Summary
फोटोनिक क्रिस्टल प्रकाश धीमा waveguides और cavities का प्रयोग करने के लिए व्यापक रूप से किया गया है कई अलग अनुप्रयोगों में फोटोनिक्स समुदाय द्वारा अपनाया. और इसलिए इन उपकरणों के निर्माण के लक्षण वर्णन बहुत रुचि के हैं. (Waveguides) interferometric और गुंजयमान बिखरने (cavities): इस कागज हमारे निर्माण की तकनीक और दो ऑप्टिकल लक्षण वर्णन तरीकों, अर्थात् रूपरेखा.
Protocol
अस्वीकरण: निम्नलिखित प्रोटोकॉल एक सामान्य प्रक्रिया प्रवाह फोटोनिक क्रिस्टल waveguides और cavities के लिए निर्माण और लक्षण तकनीक कवर देता है. प्रक्रिया प्रवाह विशिष्ट हमारी प्रयोगशाला में उपलब्ध उपकरणों के लिए अनुकूलित है, और मापदंडों भिन्न हो सकती है यदि अन्य अभिकर्मकों या उपकरण प्रयोग किया जाता है.
1. नमूना तैयार
- नमूना cleaving वफ़र सिलिकॉन पर इन्सुलेटर (SOI) लेने के लिए और एक हीरे की मुंशी का उपयोग करने के लिए एक सिलिकॉन की सतह के किनारे से लगभग 1-2 मिमी लंबी लाइन खरोंच, यह सुनिश्चित करना है कि खरोंच वेफर के किनारे पर फैली हुई है. एक सीधे बढ़त खरोंच संरेखित करें (जैसे कि स्लाइड एक खुर्दबीन के) और खरोंच के दोनों पक्षों के लिए भी सकारात्मक दबाव लागू: वफ़र खरोंच स्थान पर क्रिस्टल विमान के साथ फोड़ना होगा. पूरे चिप को परिभाषित करने के लिए इस प्रक्रिया को दोहराएँ.
- नमूना साफ - चिमटी का उपयोग कर एक सावधानी एसीटोन में नमूना प्लेसएन डी 1-2 मिनट के लिए अल्ट्रासोनिक स्नान में साफ. एसीटोन से नमूना निकालें, नमूना से सावधानी (30 सेकंड) isopropanol (दोनों एसीटोन और isopropanol ज्वलनशील हैं: अच्छा वेंटिलेशन का उपयोग करें और इग्निशन स्रोतों से बचने के लिए) का उपयोग कर किसी भी शेष एसीटोन कुल्ला. नमूना एक साफ सूखे नाइट्रोजन बंदूक का उपयोग कर सूखी.
- स्पिन विरोध - स्पिन coater पर नमूना जगह. पिपेट संवेदनशील इलेक्ट्रॉन नमूना पर सावधानी ZEP520A (ZEP520A ज्वलनशील है, साँस लेना और त्वचा और आंखों के साथ संपर्क के द्वारा हानिकारक से परहेज किया जाना चाहिए) का विरोध - पर्याप्त किनारे पर बह विरोध के बिना उपयोग करने के लिए पूरी तरह से नमूना कवर विरोध. नमूना स्पिन के रूप में तो एक लगभग देने के लिए. 350 एनएम और 180 डिग्री सेल्सियस पर 10 मिनट के लिए एक hotplate पर फिल्म सेंकना. हम इस मोटाई पाया इष्टतम मोटाई कि संकल्प और खोदना प्रतिरोध संतुलन (देखें बाद).
2. पैटर्न परिभाषा
- उपयुक्त सॉफ्टवेयर का उपयोग कर, आवश्यक photonic क्रिस्टल पैटर्न अनुकरण. एक सुन्नएर उपयोगी सॉफ्टवेयर संकुल उपलब्ध हैं, सहित, लेकिन सीमित नहीं है: एमआईटी Photonic बैंड (MPB), (RSoft) FullWAVE, एमआईटी विद्युतचुंबकीय समीकरण प्रचार (meep).
- पैटर्न पीढ़ी जोखिम फ़ाइलें (सामान्य में gds प्रारूप) और निकटता त्रुटि सही उचित सॉफ्टवेयर का उपयोग कर बनाने के लिए 30.
- पैटर्न एक्सपोजर - इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी प्रणाली (1530 लियो / Elphy Raith) के चेंबर में नमूना लोड और नीचे पंप. एक बार वैक्यूम हासिल किया गया है, EHT आपूर्ति पर स्विच और 30 केवी के लिए सेट. इस राज्य में 1 घंटे के लिए व्यवस्था करने के लिए नमूना मंच, और चैम्बर एक संतुलन तापमान तक पहुँचने की अनुमति छोड़ दें. जोखिम अपने विशिष्ट इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी प्रणाली के उपयोगकर्ता पुस्तिका में संकेत के रूप में सेट अप. नमूना बेनकाब एक उपयुक्त बुनियादी कदम आकार (जैसे 2 एनएम) (यह न्यूनतम पिक्सेल आकार जा रहा है कि प्रणाली को बेनकाब कर सकते हैं), कम से कम 1 एमएस के एक व्यवस्थित समय (का उपयोग इस समय प्रणाली बीम चलती है और को उजागर के बीच इंतजार कर रहा है की जा रही हैपैटर्न के विशेष भाग), और 55 -2 μAcm के एक क्षेत्र को खुराक.
- नमूना विकास - 23 के एक तापमान पर सावधानी Xylene (Xylene दोनों एक अच्छी तरह हवादार क्षेत्र में ज्वलनशील और बेहद जहरीला इग्निशन स्रोतों से दूर काम है और त्वचा और आंखों के साथ संपर्क से बचने के लिए) का उपयोग कर ° C 45 सेकंड के लिए नमूना का विकास. Isopropanol में कुल्ला.
3. खड़ाऊँ स्थानांतरण
- आर.आई.ई. चैंबर साफ - सेट की argon प्रवाह दरों और 200 SCCM हाइड्रोजन. नीचे पंप कुचलना, एक तितली वाल्व के माध्यम से, 1 के चैम्बर दबाव × 10 -1 mbar हासिल. आरएफ शक्ति 100 डब्ल्यू सेट, प्लाज्मा आग लगना और कम से कम 10 मिनट के लिए चलाने के लगभग 700 वी देखा जाना चाहिए एक डीसी पूर्वाग्रह. Ar / एच 2 प्लाज्मा स्विचन के बाद, चैम्बर लगभग 1 मिनट के लिए पंप करने के लिए अनुमति देते हैं. 200 SCCM के चेंबर में ऑक्सीजन का प्रवाह दर सेट और फिर 1 × 10 -1 mbar चैम्बर दबाव नीचे कुचलना. एक 2 प्लाज्मा प्रज्वलित100 डब्ल्यू के एक शक्ति के साथ ऑक्सीजन और 5 मिनट के लिए चला रहे हैं. इन प्रक्रियाओं के बाद, बहुलक अवशेषों जैसे contaminants के कक्ष से किसी भी पिछले शुष्क खोदना होगा. हम खोदना नुस्खा में हर परिवर्तन से पहले अधिकतम repeatability सुनिश्चित करने के लिए इस प्रक्रिया का प्रदर्शन करने के लिए. यह प्रक्रिया हमारी प्रणाली है जो एक समानांतर प्लेट, कैथोड लोड, आर.आई.ई. के होते हैं के लिए अनुकूलित है, दोनों थ्रॉटलिंग वाल्व और टर्बो आणविक जुड़ी पंप के साथ एक 12 इंच बंदरगाह सहित, ऊंचाई में 14 इंच से एक मुख्य कक्ष व्यास में 12 इंच के साथ.
- Photonic क्रिस्टल नक़्क़ाशी - आर.आई.ई. मुख्य कक्ष में नमूना लोड और <10 × mbar -6 को सुनिश्चित करने के लिए चैम्बर जल वाष्प की मुक्त है 3 के एक पृष्ठभूमि दबाव के लिए नीचे प्रणाली पंप. पूर्व कंडीशनिंग से खोदना शुरू नक़्क़ाशी gasses (अर्थात् CHF 3 और एस एफ 6) के साथ चैम्बर: 100 SCCM (यानी एक गैस अनुपात 1:1 के सेट) दोनों gasses के प्रवाह की दर निर्धारित और गला घोंटना का उपयोग कर कक्ष लाने के 5 × 10 के लिए दबाव
- शेष हटाने के सफाई नमूना इलेक्ट्रॉन संवेदनशील विरोध शुष्क नक़्क़ाशी के बाद सावधानी में 1-2 मिनट के लिए 1165 हटानेवाला (1165 ज्वलनशील है और आँखों में जलन पैदा कर सकता है, नाक और श्वसन तंत्र) rinsing अल्ट्रासोनिक आंदोलन के साथ द्वारा नमूना साफ, एसीटोन द्वारा पीछा और isopropanol रूप में ऊपर उल्लिखित (1.2 कदम).
- झिल्ली अलगाव स्पिन कोट यूवी संवेदनशील फोटो के साथ नमूना सावधानी Microposit S1818 (S1818 G2 दोनों ज्वलनशील है और आँखों में जलन का कारण बनता है, नाक और श्वसन तंत्र) G2 (1.3 कदम देखें) का विरोध. एक appropriat का उपयोगई photomask, photonic क्रिस्टल पैटर्न का उपयोग यूवी मुखौटा aligner ऊपर विरोध भीतर खिड़कियों को परिभाषित करते हैं. लगभग 30-45 सेकंड के लिए नमूना बेनकाब. विकास सावधानी में विरोध एमएफ-319 Microposit डेवलपर (MF-319 एक alkaline तरल है और आँखों में जलन, नाक और श्वास नलिका पैदा कर सकता है) 30-45 सेकंड के लिए बाद में de-ionised पानी में rinsing. De-ionised सावधानी 01:05 Hydrofluoric एसिड (1.1499 छ मिलीग्राम / 48-51% HF) (HF बेहद संक्षारक है और आसानी से ऊतक को नष्ट कर देता है, जब हैंडलिंग HF के लिए मूल्यांकन पूर्ण व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण का उपयोग करें) के मिश्रण के साथ एक प्लास्टिक बीकर तैयार पानी. ध्यान दें कि सुरक्षा कारणों के लिए केवल प्लास्टिक beakers और चिमटी Hydrofluoric एसिड के साथ किया जाना चाहिए. Hydrofluoric एसिड मिश्रण में 15 मिनट के लिए नमूना डूब. नक़्क़ाशी के बाद, नमूना de-ionised पानी में अच्छी तरह कुल्ला. निकालें शेष एसीटोन और isopropanol (1.2 कदम देखें) का उपयोग कर फोटो विरोध और इस स्तर से अल्ट्रासोनिक आंदोलन के बाद नहीं किया जा सकता. सुनिश्चित करने के लिए नमूनासंभव के रूप में साफ है, और एक सावधानी पिरान्हा समाधान (पिरान्हा समाधान बहुत ऊर्जावान, संभावित विस्फोटक सामग्री और जैविक हमलों, जब हैंडलिंग पूर्ण व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण का उपयोग करें) (3:01 सावधानी सल्फ्यूरिक एसिड (गंधक में कुल्ला साथ isopropanol धोने एसीटोन का पालन करें एसिड संक्षारक और बहुत विषैला होता है, जब हैंडलिंग व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण का उपयोग करें और vapors या mists की साँस लेना से बचने के लिए) के लिए 5 मिनट के लिए हाइड्रोजन पेरोक्साइड (हाइड्रोजन पेरोक्साइड त्वचा और आंखों से संपर्क के मामले में, जब हैंडलिंग व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण का उपयोग करें) में बहुत खतरनाक है) चेतावनी , तो de-ionised पानी,, एसीटोन, और isopropanol में नमूना कुल्ला. ध्यान दें कि सुरक्षा कारणों के लिए ही कांच beakers और धातु चिमटी पिरान्हा समाधान के साथ प्रयोग किया जाना चाहिए. के रूप में पिरान्हा समाधान एसीटोन या isopropanol के साथ संपर्क में विस्फोट कर सकते हैं, यह इन अभिकर्मकों से दूर संभाला जाना चाहिए.
- मुखिका cleaving - अगर एक फोटोनिक क्रिस्टल waveguide धीमी गति प्रकाश की तैयारी, नमूना पहलू cleaving की आवश्यकता है. फोड़ना साएक ही प्रक्रिया का पालन के रूप में 1.1 चरण में उल्लिखित है कि जितना संभव हो छोटा एक खरोंच के अलावा, mple किया जाना चाहिए. ~ 700 सुक्ष्ममापी मोटी सब्सट्रेट के साथ एक सोइ चिप मज़बूती 4-5 मिमी लंबे नमूने नीचे जा सकता है cleaved.
4. Photonic क्रिस्टल Waveguide धीमी गति से प्रकाश विशेषता
- एक 3 DB फाइबर फाड़नेवाला और outputs के प्रत्येक का उपयोग: - स्थापना के प्रारंभिक तैयारी एक सावधानी ब्रॉडबैंड प्रवर्धित सहज (एएसई) उत्सर्जन प्रकाश स्रोत (अनावश्यक उच्च शक्तियों से बचने के लिए, यदि संभव हो तो किरण पथ को कवर अदृश्य IR विकिरण) के उत्पादन में कनेक्ट एक मुक्त अंतरिक्ष मच-Zehnder (MZI) interferometeter, के रूप में 9 चित्र में दिखाया गया है की दो बाहों में कुछ प्रकाश. लेंस aspheric का उपयोग करने के लिए फाइबर से प्रकाश उत्पादन संधानिक. एक interferometer की बाहों में, दो अतिरिक्त लेंस aspheric का उपयोग में और नमूना चिप के बाहर प्रकाश किरण जोड़े. नमूना हाथ में एक ध्रुवीकरण बीम फाड़नेवाला (पीबीएस) ते - फूट डालना ligh जगहटी inputting नमूना. Collimated उत्पादन मुस्कराते हुए जोड़े लेंस aspheric दोनों बाहों से पीछे का प्रयोग एक दूसरे 3 DB फाइबर फाड़नेवाला, जहां वे recombine जाएगा. एक अवरक्त डिटेक्तार एक outputs के कनेक्ट और डिटेक्टर के पढ़ने का उपयोग करने के लिए नमूने में प्रकाश युग्मन को अधिकतम एक ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम विश्लेषक (ओएसए) अन्य उत्पादन कनेक्ट. MZI के दो हथियार के लगभग एक ही ऑप्टिकल लंबाई जब नमूने की उपस्थिति में करना चाहिए: सुनिश्चित करें कि MZI की दो बाहों में फाइबर ही मामूली लंबाई है और संदर्भ के हाथ में एक tunable देरी चरण शामिल करने की अनुमति इसकी लंबाई के ठीक समायोजन के लिए. नमूना हाथ में, xyz परिशुद्धता चरणों पर aspheric लेंस माउंट नमूना में सबसे अच्छा युग्मन प्राप्त.
- समायोजित संदर्भ भुजा की लंबाई - कुछ एक रिक्त (बिना photonic क्रिस्टल) अर्थात् रिज waveguide प्रकाश बीम (एक ही प्रकार के रूप में उपयोग waveguides कि photonic क्रिस्टल के अंदर फ़ीड प्रकाश) वाईनमूना हाथ में एक ही चिप पतली. ओएसए पर एक निरंतर स्कैन चलाएँ और मापा तरंग दैर्ध्य स्पेक्ट्रा निरीक्षण. इन किनारे अगर MZI की बाहों बहुत अलग ऑप्टिकल लंबाई (> सेमी ~) नहीं दिखाई देगा, यदि MZI के दो हथियार के लगभग एक ही ऑप्टिकल लंबाई, स्पेक्ट्रा प्रदर्शनी रचनात्मक और विनाशकारी हस्तक्षेप के कारण किनारे हाशिये पर रिक्ति inversely दो हथियार के बीच ऑप्टिकल पथ लंबाई में अंतर करने के लिए आनुपातिक है. देरी चरण स्थानांतरित करने के लिए संदर्भ हाथ को कम करने के लिए और ओएसए में किनारे का निरीक्षण: अगर वे denser (sparser) बन जाते हैं, संदर्भ हाथ नमूना हाथ की तुलना में कम है (अब). देरी मंच तैयार करने के लिए यकीन है कि है कि संदर्भ हाथ किनारे एक 10 एनएम तरंगदैर्ध्य रेंज में 5 से 10 (10a चित्रा देखें) के एक किनारे रिक्ति में नमूना हाथ और परिणाम की तुलना में कम है. अंत में, इस अनुकूलन युक्ति है कि अधिकतम देरी प्रदान करता है पर प्रदर्शन और फिर माप भर तय देरी रखनापूरे नमूना.
- अंशांकन चलाने - जबकि अभी भी रिक्त waveguide पर गठबंधन, ओएसए पर तीन स्कैन चलाने के: हस्तक्षेप स्पेक्ट्रम और दो हथियार के अलग - अलग प्रत्येक (दूसरे हाथ अवरुद्ध द्वारा प्राप्त) के लिए एक स्कैन के लिए एक स्कैन. 0.05-0.1 एनएम के एक संकल्प का प्रयोग करें. प्रत्येक मापा स्पेक्ट्रम रिकार्ड.
- प्रकाश धीमा डाटा अधिग्रहण - चलाने के लिए और 4.3 चिप पर प्रत्येक photonic क्रिस्टल waveguide के लिए कदम के रूप में तीन स्पेक्ट्रा रिकॉर्ड.
- फूरियर डेटा विश्लेषण - हस्तक्षेप के स्पेक्ट्रम (interferogram) मैं (ω) गणितीय द्वारा व्यक्त की है:
मैं (ω) = एस (ω) + (ω) आर sqrt + [एस आर (ω) (ω)] {ऍक्स्प [iΦ (ω) iωτ] + सीसी},
जहां (ω) एस आर (ω) वर्णक्रमीय घनत्व नमूना और संदर्भ हथियार से अलग से मापा जाता है, क्रमशः हैं. देरी τ संदर्भ हाथ में देरी के स्तर की स्थिति द्वारा निर्धारित है. photonic क्रिस्टल waveguide के फैलाव के बारे में जानकारी चरण में निहित हैशब्द है, जो हम मापा डेटा से निकालने चाहिए.
गैर दखल interferogram से पृष्ठभूमि एस (ω) + आर (ω) केवल हस्तक्षेप अवधि अलग. घटाएँ अवधि SQRT (एसआर) ऍक्स्प [i (Φ - ωτ)] और इसकी जटिल संयुग्म टी पर केन्द्रित चोटियों के अनुरूप = τ और टी = τ क्रमशः, हस्तक्षेप कार्यकाल के फूरियर की गणना संख्यानुसार एक फ़िल्टर दो शब्दों की और वापस आवृत्ति डोमेन के लिए बिजली की ताक़त को परिणत करना. दो हथियार के बीच समूह देरी में अंतर Δτ जी, प्राप्त ω सम्मान के साथ परिणामी डेटा के ωτ चरण Φ (ω) अंतर. समूह सूचकांक n = सी वी / वी जी के साथ जी, समूह वेग जी द्वारा दिया जाता है:
n छ = (Δτ छ पीएचसी - Δτ छ कैलोरी) ग / एल + n कैलोरी,
जहां Δτ छ सीएएल अंशांकन fr लिया डेटा से प्राप्त किया जाता हैरिक्त waveguide ओम, एल photonic क्रिस्टल waveguide लंबाई और n कैलोरी 2.7 = संदर्भ रिज waveguide के प्रभावी सूचकांक है. स्थापना के विभिन्न ऑप्टिकल तत्वों से देरी के लिए योगदान अंशांकन समय में खाते में लिया जाता है, और इसलिए इस चरण में घटाया है.
- पारेषण वक्र - एक photonic क्रिस्टल waveguide के नमूना स्पेक्ट्रम सामान्य रिक्त waveguide के द्वारा संचरण की अवस्था की गणना.
5. Photonic क्रिस्टल गुहा विशेषता
- - सेटअप RS (14 चित्रा) के लिए सेटअप की तैयारी में शामिल हैं: ध्रुवीकरण बीम फाड़नेवाला विनिमेय तत्व के स्विच, इनपुट हाथ में एक polariser डालने के रूप में के रूप में अच्छी तरह से उत्पादन हाथ में एक विश्लेषक, जांच के हाथ में एक दर्पण फ्लिप निकट अवरक्त एक स्रोत का उपयोग करने की अनुमति, नमूना रोशनी की अनुमति देते हैं. नमूना एक 45 ° अक्ष उन्मुखीकरण के साथ खड़ी माउंटpolarizer एक xyz माइक्रो ब्लॉक और ब्लॉक सूक्ष्म समायोजित इतना है कि नमूना ध्यान में है और कैमरे के साथ एक गुहा 15 चित्रा (बाएं) के रूप में देखा जा सकता है, के लिए प्रेरित अंतर पर (18 चित्रा) के. एक प्रवर्धित सहज (एएसई) उत्सर्जन स्रोत, का उपयोग गुहा 15 चित्रा (दाएं) के केंद्र के साथ बीम संरेखित करें. दूर रोशनी दर्पण पलटें और उत्पादन हाथ स्पेक्ट्रोमीटर (संलग्न सरणी डिटेक्टर के साथ monochromator) में प्रवेश के लिए अनुमति देते हैं. एक कम के क्रम में लिए गुहा चोटियों की पहचान करने के लिए संकल्प उदारवादी के साथ एक व्यापक स्कैन शुरू करो. 1 एनएम के एक सटीकता के साथ ASE स्कैन (चित्रा 16a) में गूंज के मोटे तरंगदैर्ध्य प्राप्त करते हैं. यह भी संभव है एक सावधानी tunable लेजर स्रोत (TLS) (16b चित्रा) (अदृश्य IR विकिरण: अनावश्यक उच्च शक्तियों से बचने के लिए, यदि संभव हो तो किरण पथ को कवर) के साथ व्यापक स्कैन प्राप्त. एक करने के लिए सावधान रहना है कि संकल्प उच्चतम मूल्य के लिए सेट कर दिया जाता है, के क्रम में हो गया हैहर चोटी की लाइन चौड़ाई नमूना.
- पहचान की चोटियों पर उच्च संकल्प स्कैन प्रदर्शन इनपुट हाथ करने के लिए TLS कनेक्ट और एक मेगावाट स्तर बीम attenuate. उत्पादन बांह photodetector द्वारा एकत्र करने के लिए अनुमति देता है और एक 2 एनएम पहले से पाया प्रतिध्वनि तरंगदैर्ध्य पर केंद्रित श्रृंखला के लिए 1 बजे के एक संकल्प के साथ एक सतत झाडू स्कैन की स्थापना द्वारा उच्च संकल्प स्कैन के लिए तैयार है. इस कदम के महत्व के उद्देश्य के साथ संकेत करने वाली शोर अनुपात (SNR) में सुधार करने के लिए एक Lorentzian गूंज लाइन आकार प्राप्त: ब्लॉक सूक्ष्म स्थिति xyz को बदलने के लिए और फिर से चलाने के स्कैन जब तक SNR maximized है और लाइन आकार एक Lorentzian करीब है, के रूप में प्रतिनिधि परिणाम अनुभाग में दिखाया गया है.
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Discussion
नमूना निर्माण
इलेक्ट्रॉन बीम का विरोध (यानी ZEP 520A) की हमारी पसंद इसके साथ उच्च संकल्प और खोदना प्रतिरोध के कारण है. हम मानते हैं कि ZEP 520A यूवी उपरि प्रयोगशाला रोशनी से उत्सर्जित प्रकाश से प्रभावित हो सकता है, इस तरह के रूप में हम यूवी अपारदर्शी कंटेनरों में स्पिन लेपित नमूनों रखने, जबकि उन्हें एक प्रयोगशाला से दूसरे में जाने की सलाह देते हैं.
फोटोनिक क्रिस्टल पैटर्न को परिभाषित करने पर चल रहा है, हम नमूना को उजागर करने से पहले पाया है कि इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी प्रणाली के लिए कम से कम एक घंटे के लिए व्यवस्थित करने के बाद लोड हो रहा है लेखन के दौरान गलत संरेखण त्रुटियों को कम करने की अनुमति - यह नमूना मंच की वजह से है और निर्वात चैम्बर नहीं लदान के बाद तुरंत ही तापमान पर किया जा रहा है. फोटोनिक क्रिस्टल के रूप में पैटर्न, उपयोग waveguides के साथ साथ, कई घंटे लेने के लिए लिखते हैं, मंच में एक छोटे से कक्ष के सापेक्ष बहाव (भी फोटोनिक क्रिस्टल छेद प्रति केवल नैनोमीटर) हस्ताक्षर में परिणाम हो सकता हैificant सिलाई और photonic क्रिस्टल tolerances करने के लिए सम्मान के साथ संभवतः पैटर्न विरूपण त्रुटियों. त्रुटि प्रकृति में यादृच्छिक, जोखिम से एक दूसरे के लिए, लेकिन के रूप में 100 एनएम / मिनट (पूर्ण स्थितीय त्रुटि) के रूप में उच्च किया जा सकता है, लेकिन रिश्तेदार स्थितीय त्रुटि, एक photonic क्रिस्टल छेद के बीच एक और अर्थात् नैनोमीटर के आदेश पर किया जा सकता है, जो आगे गति, जिस पर पैटर्न लिखा है बढ़ाने के द्वारा कम किया जा सकता है. प्रणाली पहला नमूना लोड करने के बाद व्यवस्थित करने के लिए अनुमति देकर इन मुद्दों से आगे हो सकता है (हालांकि पूरी तरह से हटा नहीं) नकार सकते हैं उल्लेख किया.
Ar / एच 2 खोदना प्लाज्मा (आयन बमबारी के माध्यम से धातु और सिलिकॉन contaminants को दूर करने के लिए प्रयोग किया जाता है) ओ 2 खोदना प्लाज्मा (बहुलक हटाने और प्लाज्मा ashing के माध्यम से जैविक अवशेषों के लिए प्रयोग किया जाता) द्वारा पीछा किया प्रोटोकॉल की धारा 3.1 में वर्णित एक सफाई आहार को परिभाषित आर.आई.ई. कक्ष के भीतर प्रदूषण नियंत्रण के लिए विकसित किया गया था जब photonic करोड़ नक़्क़ाशीystals इस सफाई, हमारे द्वारा माना जाता है एक photonic क्रिस्टल उपकरणों के निर्माण में सबसे महत्वपूर्ण कदम के, आर.आई.ई. कक्ष की सफाई repeatable विश्वसनीय हमारे मामले में विशेष रूप से निर्माण के लिए सर्वोपरि है जहां आर.आई.ई. केवल के लिए प्रयोग किया जाता है सिलिकॉन की नक़्क़ाशी. Ar / एच 2 प्लाज्मा एक नीली - धूसर रंग गुलाबी रंग (दूषित कक्ष संकेत) (यह दर्शाता है कि चैम्बर contaminants से मुक्त है) से परिवर्तन देखा जाता है, एक 10 मिनट प्लाज्मा सामान्य रूप से पर्याप्त है. ओ 2 प्लाज्मा तो चैम्बर की सफाई के आधार पर एक आगे 5-10 मिनट के लिए प्रक्रिया की शुरुआत (यानी / Ar एच 2 प्लाज्मा रंग) में किया जाता है. हालांकि पिछले पद्धति निर्णायक साबित नहीं किया गया है कि हम पाते हैं कि प्लाज्मा का रंग चैम्बर की सफाई के लिए एक उपयोगी सूचक साबित होता है. हम यह भी पाया है कि पूर्व कंडीशनिंग द्वारा एक और अधिक विश्वसनीय प्रक्रिया में 10 मिनट परिणाम के लिए सिलिकॉन खोदना gasses के साथ खोदना कक्ष - हमें विश्वास है किइस नक़्क़ाशी गैस प्रवाह की दर स्थिर किया जा रहा है और पूर्व शर्त की अवधि के दौरान कक्ष की दीवारों में adsorbed के कारण हो सकता है.
जब नमूना तहत नक़्क़ाशी झिल्ली बनाने, Hydrofluoric एसिड का उपयोग, उपयोग waveguides संरक्षित किया जाना चाहिए. Hydrofluoric एसिड का उपयोग waveguide के साथ संपर्क में आता है, यह अब etched (waveguide के दोनों ओर) खाई और माइक्रोमीटर के सैकड़ों के लिए उपयोग waveguides तहत etches के माध्यम से प्रवेश. चरम मामलों में उपयोग waveguides मोड़ और तनाव के कारण को तोड़ने के एक पूर्ण चिप बेकार प्रतिपादन. Hydrofluoric एसिड एक isotropic etchant है, समय नक़्क़ाशी झिल्ली कारण से पार्श्व नक़्क़ाशी (photonic क्रिस्टल waveguide सीधा) को रोकने के लिए सिलिकॉन परत आंतरिक तनाव की रिहाई के कारण मोड़ से नियंत्रित किया जाना चाहिए. चरम मामलों में, अत्यधिक तहत खोदना झिल्ली भी पतन का कारण बन सकते हैं.
अंत में, साफ का निर्माणफोटोनिक क्रिस्टल waveguides में मुक्त अंतरिक्ष प्रकाश युग्मन के लिए पहलुओं बेहद चुनौतीपूर्ण है. अगर खरोंच / ध्यान cleaved, सिलिकॉन अनिवार्य रूप से एक क्रिस्टल विमान एक अच्छा पहलू (हमारे अनुभव में, पहलू चमकाने के रूप में इस तरह की तकनीक की आवश्यकता नहीं कर रहे हैं) के गठन का पालन करेंगे. एक बुरा पहलू प्रत्येक पहलू में बड़े नुकसान का कारण युग्मन कर सकते हैं. हम महत्वपूर्ण नमूनों के साथ काम करने के लिए प्रयास करने से पहले एक cleaving तकनीक समाप्ति की सलाह देते हैं. यह भी उतना ही जरूरी है कि एक बार एक अच्छा फोड़ना हासिल किया गया है पहलुओं क्षतिग्रस्त नहीं कर रहे है: नमूना केवल दो समानांतर waveguides (चिप के अंत पहलू पक्षों द्वारा नहीं) अर्थात् किनारों का उपयोग उठाया जाना चाहिए. 2-3 मिमी नमूना नीचे लंबाई मज़बूती से एक ~ 700 सुक्ष्ममापी मोटी सोइ चिप के cleaving पुस्तिका के साथ प्राप्त किया जा सकता है. छोटे नमूने के लिए, हम सब्सट्रेट thinning सुझाव या एक अलग cleaving तकनीक का उपयोग करें.
हालांकि इस पत्र में उल्लिखित प्रोटोकॉल सोइ, fabrica पीछे सामान्य सिद्धांत के लिए अनुकूलित हैअन्य अर्धचालक में उपकरणों के निर्माण के लिए tion तरीकों में भी मान्य हैं, निश्चित रूप से जब सिलिकॉन खोदना उपकरण, खोदना chemistries और मुखौटा सामग्री की सावधानी से विचार से बदल किए जाने की जरूरत होगी.
इस कागज के निर्माण प्रोटोकॉल +१५५० एनएम के एक ऑपरेटिंग सेंटर तरंगदैर्ध्य पर लक्षित उपकरणों के लिए अनुकूलित किया है, लेकिन उपकरणों MidIR शासन निर्माण (2.7-3.5 सुक्ष्ममापी) प्रोटोकॉल का उपयोग करते हुए इस पत्र में प्रस्तुत किए गए लोगों पर आधारित करने के लिए भी तैयार किया गया है.
धीरे प्रकाश समूह का सूचकांक माप
महत्वपूर्ण पैरामीटर के लिए धीमी गति से प्रकाश को मापने के रूप में समूह सूचकांक के महत्व फैलाव आरेख या बैंड संरचना ω (कश्मीर) आम तौर पर एक photonic क्रिस्टल waveguide के फैलाव का वर्णन करने के लिए प्रयोग किया जाता से originates 34 फैलाव वक्र के स्थानीय ढलान ω ∂ / ∂ कश्मीर समूह वेग v छ से मेल खाती है, जिस गति पर electromagneti अर्थात्ग ऊर्जा waveguide, जो equivalently समूह सूचकांक n = छ / सी वी जी द्वारा वर्णित किया जा सकता है के माध्यम से यात्रा करता है. लगभग 5 एनजी मान तेजी से प्रकाश व्यवस्था के अनुरूप है, जबकि उच्च मूल्यों के लिए आम तौर पर धीमी गति से प्रकाश व्यवस्था के भीतर गिर माना जाता है.
जब प्रकाश धीमा MZI सेटअप निर्माण, यह सुनिश्चित करें कि interferometer के दो हथियारों की सभी सुरक्षित फाइबर ऑप्टिकल तालिका के लिए बंधे हैं बनाना महत्वपूर्ण है, के रूप में किसी भी आंदोलन या कंपन पथ interferogram अधिग्रहण की गुणवत्ता में कोई समझौता किए लंबाई बदल जाएगा . एक ही कारण के लिए, interferogram के स्कैन जल्दी प्रदर्शन किया जाना चाहिए, या चरण के उतार चढ़ाव के समूह के सूचकांक में डेटा की अवांछित दोलनों में परिणाम देगा. MZI के दो हथियार भी मुक्त अंतरिक्ष फाइबर पूरी तरह से बचने में पूरी तरह से हो सकता है महसूस किया जा संदर्भ में 26 के रूप में: एक मुक्त अंतरिक्ष MZI अधिक स्थिर है, लेकिन यह भी अधिक के लिए पंक्ति में मुश्किल हो जाएगा.
पर निर्भर करता हैसंकल्प सेट और फेब्री Perot किनारे की ताकत, समूह सूचकांक का निर्धारण बड़ी अनिश्चितता से प्रभावित होता है जब किनारे बहुत कसकर एकाग्र. देरी चरण शुरू 4-10 fringes/10 एनएम, के रूप में 4.2 प्रोटोकॉल के कदम में विस्तृत है, देने के लिए की स्थापना अपेक्षाकृत उच्च समूह सूचकांक के साथ 30-100 सुक्ष्ममापी लंबाई के फोटोनिक क्रिस्टल waveguides के लिए अच्छी तरह से काम करता है, ऊपर n छ> इंजीनियर के लिए 100 धीमी गति से प्रकाश 35 waveguides (12 चित्र देखें). बैंड बढ़त धीमी रोशनी के लिए, अधिकतम औसत दर्जे का समूह सूचकांक एक ही लंबाई के लिए कम हो सकता है, अधिक प्रचार नुकसान के लिए कारण हैं.
~ 4 fringes/10 एनएम के एक किनारे रिक्ति के साथ हम मज़बूती समूह इंडेक्स को मापने 300 सुक्ष्ममापी लंबे समय इंजीनियर waveguides (13 चित्रा) में भी लगभग 100 में सक्षम हैं. अब waveguides के लिए, बहुत घना किनारे बहुत जल्दी हो जाते हैं, और ओएसए के संकल्प अधिकतम औसत दर्जे का समूह सूचकांक सीमित कर देगा. ध्यान दें, तथापि, कि के लिएra निश्चित संकल्प और हाशिये रिक्ति, अधिकतम औसत दर्जे का समूह सूचकांक linearly waveguide लंबाई के साथ पैमाने पर नहीं करता है, और भी प्रसार हानि फैलाव से प्रभावित हो सकता है. एक बहुत लंबे waveguide के लिए, हम यह समान समूह के सूचकांक में माप के लिए विशेष रूप से डिजाइन के साथ एक छोटी waveguide के बगल में शामिल करने के लिए सुझाव देते हैं.
सारांश में, हम प्रकाश धीमा photonic क्रिस्टल waveguides के फैलाव संपत्तियों की प्रयोगात्मक निर्धारण करने के लिए एक सरल और शक्तिशाली विधि का वर्णन किया है. हमारी तकनीक आवृत्ति डोमेन 23 इंटरफेरोमेट्री फूरियर विश्लेषण के साथ 36 के संयोजन पर आधारित है और एक सीधा, एकल शॉट, समूह के सूचकांक में वक्र के सतत मानचित्रण, देरी स्कैन के लिए कोई ज़रूरत नहीं के साथ, 23-24 22 डेटा के nonlinear फिटिंग के लिए अनुमति देता है , 25 या झब्बे extrema की स्थिति के निर्धारण एक ब्रॉडबैंड प्रकाश स्रोत का उपयोग करके. 20-21,25, हम नमूना से एक बड़ी wavele पर जानकारी निकालने में सक्षम हैं ngth रेंज है, और एक बहुत ही स्थिर और repeatable ढंग से. हम दोनों छोटी और मध्यम लंबा (200-250 सुक्ष्ममापी) waveguides, जो मान रहे हैं के प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए धीमी गति से प्रकाश waveguides की उपयोगी आवेदन के लिए जरूरत है उन लोगों की तुलना में ज्यादा के लिए समूह सूचकांक के 100 से अधिक में उपाय कर सकते हैं दोनों रैखिक और nonlinear उपकरणों.
गूंजनेवाला बिखरने
Photonic क्रिस्टल cavities क़द करना दो आयामों में प्रकाश में विमान, photonic क्रिस्टल waveguides, जहां प्रकाश एक आयाम में निर्देशित है के विपरीत. यह अल्ट्रा छोटे मात्रा में है, जो एक ऊर्जा क्षय द्वारा वर्णित है कि एक इलेक्ट्रॉनिक गुंजयमान यंत्र यानी एनालॉग भीतर प्रकाश के भंडारण की अनुमति देता है. Photonic प्रणाली में, इस क्षय गुहा के फोटॉन जीवनकाल के साथ जुड़ा हुआ है और घातीय फार्म का है, इसलिए चोटी के एक Lorentzian lineshape में जिसके परिणामस्वरूप. शिखर केंद्र पूर्ण चौड़ाई आधा अधिकतम तरंग दैर्ध्य के अनुपात क्यू कारक का प्रतिनिधित्व करता है.
"> RS तकनीक की एक महत्वपूर्ण विशेषता की स्थापना के ध्रुवीकरण बनाए रखने की संपत्ति है और विशेष रूप से उच्च NA उद्देश्य के. jove_content यहाँ एक उच्च NA (उच्च संग्रह क्षमता) जबकि ध्रुवीकरण बनाए रखने की अनुकूलता के साथ मुद्दा निहित है, क्योंकि उच्च NA उद्देश्यों के polarizations मिश्रण करते हैं इस ध्रुवीकरण intermixing छोटे चोटियों और कम SNR के लिए जिम्मेदार है.जब बंद गूंज, x-polarized प्रकाश गुहा (चित्रा 18a) में आता है, इसे वापस उद्देश्य के माध्यम से बिखरे हुए है और बीम / फाड़नेवाला विश्लेषक (y-polarized), केवल इतना है कि एक कम स्तर पर देखा जाता है से बाहर फ़िल्टर्ड डिटेक्टर. ध्रुवीकरण intermixing के मामले में, x-polarized प्रकाश की कुछ विपरीत ध्रुवीकरण परिवर्तित किया जाता है और विश्लेषक इस प्रकार पारित कर सकते हैं पृष्ठभूमि बढ़ रही है. यदि तो प्रतिध्वनि पर गुहा जोड़े प्रकाश, ध्रुवीकरण मौलिक गुहा (फाई में मोड लाल तीर के लिए घूमता18b gure) और एक y-ध्रुवीकरण घटक बनाता है. यह प्रकाश उत्पादन हाथ करने के लिए निर्देशित कर है और विश्लेषक गुजरता है. फिर, y-polarized प्रकाश विपरीत ध्रुवीकरण इस प्रकार संकेत स्तर को कम करने के लिए परिवर्तित कर सकते हैं. इसलिए, एक उद्देश्य ध्रुवीकरण intermixing इतना है कि कम से कम रखा जाता है चुना जा जरूरत है.
अति उच्च एक असमलैंगिक संरचना गुहा के रूप में क्यू कारक cavities के लिए, उत्सर्जित शक्ति कम है. यह स्थिति आगे SNR को कम कर सकते हैं और चोटी शोर स्तर में गायब हो जाती है. एक विन्यास में ताला तो शोर, पृष्ठभूमि स्तर के स्तर को कम नहीं किया जाना चाहिए, क्रम में करने के लिए चोटी की वसूली.
ध्यान दें कि हमारे सेटअप (14 चित्रा) बहुआयामी गुहा लक्षण वर्णन के लिए तैयार है, और रुपये अलावा सूक्ष्म photoluminescence और दूसरे और तीसरे हार्मोनिक आवृत्तियों की पीढ़ी भी शामिल है.
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Disclosures
ब्याज की कोई संघर्ष की घोषणा की.
Acknowledgments
लेखकों को आभार विश्वविद्यालय से Pavia उपयोगी RS तकनीक और माप के निष्पादन के लिए संबंधित चर्चा के लिए डॉ. Matteo गली, डॉ. सिमोन एल Portalupi और प्रो Lucio सी. ANDREANI को स्वीकार करते हैं.
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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