Summary
O uso de guias de onda de luz de cristal fotônico lentos e cavidades tem sido amplamente adotado pela comunidade fotônica em muitas aplicações diferentes. Portanto fabricação e caracterização destes dispositivos são de grande interesse. Este artigo descreve a nossa técnica de fabricação e dois métodos de caracterização óptica, a saber: a dispersão interferométrica (guias de onda) e ressonância (cavidades).
Abstract
Luz lenta tem sido um dos temas quentes na comunidade fotônica na última década, gerando grande interesse, tanto do ponto de vista fundamental e para o seu considerável potencial para aplicações práticas. Lentas luz guias de cristal fotônico, em particular, têm desempenhado um papel importante e tem sido empregada com sucesso para retardar sinais ópticos 1-4 e o reforço de ambos os dispositivos lineares e não-lineares 5-7. 8-11
Cavidades de cristal fotônico obter efeitos semelhantes ao de guias de onda de luz lenta, mas mais de uma reduzida largura de banda. Estas cavidades oferecer Q-factor/volume proporção elevada, para a realização de 12 e opticamente electricamente 13 bombeou lasers ultra-baixo limiar eo acessório de efeitos não lineares. 14-16 Por outro lado, os filtros passivos 17 e moduladores 18-19 foram demonstrados, exibindo ultra-estreito linha de largura, r livre-espectralange e gravar valores de baixo consumo de energia.
Para atingir estes resultados animadores, um protocolo de fabricação robusta repetitivo deve ser desenvolvida. Neste trabalho, dar uma olhada em profundidade no nosso protocolo de fabricação que utiliza litografia por feixe de elétrons para a definição de padrões de cristal fotônico e usa técnicas de gravura secos e molhados. Nossos resultados otimizados de fabricação receita em cristais fotônicos que não sofrem assimetria vertical e exibem muito bom aspereza da borda da parede. Discutem-se os resultados da variação dos parâmetros de corrosão e os efeitos nocivos que podem ter sobre um dispositivo, que conduz a uma via de diagnóstico que podem ser tomadas para identificar e eliminar os problemas semelhantes.
A chave para a avaliação de guias de onda de luz lentos é a caracterização de transmissão passiva e espectros de índice do grupo. Vários métodos têm sido relatados, principalmente resolver as franjas de Fabry-Perot de o espectro de transmissão de 20-21 umtécnicas d interferométricos. 22-25 Aqui, descrevemos um direto, técnica de medição de banda larga combinando interferometria espectral com análise de Fourier de transformação. Nosso método 26 se destaca por sua simplicidade e poder, como podemos caracterizar um cristal fotônico nua com guias de acesso, sem necessidade para os componentes on-chip de interferência, ea instalação consiste apenas de um interferômetro de Mach-Zehnder, sem a necessidade de peças móveis e digitalizações de atraso.
Quando caracterização fotónicas cavidades de cristal, que envolvem técnicas de fontes internas 21 ou externas guias de onda directamente acoplados à cavidade 27 no impacto do desempenho da própria cavidade, distorcendo assim a medição. Aqui, descrevemos uma nova técnica e não intrusivo que faz uso de uma sonda de feixe de polarização cruzada e é conhecida como espalhamento ressonante (RS), em que a sonda é acoplada fora do plano no interior da cavidade por meio de um objectivo. A técnica foi a primeira demonstraçãoted em 28. McCutcheon et al e desenvolvido por Galli et al. 29
Protocol
Disclaimer: O protocolo a seguir dá um fluxo de processo geral que abrange as técnicas de fabricação e caracterização de guias de onda de cristal fotônico e cavidades. O fluxo do processo é otimizado para o equipamento específico disponível em nosso laboratório, e os parâmetros podem ser diferentes se outros reagentes ou equipamento é utilizado.
1. Preparação da Amostra
- Clivagem de amostra - levar o silício sobre isolante wafer (SOI), e use um estilete de diamante para riscar uma linha de aproximadamente 1-2 mm de comprimento a partir da aresta da superfície de silício, assegurando que o zero se estende ao longo da borda da pastilha. Alinhar a zero para uma aresta recta (por exemplo a de uma lâmina de microscópio), e aplica-se mesmo com pressão positiva de ambos os lados do zero: a bolacha clivará ao longo do plano de cristal no local do zero. Repetir este procedimento para definir o chip inteiro.
- Lavagem da amostra - Coloque a amostra no acetona CUIDADO usando uma pinça umnd limpar num banho de ultra-sons durante 1-2 min. Retirar a amostra a partir da acetona; enxaguar qualquer acetona remanescente a partir da amostra utilizando CUIDADO isopropanol (30 seg) (ambos acetona e isopropanol são inflamáveis: utilizar uma boa ventilação e evitar todas as fontes de ignição). Seca-se a amostra utilizando uma pistola de azoto seco e limpo.
- Girar resistir - colocar a amostra sobre o spin coater. Pipeta eletrônica sensível resistir CUIDADO ZEP520A (ZEP520A é inflamável, nocivo por inalação e contato com a pele e olhos deve ser evitado) sobre a amostra - use o suficiente resistir para cobrir completamente a amostra sem a resistir a fluir sobre a borda. Girar a amostra, de modo a dar uma aprox. 350 nm de espessura de filme e cozer numa placa de aquecimento a 180 ° C durante 10 min. Encontramos esta espessura para ser a espessura ideal que equilibra resolução e resistência etch (ver adiante).
2. Definição de padrão
- Design - usando um software apropriado, simular o padrão de cristal fotônico necessária. Um dormenteer de pacotes de software úteis estão disponíveis, incluindo, mas não limitados a: o MIT Bandas fotônicos (MPB), fullwave (RSoft), MIT propagação eletromagnética Equação (MEEP).
- Geração padrão - criar os arquivos de exposição (GDS formato em geral) e de erro proximidade correta utilizando software apropriado 30.
- Exposição padrão - carregar a amostra na câmara do sistema de litografia por feixe de elétrons (LEO 1530 / Raith Elphy) e bombear para baixo. Uma vez que tenha sido alcançada a vácuo, ligar a fonte de EHT e ajustado para 30 kV. Deixar o sistema nesse estado durante 1 hora para permitir que a amostra de fase, e a câmara de atingir uma temperatura de equilíbrio. Definir-se o risco como indicado no manual do usuário de seu sistema específico de litografia por feixe de elétrons. Expor a amostra, utilizando um tamanho de passo básico adequado (por exemplo, 2 nm) (sendo este o tamanho de pixel mínimo que o sistema possa expor), um tempo de repouso de, pelo menos, 1 ms (sendo este o tempo que o sistema espera entre o movimento do feixe e expondoa porção particular do padrão), e uma dose de área de 55 μAcm -2.
- Desenvolvimento amostra - usando Xileno CUIDADO (xileno é tanto trabalho inflamável e altamente tóxico em uma área bem ventilada e longe de fontes de ignição e evitar o contato com a pele e olhos) a uma temperatura de 23 ° C a desenvolver a amostra para 45 seg. Enxágüe em isopropanol.
3. Patten Transferência
- RIE Lavagem Câmara - Definir as taxas de fluxo de argônio e hidrogênio a 200 sccm. Acelerador para baixo da bomba, através de uma válvula borboleta, para alcançar a câmara de pressão de 1 x 10 -1 mbar. Ajustar a potência de RF a 100 W, inflamar o plasma e para executar, pelo menos, 10 min - uma polarização DC de cerca de 700 V devem ser observadas. Depois de desligar a Ar / H 2 plasma, permitir que a câmara da bomba durante cerca de 1 min. Definir a velocidade de fluxo de oxigénio para dentro da câmara a 200 sccm e mais uma vez a pressão na câmara do acelerador para baixo para 1 × 10 -1 mbar. Acenda um plasma segundode oxigênio com uma potência de 100 W e correr por 5 min. Após estes procedimentos, a câmara irá estar isentos de contaminantes, tais como resíduos de polímeros, a partir de qualquer etch anterior seco. Nós realizamos este procedimento antes de cada mudança em receita etch para assegurar o máximo de repetibilidade. Este processo foi optimizado para o nosso sistema, que consiste de uma placa paralela, cátodo carregado, RIE, com uma câmara principal de 12 centímetros de diâmetro por 14 cm de altura, incluindo uma porta de 12 polegadas com uma válvula de estrangulamento e turbo-bomba molecular ligado.
- Etching cristal fotônico - carregar a amostra na câmara principal RIE e bombear o sistema até uma pressão de fundo de <3 x 10 -6 mBar para assegurar a câmara está livre de vapor de água. Comece a etch por pré-condicionamento da câmara com os gases de decapagem (ou seja CHF 3 e SF 6): definir a taxa de fluxo de ambos os gases a 100 sccm (ou seja, uma razão de gás definida de 1:1) e utilizando o regulador de pressão na câmara de trazer pressão de 5 x 10
- Amostra de limpeza para remover o remanescente de electrões sensível resistir - após decapagem a seco, limpar a amostra por lavagem em 1165 CUIDADO removedor (1165 é inflamável e pode provocar irritação nos olhos, nariz e vias respiratórias), com agitação ultra-sons durante 1-2 min, seguido por acetona e isopropanol como descrito acima (passo 1.2).
- Isolamento membrana - spin-coat a amostra com foto sensível UV resistir CUIDADO Microposit S1818 G2 (S1818 G2 é inflamáveis e provoca irritação nos olhos, nariz e trato respiratório) (ver passo 1.3). Usando um APLICÁVELe fotomáscara, definem janelas na resistir acima dos padrões de cristal fotônico usando o alinhador de máscara UV. Exponha a amostra para cerca de 30-45 seg. Desenvolver a resistir em CUIDADO Microposit desenvolvedor MF-319 (MF-319 é um líquido alcalino e pode causar irritação nos olhos, nariz e trato respiratório) por 30-45 segundos, enxaguando depois em água desionizada. Prepara-se uma proveta de plástico com uma mistura de ácido fluorídrico CUIDADO 01:05 (1,1499 g / ml de HF 48-51%) (HF é extremamente corrosivo e facilmente destrói o tecido, quando o tratamento usa equipamento de protecção completo classificado para HF) para desionizada água. Note-se que por razões de segurança apenas copos de plástico e pinças devem ser utilizados com ácido fluorídrico. Submergir a amostra na mistura de ácido fluorídrico, durante 15 min. Após o condicionamento, lavar cuidadosamente a amostra em água desionizada. Remover o fotorresistente utilizando acetona e isopropanol (ver passo 1.2) remanescente - agitação a partir desta fase de ultra-sons e em diante, não podem ser usados. Para assegurar que a amostraé tão limpo quanto possível, a acetona e isopropanol lavagem com um enxágüe em solução CUIDADO Piranha (Piranha solução é muito enérgico, potencialmente explosiva e ataca materiais orgânicos, quando a manipulação usar equipamento pessoal de protecção total) (3:1 CUIDADO ácido sulfúrico (sulfúrico ácido é corrosivo e muito tóxico, quando a manipulação de equipamentos de proteção pessoal e evitar a inalação de vapores ou névoas) para CUIDADO peróxido de hidrogênio (água oxigenada é muito perigoso em caso de contato com a pele e olhos, quando a manipulação uso de equipamentos de proteção individual)) por 5 min , em seguida, lavar a amostra em água desionizada, acetona e isopropanol. Note-se que por razões de segurança béqueres de vidro e apenas uma pinça de metal deve ser utilizado com a solução de Piranha. Como solução Piranha podem explodir em contacto com acetona ou isopropanol, que deve ser manuseado a partir desses reagentes.
- Clivagem faceta - se preparar um cristal fotônico guia de ondas de baixa luz, a exemplo requer clivagem faceta. Cleave a sample seguindo o mesmo procedimento como descrito na etapa 1.1, com excepção de que, como um arranhão pequeno quanto possível, deve ser utilizado. Um chip SOI com ~ 700 mM substrato de espessura pode ser confiavelmente clivada até 4-5 amostras mm de comprimento.
4. Caracterização Waveguide cristal fotônico Slow-luz
- Preparação preliminar do setup - conectar a saída de uma banda larga CUIDADO emissão espontânea amplificada (ASE) fonte de luz (radiação infravermelha invisível: evitar desnecessários altas potências, cobrir caminho do feixe se possível) para um divisor de fibra de 3 dB e usar cada uma das saídas para luz par em dois braços de um espaço livre de Mach-Zehnder interferometeter (MZI), como mostrado na Figura 9. Usar lentes asféricas para colimar a saída de luz das fibras. Em um dos braços do interferómetro, utilizar duas lentes asféricas adicionais para acoplar o feixe de luz para dentro e para fora do chip amostra. Coloque um divisor de feixe de polarização (PBS) no braço de amostra para o ligh TE-polarizet introdução da amostra. Usar lentes asféricas para acoplar os feixes de saída colimada a partir de ambos os braços de volta para uma segunda fibra divisor 3 dB, onde irão recombinar. Conectar uma das saídas para um detector de infravermelhos e utilizar a leitura do detector de maximizar o acoplamento de luz na amostra, ligar a saída para um analisador de espectro óptico (OSA). Os dois ramos da MZI deverá ter aproximadamente o mesmo comprimento óptico quando na presença da amostra: certifique-se de que as fibras dos dois ramos da MZI têm o mesmo comprimento nominal e prevê uma fase de atraso ajustável no braço de referência para permitir para o ajuste fino do seu comprimento. No braço de amostra, montar as lentes asféricas em fases de precisão xyz para obter o melhor acoplamento na amostra.
- Ajustar o comprimento do braço de referência - acoplar o feixe de luz a um guia de ondas de crista em branco (isto é, sem cristal fotônico) (do mesmo tipo que o acesso de guias de onda de luz que se alimentam no interior dos cristais fotônicos) wifluidificar o mesmo chip no braço de amostra. Executar uma varredura contínua no OSA e observar os espectros de onda medido. Se os dois ramos da MZI têm aproximadamente o mesmo comprimento óptico, as franjas de espectros de exposição devido à interferência construtiva e destrutiva; estas franjas não aparecerá se os braços do MZI ter muito diferentes comprimentos ópticos (> ~ cm). O espaçamento franja é inversamente proporcional à diferença no comprimento do percurso óptico entre os dois braços. Mover a fase de atraso de tornar o braço mais curto referência e observar as franjas da OSA: se eles se tornarem mais densa (sparser), o braço de referência é menor (mais) do que o braço de amostra. Definir a fase de atraso para certificar-se de que o braço de referência é menor do que o braço de amostra e os resultados no espaçamento franja de aproximadamente 5 a 10 franjas em uma gama de comprimento de onda de 10 nm (ver Figura 10a). Finalmente, executar esta otimização no dispositivo que fornece o atraso máximo e depois manter o atraso fixo ao longo da mediçãode toda a amostra.
- Calibração de correr - enquanto ainda alinhado na guia de ondas em branco, executar três verificações sobre o OSA: uma verificação para o espectro de interferência e uma verificação para cada um dos dois braços em separado (obtido através do bloqueio do outro braço). Use uma resolução de 0,05-0,1 nm. Registre cada espectro medido.
- Lento de aquisição de dados de luz - executar e gravar três espectros como no passo 4,3 para cada guia de ondas de cristal fotônico no chip.
- A análise de Fourier dos dados - o espectro de interferência (interferograma) I (ω) é expresso matematicamente por:
I (ω) = S (ω) + R (ω) + sqrt [S (ω) R (ω)] {exp [iΦ (ω) - iωτ] + cc}
onde S (ω) e R (ω) são as densidades espectrais medidos separadamente a partir da amostra e os braços de referência, respectivamente. O atraso τ é definido pela posição da fase de atraso no braço de referência. A informação sobre a dispersão do guia de ondas de cristal fotônico está contido na fase deprazo, o que nós temos que extrair a partir dos dados medidos.
Subtraia a não interferir fundo S (ω) + R (ω) a partir do interferograma para isolar apenas o termo interferente. Calcular a transformada de Fourier do termo interferindo: o termo sqrt (SR) exp [i (Φ-ωτ)] e seu conjugado complexo correspondem aos picos centrados em t = τ e t =-τ, respectivamente. Filtrar numericamente um dos dois termos e transformar de novo para o domínio da frequência. Diferenciar a fase Φ (ω) - ωτ dos dados resultantes relativamente à ω obter Δτ g, a diferença no atraso de grupo entre os dois braços. O grupo de índice n g = c / v g, com velocidade v g o grupo, é dada por:
n = g (g Δτ PhC - Δτ g cal) c / L + n cal,
onde Δτ g cal é obtida a partir dos dados de calibração tomadas from o guia de ondas em branco, L é o comprimento do guia de ondas de cristal fotônico e n = 2,7 cal é o índice efectivo do guia de ondas cume referência. O contributo para o atraso de vários elementos ópticos do configuração é tido em conta na perspectiva de calibração, e, por conseguinte, é subtraído neste passo.
- Curva de transmissão - calcular a curva de transmissão através da normalização do espectro da amostra de um guia de ondas de cristal fotônico ao do condutor de ondas em branco.
5. Caracterização Cavidade de cristal fotônico
- Setup - a preparação da configuração (Figura 14) para RS inclui: de comutação do elemento de troca para o divisor de feixe de polarização; inserção de um polarizador no braço de entrada, bem como um analisador no braço de saída; inverter um espelho no braço sonda para permitir a utilização de uma fonte de infravermelho próximo; permitem a iluminação da amostra. Monte da amostra na vertical, com uma orientação de 45 ° em relação ao eixodo polarizador (Figura 18) sobre um diferencial accionado xyz micro-bloquear e ajustar o bloco de micro-, de modo que a amostra está no foco e uma cavidade pode ser visto com a câmara, como na Figura 15 (esquerda). Usando uma emissão espontânea amplificada (ASE) fonte, alinhar o feixe com o centro da cavidade Figura 15 (direita). Virar distância do espelho de iluminação e permitem que o braço de saída para introduzir o espectrómetro (monocromador com detector de arranjo em anexo). Iniciar uma verificação geral com baixa a moderada resolução, a fim de identificar os picos da cavidade. Obter o comprimento de onda da ressonância grosseiro na verificação ASE (figura 16a), com uma precisão de 1 nm. Também é possível obter a verificação amplo com uma fonte de laser sintonizável CUIDADO (TLS) (Figura 16-B) (radiação IR invisível: evitar a desnecessária potências elevadas, cobrir caminho do feixe, se possível). Um tem que ter cuidado para que a resolução está definida para o valor mais alto, a fim deprovar os line-larguras de cada pico.
- Realizar exames de alta resolução sobre os picos identificados - conectar as TLS para o braço de entrada e de atenuar o feixe a um nível mW. Prepare-se para a varredura de alta resolução, permitindo que o braço de saída a ser recolhido pelo fotodetector e criação de uma varredura varredura contínua com uma resolução de 01:00 para uma ampla nm 2 centrada no comprimento de onda de ressonância anteriormente encontrado. A importância deste passo é o de melhorar a relação sinal-ruído (SNR), com o objectivo de obter uma linha de ressonância em forma de Lorentz: alterar a posição do bloco de xyz micro e voltar a executar a verificação até que a SNR é maximizada e a linha-forma é próximo do de uma Lorentziana, como mostrado na secção resultado representativo.
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Discussion
Fabricação Amostra
Nossa escolha de feixe de elétrons resistir (ou seja ZEP 520A) é devido a sua resolução simultaneamente alta e resistência à corrosão. Acreditamos que ZEP 520A pode ser afectada pela luz UV emitida das luzes do laboratório gerais, como tal é recomendável colocar spin-revestidos amostras em recipientes opacos UV enquanto movendo-os a partir de um laboratório para outro.
Passando para a definição do padrão de cristal fotônico, antes de expor a amostra, descobrimos que permitindo que o sistema de litografia de feixe de electrões que se contentar com pelo menos uma hora após a carga reduz desalinhamento erros durante a escrita - isto é devido à fase de amostra e câmara de vácuo não estar à mesma temperatura imediatamente após o carregamento. Como os padrões de cristal fotônico, juntamente com guias de acesso, pode levar várias horas para escrever, um desvio pequeno no estágio relativo à câmara (mesmo em nanômetros apenas por buraco cristal fotônico) resulta em sinalificant costura e, possivelmente, os erros de distorção de padrões com relação a tolerâncias de cristal fotônico. Este erro é de natureza aleatória, a partir de uma exposição para a outra, mas pode ser tão elevada quanto 100 nm / min (erro de posição absoluta), no entanto o erro relativo de posicionamento, ou seja, entre um orifício de cristal fotônico para outro pode ser da ordem dos nanómetros, que pode ainda ser reduzida com o aumento da velocidade à qual o padrão é gravado. Como mencionado estas questões podem ainda ser negado (embora nunca completamente removido), permitindo que o sistema para resolver após o primeiro carregamento da amostra.
O Ar / H 2 plasma etch (usado para remover contaminantes de metal e de silício através de bombardeamento iónico), seguido de O 2 no plasma etch (usado para a remoção do polímero e dos resíduos orgânicos por meio de plasma de incineração) descrito no ponto 3.1 do protocolo de definir um regime de limpeza que foi desenvolvido para controlar a contaminação dentro da câmara de decapagem RIE quando o cr fotónicaystals - esta limpeza é considerada, por nós como sendo um dos mais importantes passos no fabrico de dispositivos de cristal fotônico, a limpeza da câmara de RIE é fundamental para a fabricação de confiança repetível especialmente como no nosso caso, onde o RIE não é utilizado apenas para o condicionamento de silicone. O Ar / H 2 plasma é visto a partir de uma alteração de cor azul-grey (indicando uma câmara contaminada) a uma cor-de-rosa (que indica que a câmara está livre de contaminantes), um plasma de 10 minutos é geralmente suficiente. O 2 O plasma é então realizada por um min adicional 5-10, dependendo da pureza da câmara, no início do processo (isto é, Ar / H 2 cor plasma). Embora o método anterior não ser conclusivo, descobrimos que a cor do plasma prova um indicador útil para a limpeza da câmara. Verificámos também que, ao pré-condicionamento da câmara etch com os gases de silício etch durante 10 min em resultado de um processo mais fiável - acreditamosisso seja devido aos valores de fluxo de gás de corrosão e de estabilização a ser adsorvido nas paredes da câmara durante o período de pré-requisito.
Quando sub-ataque químico na amostra, para criar membranas, utilizando ácido fluorídrico, as guias de ondas de acesso devem ser protegidos. Se o ácido fluorídrico entra em contacto com o guia de ondas de acesso, que penetra através da trincheira agora gravada (ambos os lados da guia de onda) e sub-Etches os guias de ondas de acesso para centenas de micrómetros. Em casos extremos, os guias de onda de acesso podem dobrar e quebrar devido a tensões, tornando um chip completo inútil. Como o ácido fluorídrico é um produto corrosivo isotrópico, o tempo de gravação deve ser controlado para evitar a gravação lateral (perpendicular ao guia de ondas de cristal fotônico) a partir da membrana causando a dobrar devido à libertação da tensão intrínseca para a camada de silício. Em casos extremos, o excesso de sub-etch também pode fazer com que a membrana a entrar em colapso.
Finalmente, a criação de limpafacetas para o acoplamento de espaço livre da luz em guias de onda de cristal fotônico é extremamente desafiador. Se riscado / clivada cuidadosamente, silício será, essencialmente, seguir um plano de cristal formando uma faceta bom (em nossa experiência, técnicas como o polimento faceta não são obrigatórios). Uma faceta ruim pode causar grandes perdas de acoplamento em cada faceta. Recomendamos aperfeiçoando uma técnica de clivagem antes de tentar trabalhar com amostras importantes. É igualmente imperativo que uma vez que um bom clivar foi alcançado as facetas não são danificados: a amostra só deve ser levantado com as duas bordas paralelas às guias de onda (ou seja, não pelos lados de extremidade da faceta do chip). Comprimentos de amostra para 2-3 mm pode ser alcançado de forma confiável com manual de clivagem de um chip SOI ~ 700 mm de espessura. Para amostras mais pequenas, sugerimos desbaste do substrato ou a utilização de uma técnica de clivagem diferente.
Embora o protocolo apresentado neste trabalho é otimizado para SOI, o princípio geral por trás da fabricamétodos de instalação também são válidos para a fabricação de dispositivos semicondutores em outros, é claro ao mudar de silício cuidadosa consideração de etch-ferramenta, a etch-químicas e materiais máscara precisa ser feita.
O protocolo de fabricação deste trabalho é otimizado para dispositivos destinados a um comprimento de onda de centro operacional de 1.550 nm, no entanto, os dispositivos também foram preparados para a Midir regime (2,7-3,5 mm), utilizando protocolos de fabricação com base no que os apresentados neste trabalho.
Retardar medições de luz de índice do grupo
A importância do índice de grupo como o parâmetro chave para medir a luz lenta origina a partir do diagrama de dispersão ou ω banda estrutura (k), tipicamente utilizada para descrever a dispersão de um guia de ondas de cristal fotônico. 34 A inclinação local da curva de dispersão ∂ ω / ∂ k corresponde ao grupo de velocidade v g, ou seja, a velocidade na qual o electromagnetic energia viaja através do guia de ondas, que pode ser equivalentemente descrito pelo índice do grupo n g = c / v g. Valores de cerca de 5 ng correspondem ao regime de luz rápida, ao passo que valores mais elevados são tipicamente consideradas como caindo dentro do regime de luz lentos.
Ao construir o lento luz MZI configuração, é importante ter a certeza de que todas as fibras dos dois braços do interferómetro estão firmemente ligada à mesa óptica, como qualquer movimento ou vibração irão alterar os comprimentos de caminho que comprometem a qualidade da aquisição interferograma . Pela mesma razão, a verificação do interferograma deve ser realizada rapidamente, ou flutuações da fase irá resultar em oscilações indesejadas dos dados de índice do grupo. Os dois ramos da MZI também pode ser realizado inteiramente em espaço livre, para evitar por completo as fibras, como na Referência 26: a MZI espaço livre será mais estável, mas também mais difícil alinhar.
Dependendo daConjunto resolução e a força das franjas de Fabry-Perot, a determinação do índice de grupo é afectada por uma grande incerteza quando as franjas convergir com muito rigor. Preparando o palco atraso inicialmente dar 4-10 fringes/10 nm, conforme detalhado no passo 4.2 do protocolo, funciona bem para guias de onda de cristal fotônico de comprimentos 30-100 mM com índices relativamente altos de grupo, até n g> 100 para engenharia lentas guias de onda de luz 35 (ver Figura 12). Por bordo da banda de luz lentos, os índices de grupos máximos mensuráveis tendem a ser mais baixas para o mesmo comprimento, devido às perdas mais elevadas de propagação.
Com um espaçamento de franja de ~ 4 nm fringes/10 somos capazes de medir os índices de fiabilidade do grupo até cerca de 100 em 300 mm, também guias de onda longa modificadas (Figura 13). Para guias de onda mais longos, as franjas se tornam muito densa muito rapidamente, e a resolução do OSA irá limitar o índice do grupo no máximo mensurável. Nota, no entanto, que fora resolução fixa e espaçamento franja, o índice do grupo no máximo mensurável não cresce linearmente com o comprimento de guia de ondas, e pode também ser influenciado pela dispersão perda de propagação. Para um guia de onda muito longa, sugerimos a inclusão ao lado um guia de onda curta com design idêntico especificamente para medição do índice de grupo.
Em resumo, nós descrevemos um método simples e poderoso para a determinação experimental das propriedades de dispersão de luz lentos guias de cristal fotônico. A nossa técnica baseia-se na combinação de interferometria domínio da frequência 23 com transformada de Fourier de análise 36 e permite uma ligação directa, de um único tiro mapeamento, contínuo da curva de índice do grupo, sem a necessidade de verificações de atraso, 23-24 de ajuste não linear de dados 22 , 25 ou à determinação da posição dos extremos franja. 20-21,25 Ao utilizar uma fonte de luz de banda larga, que é capaz de extrair a informação a partir da amostra ao longo de um grande wavele ngth gama, e de uma forma muito estável e repetível. Podemos medir os índices de grupo de mais de 100 para guias de ondas curtas e moderadamente longo (até 200-250 mm), que são valores muito superiores aos necessários para a aplicação útil de guias de ondas lentas de luz para melhorar o desempenho de ambos linear e não linear dispositivos.
Espalhamento ressonante
Photonic cristal luz confine cavidades no plano de duas dimensões, em contraste com os guias de ondas de cristal fotônico, onde a luz é guiada numa dimensão. Isto permite o armazenamento de luz dentro de ultra-pequenos volumes, que é descrita por um decaimento de energia, isto é, análogos a que de um ressonador eletrônico. Em sistemas fotônicos, esta deterioração é associado com o tempo de vida de fotões da cavidade e é de forma exponencial, daí resultando um LineShape Lorentziana do pico. A razão entre o comprimento de onda central para o pico de largura total máxima Meia-Q representa o factor-a.
jove_content "> Uma característica importante da técnica de RS é a propriedade de manutenção da polarização da configuração e, especialmente, que o objectivo de NA elevado. Aqui reside o problema com a compatibilidade com uma NA elevada (elevada eficiência de recolha), mantendo a polarização, porque altos objetivos NA tendem a misturar polarizações. Esta miscigenação polarização é responsável por pequenos picos e SNR baixo.Quando o off-ressonância, luz polarizada x chega à cavidade (Figura 18a), que se volta espalhados através do objectivo e filtrados pelo divisor de feixe / analisador (y polarizado), de modo que apenas um baixo nível é visto em o detector. No caso de intermistura de polarização, parte da luz polarizada x é convertido para a polarização oposta e pode passar no analisador, assim, aumentando o fundo. Se, em seguida, os casais em ressonância de luz para a cavidade, a polarização gira para o modo da cavidade fundamental (seta vermelha na Figura 18b) e cria uma componente y-polarização. Esta luz é dirigida para a saída do braço e passa o analisador. Mais uma vez, a luz polarizada y pode converter para a polarização oposta, reduzindo assim o nível do sinal. Por conseguinte, um objectivo deve ser escolhida de modo que a polarização intermixing é mantido a um mínimo.
Por ultra-altos Q-factor cavidades, tal como uma cavidade de hetero-estrutura, a potência emitida é menor. Esta situação pode reduzir ainda mais o SNR e o pico desaparece no nível de ruído. Um bloqueio em configuração deve ser então usado para reduzir o nível de ruído, e não o nível de fundo, a fim de recuperar o pico.
Note-se que a configuração (Figura 14) é concebido para multi-funcional de caracterização da cavidade, e, além de fotoluminescência RS inclui micro-e a geração de segunda e terceira frequências harmónicas.
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Disclosures
Não há conflitos de interesse declarados.
Acknowledgments
Os autores agradecem o Dr. Matteo Galli, Dr. Simone L. Portalupi e Prof Lucio C. Andreani da Universidade de Pavia para discussões úteis relacionadas à técnica RS e da execução das medidas.
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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