di RIE principale e pompare il sistema fino ad una pressione di sfondo <3 × 10 -6 mbar per garantire la camera sia libera di vapore acqueo. Iniziare la etch dal pre-condizionamento la camera con i gas di etching (ossia CHF 3 e SF 6): impostare la portata di gas sia a 100 sccm (cioè impostare un rapporto di gas 1:1) e l'utilizzo della farfalla portare la camera di pressione di 5 × 10
- Esempio di pulizia per eliminare gli elettroni sensibile resistere - dopo incisione a secco, pulire il campione da risciacquo in ATTENZIONE Remover 1165 (1165 è infiammabile e può causare irritazione agli occhi, naso e delle vie respiratorie) con agitazione ad ultrasuoni per 1-2 minuti, seguito da acetone e isopropanolo come descritto sopra (passo 1.2).
- Isolamento membrana - spin-coat il campione con raggi UV foto sensibile resistere ATTENZIONE Microposit S1818 G2 (S1818 G2 è sia infiammabile e provoca irritazione agli occhi, naso e delle vie respiratorie) (vedi punto 1.3). Utilizzando un STANZIAMENe fotomaschera, definire finestre entro il resist sopra i modelli cristallo fotonico utilizzando l'allineatore maschera UV. Esporre il campione per circa 30-45 secondi. Sviluppare il resistere in ATTENZIONE Microposit Developer MF-319 (MF-319 è un liquido alcalino e può causare irritazione agli occhi, naso e delle vie respiratorie) per 30-45 secondi, poi risciacquo in acqua deionizzata. Preparare un bicchiere di plastica con una miscela di acido fluoridrico ATTENZIONE 01:05 (1,1499 g / ml 48-51% HF) (HF è altamente corrosivo e distrugge facilmente il tessuto, durante la manipolazione utilizzare dispositivi di protezione individuale completo nominale per HF) a deionizzata acqua. Notare che per motivi di sicurezza solo bicchieri di plastica e pinzette deve essere usato con acido fluoridrico. Immergere il campione nella miscela di acido fluoridrico per 15 min. Dopo l'attacco, lavare il campione accuratamente con acqua deionizzata. Rimuovere il restante fotoresist usando acetone e isopropanolo (vedi passo 1.2) - da questa fase in poi agitazione ultrasonica non può essere utilizzato. Per garantire il campioneè il più pulito possibile, seguire l'acetone e lavare isopropanolo con un risciacquo in soluzione ATTENZIONE Piranha (Piranha soluzione è molto energica, esplosiva e attacca materiali organici, durante la manipolazione utilizzare dispositivi di protezione individuale completo) (3:1 acido solforico ATTENZIONE (solforico L'acido è corrosivo e molto tossico, durante la manipolazione usare dispositivi di protezione ed evitare l'inalazione di vapori o di nebbie) a ATTENZIONE acqua ossigenata (perossido di idrogeno è molto pericoloso in caso di contatto con la pelle e con gli occhi, durante la manipolazione utilizzare dispositivi di protezione individuale)) per 5 min , quindi risciacquare il campione in acqua deionizzata, acetone e isopropanolo. Notare che per motivi di sicurezza solo beaker di vetro e pinzette metalliche devono essere utilizzati con la soluzione Piranha. Come soluzione Piranha può esplodere in contatto con acetone o isopropanolo, esso deve essere maneggiato lontano da questi reagenti.
- Spaccatrici Facet - se la preparazione di un cristallo fotonico lento-guida d'onda della luce, il campione richiede attaccamento sfaccettatura. Cleave la sample seguendo la stessa procedura descritta al punto 1.1, tranne che un piccolo graffio possibile deve essere usato. Un chip SOI con ~ 700 micron di spessore del substrato può essere attendibilmente scisso fino a 4-5 mm di lunghezza campioni.
4. Cristallo fotonico Slow-guida d'onda della luce Caratterizzazione
- Preparazione preliminare del setup - collegare l'uscita di una banda larga ATTENZIONE emissione spontanea amplificata (ASE) sorgente di luce (invisibile radiazione infrarossa: evitare inutili potenze elevate, coprire percorso del raggio se possibile) per uno splitter in fibra di 3 dB e utilizzare ciascuna delle uscite per Coppia luce nelle due braccia di un free-space Mach-Zehnder interferometeter (MZI), come mostrato in Figura 9. Utilizzare lenti asferiche per collimare la luce emessa dalle fibre. In uno dei bracci dell'interferometro, utilizzare due lenti asferiche aggiuntive per accoppiare il fascio di luce in e fuori del chip campione. Inserire un divisore di fascio di polarizzazione (PBS) nel braccio del campione di TE-polarizzare la light inserendo il campione. Utilizzare lenti asferiche per accoppiare i raggi in uscita collimati da entrambe le braccia indietro in un secondo divisore a fibre 3 dB, dove si ricombinano. Collegare una delle uscite di un rilevatore di infrarossi e utilizzare la lettura del rivelatore per massimizzare l'accoppiamento della luce nel campione, collegare l'altra uscita di un analizzatore di spettro ottico (OSA). I due bracci del MZI dovrebbero avere approssimativamente la stessa lunghezza ottico quando in presenza del campione: assicurarsi che le fibre nei due bracci del MZI hanno la stessa lunghezza nominale e comprendono una fase sintonizzabile ritardo nel braccio di riferimento per consentire per la regolazione fine della sua lunghezza. Nel braccio di esempio, montare le lenti asferiche sulla precisione xyz fasi per ottenere il migliore accoppiamento nel campione.
- Regolare la lunghezza del braccio di riferimento - coppia il fascio di luce in un vuoto (cioè senza cristallo fotonico) guida d'onda cresta (dello stesso tipo come guide d'onda di accesso che la luce di alimentazione all'interno dei cristalli fotonici) wiassottigliare stesso chip nel braccio del campione. Eseguire una scansione continua sulla OSA e osservare gli spettri di misura lunghezza d'onda. Se i due bracci della MZI hanno approssimativamente la stessa lunghezza ottica, le frange spettri presentano a causa di interferenza costruttiva e distruttiva; queste frange non apparirà se le braccia del MZI hanno lunghezze ottiche molto diverse (> ~ cm). La spaziatura frangia è inversamente proporzionale alla differenza di lunghezza del percorso ottico tra i due bracci. Spostare la fase di ritardo per fare riferimento al braccio più corto e osservare le frange del OSA: se diventano più densa (rade), il braccio di riferimento è minore (più) rispetto al braccio del campione. Impostare la fase di ritardo per assicurarsi che il braccio di riferimento è minore del braccio del campione e risultati in una spaziatura frangia di circa 5 a 10 frange in un intervallo di lunghezze d'onda 10 nm (Figura 10a). Infine, eseguire questa ottimizzazione sul dispositivo che fornisce il ritardo massimo e quindi mantenere il ritardo fissato per tutta la misurazionedell'intero campione.
- Eseguire la calibrazione - mentre ancora allineata sulla guida d'onda vuota, eseguire tre scansioni sul OSA: una scansione per lo spettro interferenza e una scansione per ciascuno dei due bracci separatamente (ottenuto bloccando l'altro braccio). Utilizzare una risoluzione di 0,05-0,1 nm. Registrare ogni spettro misurato.
- Lenta acquisizione della luce dei dati - eseguire e registrare tre spettri, come al punto 4.3 per ogni guida d'onda a cristallo fotonico sul chip.
- Analisi di Fourier dei dati - lo spettro di interferenza (interferogramma) I (ω) è matematicamente espresso da:
I (ω) = S (ω) + R (ω) + sqrt [S (ω) R (ω)] {exp [iΦ (ω) - iωτ]} + cc,
dove S (ω) e R (ω) sono le densità spettrali misurate separatamente dal campione e bracci di riferimento, rispettivamente. Il ritardo τ è impostato dalla posizione dello stadio di ritardo nel braccio di riferimento. Le informazioni sulla dispersione della guida d'onda a cristallo fotonico è contenuto nella fasetermine, che si deve estrarre dai dati misurati.
Sottrarre la non-interferenza sfondo S (ω) + R (ω) dal interferogramma per isolare solo il termine interferente. Calcolare la trasformata di Fourier del termine interferenti: il termine sqrt (SR) exp [i (Φ-ωτ)] e il suo complesso coniugato corrispondono ai picchi centrati in t = τ e t =-τ, rispettivamente. Filtrare numericamente uno dei due termini e trasformare nuovamente al dominio di frequenza. Differenziare la fase Φ (ω) - ωτ dei dati risultanti rispetto a ω ottenere Δτ g, la differenza di ritardo di gruppo tra i due bracci. Il gruppo indice n g = c / v g, con v g la velocità di gruppo, è data da:
n = g (Δτ g PhC - Δτ g cal) c / L + n cal,
dove Δτ g cal è ottenuto dai dati di taratura adottate from la guida d'onda vuota, L è la lunghezza della guida d'onda a cristallo fotonico e cal n = 2,7 è l'indice effettivo della guida d'onda cresta di riferimento. Il contributo al ritardo da vari elementi ottici della configurazione viene presa in considerazione la corsa di taratura, ed è quindi sottratto in questa fase.
- Curva di trasmissione - calcolare la curva di trasmissione normalizzando il spettro del campione di una guida d'onda a cristallo fotonico a quella della guida d'onda vuota.
5. Cristallo fotonico Caratterizzazione cavità
- Setup - preparazione della configurazione (Figura 14) per RS comprende: commutazione dell'elemento sostituibile per il divisore di fascio polarizzante, inserendo un polarizzatore nel braccio di ingresso e un analizzatore del braccio di uscita; capovolgere uno specchio nel braccio tastatore per consentire l'uso di una sorgente di infrarosso vicino, permettono l'illuminazione del campione. Montare il campione verticalmente con un orientamento di 45 ° rispetto all'assedel polarizzatore (Figura 18) su un differenziale guidato xyz micro-blocco e regolare il micro-blocco in modo che il campione è a fuoco e una cavità può essere visto con la telecamera, come in Figura 15 (a sinistra). Utilizzando una emissione spontanea amplificata (ASE) fonte, allineare il fascio al centro della cavità Figura 15 (a destra). Capovolgere via la specchietto per l'illuminazione e mettere il braccio di uscita per accedere al spettrometro (monocromatore con rivelatore a serie di allegato). Avviare una scansione con un ampio bassa a moderata risoluzione per identificare i picchi cavità. Ottenere la lunghezza d'onda grossolana della risonanza nella scansione ASE (Figura 16a) con una precisione di 1 nm. È anche possibile acquisire la scansione ampia con una sorgente laser sintonizzabile ATTENZIONE (TLS) (Figura 16b) (invisibile radiazione IR: evitare inutili potenze elevate, coprire percorso ottico se possibile). Si deve fare attenzione che la risoluzione è impostata sul valore più alto, al fine diassaggiare le line-larghezza di ogni picco.
- Eseguire scansioni ad alta risoluzione sui picchi identificati - collegare i TLS al braccio di ingresso e attenuare il fascio ad un livello mW. Preparati per la scansione ad alta risoluzione, consentendo il braccio di uscita da raccogliere dal fotorivelatore e l'istituzione di una scansione continua scansione con una risoluzione di 1 pm per un campo 2 nm centrata alla lunghezza d'onda di risonanza precedentemente trovato. L'importanza di questa fase è quello di migliorare il rapporto segnale-rumore (SNR), con l'obiettivo di ottenere una linea Lorentziana forma di risonanza: modificare la posizione xyz del micro-blocco ed eseguire la scansione fino a che il SNR è massimizzato e la linea-forma è simile a quella di un Lorentzian, come mostrato nella sezione risultato rappresentativo.
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Discussion
Esempio di fabbricazione
La scelta del fascio elettronico resist (cioè ZEP 520A) è dovuta alla sua risoluzione simultaneamente e resistenza etch. Crediamo che ZEP 520A può essere influenzata dalla luce UV emessa da fonti di luce di laboratorio generali, in quanto tale, si consiglia di posizionare spin-rivestite campioni in contenitori opachi UV mentre li spostano da un laboratorio ad un altro.
Passando definizione del modello cristallo fotonico, prima di esporre il campione abbiamo trovato che consentire l'elettrone sistema di litografia a fascio riposare per almeno un'ora dopo il caricamento riduce disallineamento errori durante la scrittura - questo è dovuto alla fase campione e camera a vuoto non essendo alla stessa temperatura subito dopo il caricamento. Come i modelli a cristallo fotonico, insieme a guide d'onda di accesso, può richiedere diverse ore per scrivere, una piccola deriva nella fase relativa alla camera (anche a nanometri solo per buca cristallo fotonico) si traduce in segnoificant cuciture e forse errori di distorsione, motivo, per quanto riguarda le tolleranze a cristallo fotonico. Questo errore è casuale in natura, da una esposizione ad un altro, ma può essere alto come 100 nm / min (errore di posizione assoluta), tuttavia errore posizionale relativa, ossia tra un foro cristallo fotonico ad un'altra può essere nell'ordine di nanometri, che può essere ulteriormente ridotto aumentando la velocità con cui viene scritto il pattern. Come accennato questi problemi possono essere ulteriormente negata (anche se mai completamente rimosso) permettendo al sistema di stabilirsi dopo il caricamento del primo campione.
La Ar / H 2 etch plasma (usato per rimuovere contaminanti metallici e silicio tramite bombardamento ionico) seguita da O 2 etch plasma (utilizzato per la rimozione di residui organici e polimeri plasma attraverso incenerimento) descritto nella sezione 3.1 del protocollo definiscono un regime di pulizia che è stato sviluppato per controllare la contaminazione all'interno della camera RIE quando l'incisione fotonico crystals - Questa pulizia è considerata, da noi essere una delle fasi più importanti nella fabbricazione di dispositivi a cristallo fotonico, la pulizia della camera RIE è fondamentale per ripetibile fabbricazione affidabile soprattutto come nel nostro caso in cui il RIE non viene utilizzato esclusivamente per l' incisione di silicio. La Ar / H 2 plasma è visto per cambiare da un colore grigio (indicante una camera contaminato) a colore rosa (che indica che la camera sia libera da contaminanti); a 10 min plasma è normalmente sufficiente. L'O 2 plasma viene quindi effettuata per un ulteriore 5-10 min a seconda della pulizia della camera all'inizio del processo (cioè Ar / H 2 color plasma). Anche se il metodo precedente non è essere accertato troviamo che il colore del plasma dimostra un indicatore utile per la pulizia della camera. Abbiamo anche trovato che pre-condizionamento della camera di etch con i gas di silicio etch 10 risultati min in un processo più affidabile - crediamociò è dovuto alle incisione portate di gas di stabilizzazione e di essere adsorbito sulle pareti della camera durante il periodo di pre-condizione.
Quando sotto-incisione del campione, per creare membrane, usando acido fluoridrico, le guide d'onda di accesso deve essere protetto. Se l'acido fluoridrico viene a contatto con la guida d'onda di accesso, che penetra attraverso la trincea ora acidato (entrambi i lati della guida d'onda) e sotto-incide le guide d'onda di accesso per centinaia di micrometri. In casi estremi, le guide d'onda di accesso possono piegare e rompere a causa di stress, rendendo inutile un chip completo. Come acido fluoridrico è un agente di attacco isotropo, il tempo di attacco deve essere controllato per evitare incisione laterale (perpendicolare alla guida d'onda a cristallo fotonico) provochi la membrana piegare dovuta al rilascio della sollecitazione intrinseca allo strato di silicio. In casi estremi, l'eccessiva sotto-etch può anche causare la membrana al collasso.
Infine, la creazione di pulitosfaccettature di spazio libero accoppiamento della luce in guide d'onda a cristallo fotonico è estremamente impegnativo. Se graffiato / tagliata con cura, il silicio si segue essenzialmente un piano di cristallo che forma un aspetto (però la nostra esperienza, le tecniche quali la lucidatura aspetto non sono obbligatori). Un aspetto cattivo può causare ingenti perdite di accoppiamento in ogni sfaccettatura. Si consiglia di perfezionare una tecnica di scissione prima di tentare di lavorare con campioni importanti. È altrettanto essenziale che una volta buona cleave è stato raggiunto le sfaccettature non siano danneggiati: il campione deve essere sollevato solo utilizzando i due bordi paralleli alle guide d'onda (cioè non dai lati faccette fine del chip). Esempi di lunghezze fino al 2-3 mm possono essere attendibilmente realizzato con l'uso di una scissione ~ 700 micron di spessore di chip SOI. Per i campioni più piccoli, si consiglia di assottigliamento del substrato o utilizzare una tecnica diversa congiunzione.
Sebbene il protocollo descritto in questo documento è ottimizzato per SOI, il principio generale della fabricametodi zione sono valide anche per la fabbricazione di dispositivi in altri semiconduttori, ovviamente quando si passa dalla considerazione attenta di silicio etch-utensili, etch-chimiche e materiali maschera avrebbe bisogno di essere fatte.
Il protocollo di fabbricazione di questo lavoro è ottimizzato per i dispositivi destinati a una lunghezza d'onda di funzionamento centrale di 1.550 nm, tuttavia i dispositivi sono stati preparati per l'(2,7-3,5 micron) Midir regime utilizzando protocolli di fabbricazione basati su quelli presentati in questo documento.
Rallentare la luce misurazioni dell'indice di gruppo
Il significato dell'indice gruppo come parametro chiave per misurare la luce lenta proviene dal diagramma di dispersione o struttura ω banda (k) tipicamente usato per descrivere la dispersione di guida d'onda a cristallo fotonico. 34 La pendenza locale della curva di dispersione ∂ ω / ∂ k corrisponde alla velocità di gruppo v g, ossia la velocità alla quale il elettromagneticamentec energia viaggia attraverso la guida d'onda, che può essere equivalentemente descritta dall'indice gruppo n g = c / v g. I valori di circa 5 ng corrispondono al regime luce veloce, mentre i valori più alti sono in genere considerati rientrare nel regime di luce lenta.
Quando si costruisce il lento configurazione MZI luce, è importante garantire che tutte le fibre dei due bracci dell'interferometro sono saldamente legati al tavolo ottico, come qualsiasi movimento o vibrazione cambierà le lunghezze del percorso compromettere la qualità dell'acquisizione interferogramma . Per lo stesso motivo, la scansione dell'interferogramma dovrebbe essere eseguita rapidamente, o fluttuazioni della fase provocherà oscillazioni indesiderate dei dati di indice di gruppo. I due bracci del MZI può anche essere realizzato interamente in spazio libero per evitare fibre del tutto, come in riferimento 26: un MZI spazio libero sarà più stabile, ma anche più difficile da allineare.
A seconda dellaset risoluzione e la forza dei Fabry-Perot frange, la determinazione dell'indice di gruppo è influenzato dalla grande incertezza quando le frange convergono molto strettamente. Impostazione del ritardo di fase per dare inizialmente 4-10 fringes/10 nm, come dettagliato al punto 4.2 del protocollo, funziona bene per le guide d'onda a cristallo fotonico di lunghezza 30-100 micron con indici di gruppo relativamente elevate, fino a n g> 100 per ingegneria lenti guide d'onda di luce 35 (si veda la Figura 12). Per banda bordo luce lenta, gli indici massimi gruppo misurabili tendono ad essere inferiore per la stessa lunghezza, a causa delle perdite di propagazione superiori.
Con una spaziatura frangia di ~ 4 fringes/10 nm siamo in grado di misurare in modo affidabile indici di gruppo fino a quasi il 100 anche in 300 micron guide d'onda lunga ingegnerizzati (Figura 13). Per le lunghe guide d'onda, le frange diventano molto denso molto rapidamente, e la risoluzione della OSA limiterà l'indice massimo gruppo misurabile. Si noti, tuttavia, che forisoluzione ra fissa e spaziatura frangia, l'indice massimo misurabile gruppo non scala linearmente con la lunghezza d'onda, e può anche essere influenzato dalla dispersione propagazione perdita. Per una guida d'onda molto lungo, si consiglia di inserire accanto ad essa una guida d'onda a breve con un design identico specificamente per la misurazione dell'indice di gruppo.
In sintesi, abbiamo descritto un metodo semplice e potente per la determinazione sperimentale delle proprietà di dispersione delle lenti guide d'onda di luce a cristallo fotonico. Nostra tecnica si basa sulla combinazione di interferometria dominio di frequenza 23 con analisi di Fourier 36 e consente una diretta, a colpo singolo, mappatura continua della curva indice di gruppo, senza necessità di scansioni di ritardo, 23-24 montaggio non lineare dei dati 22 , 25 o la determinazione della posizione di extrema frangia. 20-21,25 utilizzando una sorgente di luce a banda larga, siamo in grado di estrarre informazioni dal campione su una grande wavele Campo ngth, e in modo molto stabile e ripetibile. Possiamo misurare indici di gruppo al di sopra di 100 per guide d'onda, sia di breve e di media lunghezza (fino a 200-250 micron), che sono valori molto superiori a quelli necessari per l'applicazione di lenti utili guide d'onda della luce per migliorare le prestazioni sia lineare e non lineare dispositivi.
Diffusione di risonanza
Cristallo fotonico cavità confinare la luce in piano in due dimensioni, a differenza di guide d'onda a cristallo fotonico, in cui la luce viene guidato in una dimensione. Questo permette la memorizzazione di luce all'interno ultra-piccoli volumi, che è descritto da un decadimento di energia, cioè analogici a quella di un risonatore elettronica. In sistemi fotonici, questo decadimento è associato con la durata fotone della cavità ed è di forma esponenziale, quindi un conseguente LineShape Lorentziana del picco. Il rapporto tra la lunghezza d'onda di picco al centro ampiezza piena di metà del massimo rappresenta il fattore Q.
jove_content "> Una caratteristica importante della tecnica RS è proprietà mantenimento di polarizzazione della configurazione e soprattutto quello dell'obiettivo elevata NA. Qui giace il problema con la compatibilità di avere una elevata NA (alta efficienza di raccolta) mantenendo la polarizzazione, perché alti obiettivi NA tendono a mescolare polarizzazioni. Questa mescolanza polarizzazione è responsabile di piccoli picchi e basso SNR.Quando l'off-risonanza, x-luce polarizzata arriva alla cavità (Figura 18a), si torna disperso attraverso l'obiettivo e filtrato dal divisore di fascio / analizzatore (y-polarizzata), in modo che solo un livello basso è visto al il rivelatore. Nel caso di mescolamento polarizzazione, alcuni dei x-luce polarizzata viene convertito alla polarizzazione opposta e può passare l'analizzatore aumentando così lo sfondo. Se poi-risonanza coppie spot al cavo, ruota la polarizzazione della modalità fondamentale cavità (freccia rossa in Figura 18b) e crea una polarizzazione y-componente. Questa luce è diretta al braccio di uscita e passa l'analizzatore. Ancora, il y-luce polarizzata può convertire la polarizzazione opposta riducendo così il livello del segnale. Pertanto, un obiettivo deve essere scelto in modo che intermixing polarizzazione viene mantenuta ad un minimo.
Per ultra-alto fattore Q-cavità, come un etero-struttura di cavità, la potenza emessa è inferiore. Questa situazione può ridurre ulteriormente il SNR e il picco svanisce nel livello di rumore. Un lock-in configurazione dovrebbe poi essere usati per abbassare il livello di rumore non, il livello di sfondo, per recuperare il picco.
Si noti che la nostra configurazione (Figura 14) è progettato per multi-funzionale caratterizzazione cavità, e in aggiunta a RS comprende micro-fotoluminescenza e la generazione di frequenze armoniche secondo e terzo.
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Disclosures
Nessun conflitto di interessi dichiarati.
Acknowledgments
Gli autori ringraziano il dottor Matteo Galli, il dottor Simone L. Portalupi e Prof. Lucio C. Andreani presso l'Università di Pavia per le discussioni utili relative alla tecnica RS e l'esecuzione delle misure.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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
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