Summary
Gebruik van fotonisch kristal langzaam licht golfgeleiders en holtes is op grote schaal door de fotonica gemeenschap in veel verschillende toepassingen. Daarom fabricage en karakterisering van deze apparaten zijn van groot belang. Dit document schetst onze fabricage techniek en twee optische karakterisatie methoden, te weten: interferometrische (golfgeleiders) en resonante verstrooiing (holten).
Abstract
Slow licht is een van de hot topics in de fotonica gemeenschap in de afgelopen tien jaar, het genereren van grote belangstelling zowel vanuit fundamenteel oogpunt en voor zijn grote mogelijkheden voor praktische toepassingen. Slow licht fotonisch kristal golfgeleiders, in het bijzonder, hebben een belangrijke rol gespeeld en zijn met succes gebruikt voor het uitstellen van optische signalen 1-4 en de verbetering van zowel lineaire 5-7 en niet-lineaire apparaten. 8 tot 11
Fotonisch kristal holtes te bereiken vergelijkbare effecten als die van langzame lichtgolfgeleiders, maar over een beperkte bandbreedte. Deze holtes bieden een hoge Q-factor/volume verhouding, voor de realisatie van optisch 12 en elektrisch 13 gepompt ultra-lage drempel lasers en de versterking van de niet-lineaire effecten. Veertien-zestien Bovendien passieve filters 17 en modulatoren 18 tot 19 zijn aangetoond, vertonen ultra-smalle lijn-breedte, hoge vrije-spectrale range en opnemen waarden van een laag energieverbruik.
Om deze spannende resultaten te bereiken, moet een robuuste herhaalbaar fabricage-protocol worden ontwikkeld. In dit artikel nemen we een diepgaande blik op onze fabricage-protocol dat electron-beam lithografie hanteert voor de definitie van fotonisch kristal patronen en maakt gebruik van natte en droge etstechnieken. Onze geoptimaliseerde fabricage recept resulteert in fotonische kristallen die geen last hebben van verticale asymmetrie en vertonen zeer goede rand-wandruwheid. We bespreken de resultaten van het variëren van de parameters etsen en de nadelige gevolgen die zij kunnen hebben op een apparaat, waardoor een diagnostisch route die kunnen worden genomen om voorzover vergelijkbare problemen.
De sleutel tot het evalueren van trage lichtgolfgeleiders is de passieve karakterisering van de transmissie en de groep-index spectra. Verschillende methoden zijn gemeld, met name oplossing van de Fabry-Perot rand van het transmissiespectrum 20-21 eend interferometrische technieken. tweeëntwintig-vijfentwintig We beschrijven hier een directe, breedband meettechniek te combineren spectrale interferometrie met Fourier transformatie-analyse. 26 Onze methode onderscheidt zich door zijn eenvoud en kracht, als we kunnen karakteriseren een kale fotonisch kristal met toegang golfgeleiders, zonder behoefte voor on-chip stoorcomponenten en de installatie slechts uit een Mach-Zehnder interferometer, zonder de noodzaak van bewegende delen en vertraging scans.
Als kenmerkende fotonisch kristal holten, technieken met interne of externe bronnen 21 golfgeleiders rechtstreeks gekoppeld met de holte 27 invloed op de prestaties van de ruimte zelf, waardoor een onjuist meting. Hier beschrijven we een nieuwe en onopvallende techniek die gebruik van een cross-gepolariseerde testbundel maakt en staat bekend als resonante verstrooiing (RS), waarbij de probe gekoppeld out-of vliegtuig in de holte door een objectief. De techniek werd voor het eerst demonstratieted door McCutcheon ea. 28 en verder ontwikkeld door Galli et al. 29.
Protocol
Disclaimer: Het volgende protocol geeft een algemeen proces flow met betrekking tot de fabricage en karakterisering technieken voor fotonische kristal golfgeleiders en holtes. De processtroom is geoptimaliseerd voor de specifieke apparatuur in ons laboratorium en parameters kunnen verschillen als andere reagentia of apparatuur wordt gebruikt.
1. Monstervoorbereiding
- Sample splijtmachine - nemen de silicium-op-isolator (SOI) wafer en gebruik een diamant schrijver een lijn ongeveer 1-2 mm vanaf de rand van het silicium krassen, zodat de kras uitstrekt over de rand van de wafer. Lijn de kras op een rechte rand (bijvoorbeeld die van een microscoop dia) en zelfs van toepassing positieve druk aan beide zijden van de kras: de wafer zal klieven langs het kristal vliegtuig op de scratch locatie. Herhaal deze procedure om de hele chip te definiëren.
- Voorbeeld Reiniging - Plaats het monster in de LET aceton met een pincet eennd reinigen in een ultrasoon bad gedurende 1-2 min. Neem het monster uit de aceton; eventuele restjes aceton uit het monster met behulp van LET isopropanol (30 sec) (beide aceton en isopropanol zijn brandbaar: gebruik een goede ventilatie en vermijd alle ontstekingsbronnen). Droog het monster met een schone droge stikstof pistool.
- Spin weerstaan - zet het monster op de spin-coater. Pipetteer elektron gevoelige weerstaan LET ZEP520A (ZEP520A is ontvlambaar, schadelijk bij inademing en aanraking met de huid en ogen dient vermeden te worden) op het monster - gebruik genoeg weerstaan om volledig te bedekken het monster zonder de weerstand stroomt over de rand. Draai het monster wordt gesorteerd zodat een ca. geven. 350 nm dikke film en bakken op een hete plaat bij 180 ° C gedurende 10 minuten. We vonden deze dikte de optimale dikte die resolutie en etch weerstand in evenwicht (zie later) zijn.
2. Patroon Definitie
- Design - met behulp van de juiste software, simuleren de vereiste fotonisch kristal patroon. Een gevoellooser van nuttige software pakketten zijn beschikbaar, met inbegrip van maar niet beperkt tot: MIT Photonic Bands (MPB), FullWAVE (Rsoft), MIT Elektromagnetische Vergelijking Propagation (MEEP).
- Pattern Generation - maak de belichting bestanden (GDS-formaat in het algemeen) en de nabijheid fout ingesteld met behulp van de juiste software 30.
- Patroon Belichting - laden van het monster in de kamer van de elektronenstraal lithografie systeem (LEO 1530 / Raith Elphy) en pomp naar beneden. Zodra vacuüm is bereikt, schakelt de EHT aanbod en ingesteld op 30 kV. Laat het systeem in deze toestand gedurende 1 uur om het monster podium en kamer naar een evenwichtstemperatuur bereiken. Set-up van de blootstelling, zoals aangegeven in de gebruikershandleiding van uw specifieke electron beam lithografie systeem. Bloot het monster met een geschikte basis stapgrootte (bijv. 2 nm) (dit is de minimale pixelgrootte dat het systeem bloot), een insteltijd van ten minste 1 ms (dit is de tijd tussen het systeem wacht bewegen van de balk en blootde bijzondere gedeelte van het patroon), en een gebied dosis van 55 μAcm -2.
- Sample Development - met LET OP Xyleen (Xyleen is zowel brandbaar en zeer giftig werk in een goed geventileerde ruimte uit de buurt van ontstekingsbronnen en vermijd contact met huid en ogen) bij een temperatuur van 23 ° C te ontwikkelen het monster gedurende 45 sec. Spoel in isopropanol.
3. Patten Transfer
- RIE Kamer Reiniging - Stel het debiet van argon en waterstof tot 200 sccm. Gaspedaal de pomp via een vlinderklep, om kamerdruk van 1 x 10 -1 mBar bereiken. Stel het RF-vermogen van 100 W, de plasma ontsteken en laat minstens 10 min - een DC voorspanning van ongeveer 700 V opgemerkt. Na het uitschakelen van de Ar / H 2 plasma, kan de kamer op te pompen voor ongeveer 1 minuut. Stel de stroomsnelheid van zuurstof in de kamer tot 200 sccm en weer gas de kamerdruk tot 1 x 10 -1 mBar. Ignite een tweede plasmavan zuurstof met een vermogen van 100 W en lopen gedurende 5 minuten. Na deze procedures, zal de kamer vrij te zijn van verontreinigingen, zoals polymeerresten, van een vorige droge etch. Wij voeren deze procedure voor elke verandering in etch recept om maximale herhaalbaarheid te garanderen. Deze procedure is geoptimaliseerd voor ons systeem dat bestaat uit een parallelle plaat, kathode loaded, RIE, een hoofdkamer 12 inch in diameter bij 14 cm hoog, waaronder een 12 inch poort met zowel smoorklep en bevestigd turbomoleculaire pomp.
- Fotonisch kristal Etching - plaats het monster in de RIE hoofdkamer en het systeem tot een achtergronddruk van <3 x 10 -6 mBar te zorgen voor de kamer vrij is van water damp pomp. Begin de ets door pre-conditionering van de kamer met de ets gassen (namelijk CHF 3 en SF 6): stel het debiet van beide gassen tot 100 sccm (dat wil zeggen die een gas verhouding van 1:1) en het gebruik van de gashendel te brengen de kamer druk 5 x 10
- Sample Cleaning de nog overblijvende elektron gevoelige weerstaan - na droge etsen, het monster te reinigen door spoelen in VOORZICHTIG 1165 Remover (1165 is brandbaar en kan irritatie veroorzaken aan ogen, neus en luchtwegen) met ultrasone agitatie voor 1-2 min, gevolgd door aceton en isopropanol zoals hierboven (stap 1.2).
- Membraan Isolatie - spin-coat van het monster met UV-gevoelige foto weerstaan LET Microposit S1818 G2 (S1818 G2 is zowel brandbaar en veroorzaakt irritatie van de ogen, neus en luchtwegen) (zie stap 1.3). Met een KREDIETENe fotomasker definiëren vensters binnen de resist boven de fotonisch kristal patronen met de UV masker aligner. Expose het monster voor ongeveer 30-45 sec. Ontwikkel de weerstand in VOORZICHTIG Microposit Developer MF-319 (MF-319 is een alkalische vloeistof en kan leiden tot irritatie van de ogen, neus en luchtwegen) gedurende 30-45 sec, spoelen daarna in gedeïoniseerd water. Bereid een plastic beker met een mengsel van LET 01:05 Fluorwaterstofzuur (1,1499 g / ml 48 tot 51% HF) (HF is zeer corrosief en gemakkelijk vernietigt weefsels, bij de omgang met het gebruik volledige persoonlijke beschermingsmiddelen geschikt voor HF) naar gedeïoniseerd water. Merk op dat om veiligheidsredenen alleen plastic bekers en pincet moet worden gebruikt met fluorwaterstofzuur. Dompel het monster in de Fluorwaterstofzuur mengsel gedurende 15 minuten. Na het etsen, spoel het monster in gedeïoniseerd water. Verwijder het resterende fotoresist met aceton en isopropanol (zie stap 1.2) - uit deze fase en verder ultrasone agitatie niet worden gebruikt. Om de steekproef te waarborgenwordt zo schoon mogelijk zijn, volg dan de aceton en isopropanol wassen met een spoeling in VOORZICHTIG Piranha-oplossing (Piranha-oplossing is erg energiek, explosieve en valt organische materialen, bij de omgang met volledige persoonlijke beschermingsmiddelen te gebruiken) (3:1 LET zwavelzuur (zwavelzuur zuur is bijtend en zeer giftige, bij de omgang met gebruik van persoonlijke beschermingsmiddelen en vermijd inademing van damp of nevel) met waterstofperoxide LET OP (waterstofperoxide is zeer gevaarlijk in geval van contact met de huid, bij de omgang met persoonlijke beschermingsmiddelen te gebruiken)) gedurende 5 minuten , spoel dan het monster in gedeïoniseerd water, aceton en isopropanol. Merk op dat om veiligheidsredenen alleen glazen bekers en metalen pincet moet worden gebruikt met de Piranha-oplossing. Zoals Piranha oplossing exploderen in contact met aceton of isopropanol, moet worden behandeld afstand van deze reagentia.
- Facet splijtmachine - als het opstellen van een fotonisch kristal langzaam licht golfgeleider, het monster vereist facet splijten. Cleave de sample volgens dezelfde procedure als beschreven in stap 1.1, behalve dat een zo klein mogelijk kras worden gebruikt. Een SOI chip met ~ 700 urn substraat betrouwbaar kan worden gesplitst tot 4-5 mm lang monsters.
4. Fotonisch kristal Slow-licht Waveguide Karakterisering
- Voorlopige voorbereiding van de installatie - sluit de uitgang van een LET breedband versterkte spontane emissie (ASE) lichtbron (onzichtbare straling van IRL: onnodige hoge vermogens, bedek stralengang indien mogelijk) om een 3 dB fiber splitter en elk van de uitgangen te gebruiken paar licht in de twee takken van een vrije ruimte Mach-Zehnder interferometeter (MZI), zie figuur 9. Gebruik asferische lenzen om de lichtuitvoer van de vezels collimeren. In een van de armen van de interferometer gebruikt twee extra asferische lenzen koppelen van de lichtbundel in en uit het monster chip. Plaats een polarisatie beam splitter (PBS) in het monster arm TE-polariseren light invoeren van het monster. Gebruik asferische lenzen te koppelen van de gecollimeerde uitgang balken van beide armen terug in een tweede 3 dB fiber splitter, waar ze zullen recombineren. Sluit een van de uitgangen een infrarood detector en gebruik maken van de lezing van de detector om het licht koppeling te maximaliseren in het monster; sluit de andere uitgang van een optische spectrumanalyser (OSA). De twee takken van de MZI moeten ongeveer dezelfde optische lengte in de aanwezigheid van het monster: ervoor zorgen dat de vezels in de twee takken van de MZI dezelfde nominale lengte hebben en over een instelbare vertragingstrap in de referentiearm om voor fijninstelling van de lengte. In het monster arm monteren asferische lenzen op xyz precisie fasen de beste koppeling verkrijgen in het monster.
- Pas verwijzing armlengte - koppel de lichtbundel op een lege (dus zonder fotonisch kristal) randgolfgeleider (van hetzelfde type als de toegang golfgeleiders die zich voeden met licht in de fotonische kristallen) wiverdunnen dezelfde chip in de steekproef arm. Voer een continue scan van de OSA en let op de gemeten golflengte spectra. Als de twee takken van de MZI hebben ongeveer dezelfde optische lengte, de spectra vertonen randen als gevolg van constructieve en destructieve interferentie, deze marge zal niet verschijnen als de armen van de MZI hebben zeer verschillende optische lengtes (> ~ cm). De pony afstand is omgekeerd evenredig met het verschil in optische weglengte tussen de twee takken. Verplaats de vertraging podium om de referentie-arm korter en de franjes in de OSA acht te nemen: als ze dichter (schaarser), de verwijzing arm korter (langer) dan het monster arm. Stel de vertragingstrap ervoor te zorgen dat de referentie arm korter is dan de arm monster en resulteert in een franje afstand van ongeveer 5 tot 10 randen in een 10 nm golflengtegebied (zie figuur 10a). Tot slot, het uitvoeren van deze optimalisatie op het apparaat dat de maximale vertragingstijd biedt en blijf dan de vertraging vast gedurende de metingvan het gehele monster.
- Kalibratie draaien - terwijl nog steeds afgestemd op de lege golfgeleider, lopen drie scans op de OSA: een scan voor de storing spectrum en een scan voor elk van de twee armen afzonderlijk (verkregen door het blokkeren van de andere arm). Gebruik een resolutie van ,05-+0.1 nm. Noteer elke gemeten spectrum.
- Slow licht data-acquisitie - uitvoeren en vastleggen drie spectra als in stap 4.3 voor elke fotonisch kristal golfgeleider op de chip.
- Fourier data-analyse - de interferentie spectrum (interferogram) I (ω) wordt wiskundig uitgedrukt door:
I (ω) = S (ω) + R (ω) + sqrt [S (ω) R (ω)] {exp [iΦ (ω) - iωτ] + cc}
waarin S (ω) en R (ω) de spectrale densiteiten afzonderlijk gemeten van het monster en referentie armen. De vertraging τ wordt bepaald door de positie van de vertragingstrap in de referentiegroep. De informatie over de verspreiding van het fotonisch kristal golfgeleider is in de fasetermijn, die we moeten halen uit de gemeten data.
Trek de niet-storende S (ω) + R (ω) van het interferogram alleen de storende term isoleren. Bereken de Fourier-transformatie van het storende term: de term sqrt (SR) exp [i (Φ-ωτ)] en de complexe geconjugeerde overeen met pieken middelpunt op t = τ en t = τ-respectievelijk. Filter numeriek een van de twee algemene transformeren naar het frequentiedomein. Differentiëren de fase Φ (ω) - ωτ van de verkregen data met betrekking tot ω aan Δτ g, het verschil in groepvertraging tussen de twee armen verkrijgen. De groep index n = c g / v g met v g de groep snelheid, wordt gegeven door:
n g = (Δτ g PhC - Δτ g cal) c / L + n cal,
waar Δτ g cal wordt verkregen uit de kalibreringsgegevens genomen frOM de blanco golfgeleider, L de fotonisch kristal golfgeleider lengte en n = 2,7 cal de effectieve index van de referentie randgolfgeleider. De bijdrage aan de vertraging van de verschillende optische elementen van de installatie wordt meegenomen in de kalibratie run en wordt daarom afgetrokken in deze stap.
- Overdrachtscurve - bereken de transmissie curve van genormaliseerd spectrum monster van een fotonisch kristal golfgeleider die van de blanco golfgeleider.
5. Fotonisch kristal Cavity Karakterisering
- Setup - de voorbereiding van de installatie (Figuur 14) voor RS omvat: het uitschakelen van de verwisselbare element aan de polariserende bundelsplitser, het invoegen van een polarisator in de input arm en een analysator in de uitvoer arm; flip een spiegel in de probe arm het gebruik van een infrarood bron toe, laat de verlichting van het monster. Verticaal Monteer het monster met een 45 ° oriëntatie op asvan de polarisator (figuur 18) op een differentieel aangedreven xyz micro-blok en de micro-block aanpassen zodat het monster in focus en een holte te zien met de camera, zoals in Figuur 15 (links). Met een versterkte spontane emissie (ASE) bron, sluiten de balk met het midden van de holte Figuur 15 (rechts). Flip weg de verlichting spiegel en laat de output arm om de spectrometer (monochromator met aangebouwde array detector) in te voeren. Start een brede scan met een lage tot matige resolutie om de holte pieken te identificeren. Verkrijgen grove golflengte van de resonantie in de ASE scan (Figuur 16a) met een nauwkeurigheid van 1 nm. Het is ook mogelijk de brede scan verkrijgen met een waarschuwing afstembare laserbron (TLS) (Figuur 16b) (onzichtbare IR straling onnodig hoge vermogens, betrekking stralengang indien mogelijk). Men moet oppassen dat de resolutie is ingesteld op de hoogste waarde met het oog opproeven van de line-breedte van elke piek.
- Voer een hoge resolutie scans van de geïdentificeerde pieken - sluit de TLS op de ingang arm en de straal op een mW niveau verzwakken. Bereid je voor op de hoge resolutie scan doordat de uitgang arm te worden verzameld door de fotodetector en het opzetten van een continu sweep te scannen met een resolutie van 1 uur voor een 2 nm, gecentreerd op de eerder gevonden resonantie golflengte. Het belang van deze stap is de signaal-ruisverhouding (SNR) te verbeteren teneinde een Lorentz line-vormresonantie verkrijgen: de xyz positie van de micro-blok veranderen en opnieuw uitvoeren scan tot de SNR gemaximaliseerd en de lijn-vorm benadert die van een Lorentz, zoals in de sectie representatief resultaat.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Voorbeeld fabricage
Onze keuze van electron-beam weerstaan (dat wil zeggen ZEP 520A) is te wijten aan zijn tegelijkertijd een hoge resolutie en etch weerstand. Wij geloven dat ZEP 520A kan worden beïnvloed door het UV-licht uitgezonden licht overhead laboratorium en als zodanig raden plaatsen spin-beklede monsters in UV ondoorzichtige containers tijdens het verplaatsen van het ene laboratorium naar een ander.
Bewegen op waarin de fotonisch kristal patroon voor blootstelling van het staal hebben we gevonden dat de elektronenbundel zodat lithografiesysteem nemen met minstens een uur na het laden vermindert foutieve uitlijning fouten tijdens het schrijven - dit aan de monstertafel en vacuümkamer niet dat bij dezelfde temperatuur direct na het laden. Zoals fotonisch kristal patronen, samen met toegang golfgeleiders, kan enkele uren duren om te schrijven, een kleine drift in de fase ten opzichte van de kamer (zelfs bij slechts nanometer per fotonisch kristal gat) resulteert in tekenificant stiksels en eventueel patroon vervorming fouten met betrekking tot fotonisch kristal toleranties. Deze fout is willekeurig te van een blootstelling aan een ander, maar kan oplopen tot 100 nm / min (absolute positiefout), hoe relatief positiefout, dwz tussen een fotonisch kristal gat naar een andere in de orde van nanometers, die verder kan worden verminderd door de snelheid waarmee het patroon geschreven. Zoals deze kwesties verder worden genegeerd (maar nooit volledig verwijderd) doordat het systeem tot rust na de eerste laden van het monster.
De Ar / H 2 plasma etch (gebruikt om metaal en silicium verontreinigingen te verwijderen door middel van ionenbombardement), gevolgd door O 2 plasma etch (gebruikt voor de verwijdering van polymeer en organische resten door middel van plasma verassing) beschreven in paragraaf 3.1 van het protocol definiëren een schoonmaak regime die werd ontwikkeld om vervuiling te voorkomen binnen de RIE kamer bij het etsen van de fotonische crystals - deze reiniging wordt beschouwd, door ons als een van de belangrijkste stappen bij de fabricage van fotonische kristallen, reinigen van de RIE kamer is cruciaal reproduceerbare betrouwbare fabricage name in ons geval de RIE wordt niet alleen gebruikt voor het etsen van silicium. De Ar / H 2 plasma wordt gezien om te veranderen van een blauw-grijze kleur (met vermelding van een besmette kamer) om een roze kleur (aan te geven dat de kamer vrij is van verontreinigingen), een 10 min. plasma is meestal voldoende. De O 2 plasma wordt vervolgens uitgevoerd voor nog 5-10 min afhankelijk van de reinheid van de kamer aan het begin van het proces (bijvoorbeeld Ar / H 2 plasma kleur). Hoewel de vorige methode niet overtuigend worden bewezen we dat de kleur van het plasma een nuttige indicator voor kamer netheid bewijst. We hebben ook gevonden dat door de voorbehandeling etch kamer met het silicium etsen gassen gedurende 10 min resulteert in een betrouwbaar proces - wij gelovendit toe te schrijven aan het etsgas debieten stabiliseren en wordt geadsorbeerd in de kamerwanden tijdens de voorwaarde periode.
Wanneer het monster onderetsing om membranen te maken met fluorwaterstofzuur, moet de toegang golfgeleiders te beschermen. Als het fluorwaterstofzuur in contact komt met de toegang golfgeleider, dringt door de nu geëtste sleuf (weerszijden van de golfgeleider) en onder-etsen de toegang golfgeleiders voor honderden micrometer. In extreme gevallen kan de toegang golfgeleiders kan buigen en breken als gevolg van spanningen, waardoor een complete chip nutteloos. Zoals fluorwaterstofzuur een isotroop etsmiddel, moet de etstijd worden gecontroleerd om laterale etsing (loodrecht op het fotonisch kristal golfgeleider) voorkomen dat door het membraan te buigen door het vrijgeven van de spanning inherent aan de siliciumlaag. In extreme gevallen kan de excessieve onder-etch ook leiden het membraan te storten.
Slotte, het opzetten van schonefacetten voor de vrije ruimte koppeling van licht in fotonische kristal golfgeleider is zeer uitdagend. Als bekrast / goed gesplitst, zal silicium in wezen volgen een kristal vlak dat een goede facet (in onze ervaring, technieken, zoals facet polijsten is niet nodig). Een slechte facet kan leiden tot grote koppeling verliezen bij elk facet. Wij raden het perfectioneren van een klieven techniek voordat u werken met belangrijke monsters. Het is absoluut noodzakelijk dat er een goede klieven is bereikt facetten niet beschadigd: het monster alleen met behulp van de twee zijden parallel aan de golfgeleiders (dus niet eind facet zijden van de chip). Sample lengtes tot 2-3 mm op betrouwbare wijze kan worden bereikt met handmatige klieven van een ~ 700 um dikke SOI chip. Voor kleinere monsters, raden we het verdunnen van de ondergrond of gebruik een andere splijten techniek.
Hoewel het protocol beschreven in dit document is geoptimaliseerd voor SOI, het algemene uitgangspunt van de Fabricatie methoden zijn ook geldig voor de fabricage van apparaten in andere halfgeleiders, natuurlijk bij het wisselen van silicium zorgvuldige afweging van uitgebrande tool, etch-chemie en masker materialen zou moeten worden gemaakt.
De fabricage protocol van deze paper is geoptimaliseerd voor apparaten gericht op een operationele centrale golflengte van 1.550 nm, zijn echter apparaten ook opgesteld voor de Midir (2,7 tot 3,5 micrometer) regime met behulp van fabricage protocollen gebaseerd op die welke zijn uiteengezet in dit document.
Langzaam licht groep index metingen
De betekenis van de groep index als de belangrijkste parameter om langzaam licht te meten is afkomstig uit de dispersie diagram of band structuur ω (k) meestal gebruikt om de verspreiding van een fotonisch kristal golfgeleider beschrijven. 34 De lokale helling van de dispersie curve ∂ ω / ∂ k uit een groep snelheid v g, dat wil zeggen de snelheid waarmee het elektromagnetischc energie door de golfgeleider, die equivalent kan worden beschreven door de groep index n = c g / v g. Waarden van ng ongeveer 5 komen overeen met de snelle licht regime, terwijl hogere waarden worden doorgaans geacht te vallen binnen in de langzame licht regime.
Bij het bouwen van de langzame licht MZI installatie, is het belangrijk om ervoor te zorgen dat alle vezels van de twee takken van de interferometer goed zijn gebonden aan de optische tafel, zoals elke beweging of trilling verandert de weglengte afbreuk te doen aan de kwaliteit van de interferogram overname . Om dezelfde reden dient de scan van het interferogram snel worden uitgevoerd of fluctuaties van de fase leidt tot ongewenste trillingen van de groep indexgegevens. De twee takken van de MZI kan ook geheel worden gerealiseerd vrije ruimte helemaal te vermijden vezels, als in Referentievoorbeeld 26: een vrije ruimte MZI zal stabieler, maar ook moeilijker te sluiten.
Afhankelijk van deresolutie ingesteld en de sterkte van de Fabry-Perot rand, wordt de bepaling van de index groep beïnvloed door grote onzekerheid bij de rand samen zeer strak. Het instellen van de vertraging podium om in eerste instantie te geven 4 tot 10 fringes/10 nm, zoals beschreven in stap 4.2 van het protocol, werkt goed voor fotonische kristal golfgeleiders van lengte 30 tot 100 micrometer met een relatief hoge groep indices, tot n g> 100 voor ontworpen trage lichtgolfgeleiders 35 (zie figuur 12). Voor band-edge langzaam licht, de maximaal meetbare groep indices algemeen lager voor dezelfde duur, vanwege de hogere propagatie verliezen.
Met een franje afstand van ~ 4 fringes/10 nm zijn we in staat om op betrouwbare wijze de groep indices tot bijna 100 ook in 300 urn lange ontworpen golfgeleiders (Figuur 13). Voor langere golfgeleiders, de randen zeer dichte zeer snel, en de resolutie van de OSA is de maximale meetbare groep index te beperken. Merk echter op dat fora vaste resolutie en secundaire afstand, is de maximaal meetbare fractie index niet lineair schaalbaar golfgeleider lengte, en kan ook worden beïnvloed door voortplantingsverlies dispersie. Voor een zeer lange golfgeleider, raden wij u aan ernaast een korte golfgeleider met identieke ontwerp specifiek voor groep index meting op te nemen.
Samengevat hebben we beschreven een eenvoudige en krachtige methode voor de experimentele bepaling van de dispersie-eigenschappen van licht langzaam fotonisch kristal golfgeleiders. De techniek is gebaseerd op de combinatie van frequentie domein interferometrie 23 met Fourier transform analyse 36 en maakt een rechtstreekse, single-shot, doorlopende toewijzing van de groep index curve, zonder de noodzaak voor vertraging scans, 23-24 lineaire aanpassing van gegevens 22 , 25 of bepalen van de positie van de rand extrema. 20-21,25 Door gebruik te maken van een breedband lichtbron, zijn wij in staat om informatie uit het monster over een groot wavele ngth bereik en een zeer stabiele en reproduceerbare wijze. We kunnen meten groep indices boven 100 voor zowel korte als lange matig golfgeleiders (tot 200-250 pm), die waarden veel hoger dan die benodigd voor de nuttige toepassing van langzame lichtgolfgeleiders voor het verbeteren van de prestaties van zowel lineaire en niet-lineaire toestellen.
Resonant verstrooiing
Fotonisch kristal holten begrenzen licht in het vlak in twee dimensies, in tegenstelling tot fotonisch kristal golfgeleiders, waar licht wordt geleid in een dimensie. Dit maakt de opslag van licht in ultra-kleine volumes, zoals beschreven door een energie verval, gelijk aan die van een elektronische resonator dwz. In fotonische systemen wordt dit verval geassocieerd met de foton levensduur van de holte en is exponentiële vorm, dus resulteert in een Lorentz lineshape van de piek. De verhouding van de piek centrale golflengte van de volledige breedte half-maximale geeft de Q-factor.
jove_content "> Een belangrijk kenmerk van de RS techniek is de polarisatie behoud van eigendom van de installatie en in het bijzonder die van de hoge NA doelstelling. Hier ligt het probleem met de compatibiliteit van het hebben van een hoge NA (hoog collectie rendement) met behoud van de polarisatie, omdat hoge NA doelstellingen hebben de neiging om polarisaties te mengen. Deze polarisatie vermenging is verantwoordelijk voor kleine pieken en lage SNR.Wanneer de off-resonantie, x-gepolariseerd licht komt bij de holte (Figuur 18a) wordt opnieuw verspreid doel en gefilterd door de beam splitter / analyzer (y-gepolariseerd), zodat slechts een laag niveau wordt gezien bij de detector. Bij vermenging polarisatie wordt een deel van de x-gepolariseerd licht omgezet in de tegengestelde polarisatie en kan de analysator hiermee ook aan het verhogen van de achtergrond. Als dan on-resonantie licht koppels om de holte, de polarisatie roteert voor de fundamentele holte modus (rode pijl in Fi-guur 18b) en creëert een y-polarisatie component. Dit licht wordt gericht naar de uitgang arm en gaat de analysator. Opnieuw kan de y-gepolariseerd licht omzetten naar de andere polarisatie waardoor het signaalniveau. Daarom is een doelstelling moet worden gekozen dat polarisatie vermenging wordt tot een minimum beperkt.
Voor extreem hoge Q-factor holten, zoals holte hetero-structuur, de zendvermogen lager. Deze situatie kan verder worden verlaagd SNR en de piek verdwijnt van het geluidsniveau. Een lock-in configuratie moeten dan worden gebruikt om het geluidsniveau, niet de achtergrond te verlagen, om de piek te herstellen.
Merk op dat onze opstelling (figuur 14) is ontworpen voor multi-functionele karakterisering holte en naast micro-RS omvat fotoluminescentie en het genereren van tweede en derde harmonische frequenties.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Geen belangenconflicten verklaard.
Acknowledgments
De auteurs zijn zeer erkentelijk Dr Matteo Galli, dr. Simone L. Portalupi en prof. Lucio C. Andreani van de Universiteit van Pavia voor nuttige discussies met betrekking tot de RS-techniek en de uitvoering van metingen.
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
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Checoury, X., Han, Z., Boucaud, P. Stimulated Raman scattering in silicon photonic crystal waveguides under continuous excitation. Phys. Rev. B. 82 (4), 041308 (2010).
- Y, Photonic crystal nanocavity laser with a single quantum dot gain. Opt. Express. 17 (18), 15975-15982 (2009).
- Ellis, B., Mayer, M. A., et al. Ultralow-threshold electrically pumped quantum-dot photonic-crystal nanocavity laser. Nature Photon. 24, 297-300 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- Fan, S., Villeneuve, P. R., Joannopoulos, J. D., Haus, H. A. Channel drop filters in photonic crystals. Opt. Express. 3 (1), 4-11 (1998).
- 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).
- Nozaki, K., Tanabe, T., et al. Sub-femtojoule all-optical switching using a photonic-crystal nanocavity. Nature Photon. 4, 477-483 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Akahane, Y., Asano, T., Song, B. -S., Noda, S. High-Q photonic nanocavity in a two-dimensional photonic crystal. Nature. 425, 944-947 (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- O'Faolain, L., Schulz, S. A., et al. Loss engineered slow light waveguides. Opt. Express. 18 (26), 27627-27638 (2010).
- Joannopoulos, J. D., Johnson, S. G., Winn, J. N., Meade, R. D. Photonic crystals, molding the flow of light. , 2nd ed, Princeton University Press. (2008).
- 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).
- 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).
