Summary
El uso de guías de ondas de luz de cristal fotónico lentos y cavidades ha sido ampliamente adoptado por la comunidad fotónica en muchas aplicaciones diferentes. Por lo tanto la fabricación y caracterización de estos dispositivos son de gran interés. En este trabajo se describe nuestra técnica de fabricación y dos métodos de caracterización óptica, a saber: la dispersión interferométrica (guías de onda) y resonancia (cavidades).
Abstract
Slow luz ha sido uno de los temas candentes en la comunidad fotónica en la última década, generando un gran interés tanto desde el punto de vista fundamental y por su considerable potencial para aplicaciones prácticas. Slow guías de ondas de luz de cristal fotónico, en particular, han jugado un papel importante y se han empleado con éxito para retrasar las señales ópticas 1-4 y 8-11 la mejora de ambos dispositivos lineales y no lineales 5.7.
Cavidades de cristal fotónico lograr efectos similares a los de guías de ondas de luz lenta, pero en un menor ancho de banda. Estas cavidades ofrecen un alto ratio de Q-factor/volume, para la realización de óptica 12 y 13 eléctricamente bombeado láser ultra-bajos de umbral y la mejora de los efectos no lineales. 14-16 Además, los filtros pasivos 17 y moduladores 18-19 se ha demostrado, exhibiendo ultra-estrecho ancho de línea de alta free-espectral range y registrar los valores de consumo de energía baja.
Para lograr estos resultados emocionantes, un protocolo robusto fabricación repetitiva debe ser desarrollado. En este artículo, echamos un vistazo en profundidad a nuestro protocolo de fabricación que utiliza la litografía por haz de electrones para la definición de los patrones de cristal fotónico y utiliza técnicas de grabado húmedo y seco. Nuestros resultados optimizados receta de fabricación de cristales fotónicos que no sufren de asimetría vertical y exhiben muy buena borde de pared rugosidad. Se discuten los resultados de la variación de los parámetros de grabado y los efectos perjudiciales que pueden tener en un dispositivo, que conduce a una ruta de diagnóstico que se pueden tomar para identificar y eliminar problemas similares.
La clave para la evaluación de guías de ondas lentas de luz es la caracterización pasiva de transmisión y los espectros de índice de grupo. Varios métodos han sido reportados, lo más notablemente la resolución de las franjas de Fabry-Perot del espectro de transmisión de un 20-21técnicas de interferometría. 22-25 d A continuación, describimos una técnica directa, la medición de banda ancha combinando la interferometría espectral con el análisis de Fourier transform. 26 Nuestro método destaca por su sencillez y potencia, como se puede caracterizar un cristal fotónico desnudo con guías de ondas de acceso, sin necesidad para los componentes de interferencia en el chip, y la configuración de la única consiste en un interferómetro de Mach-Zehnder, sin necesidad de partes móviles y escáneres de retardo.
En la caracterización de las cavidades de cristal fotónico, las técnicas que implican fuentes internas 21 o guías de onda externos acoplados directamente a la cavidad 27 impacto en el rendimiento de la propia cavidad, distorsionando así la medición. Aquí se describe una técnica novedosa y no intrusivo que hace uso de un haz de sonda de polarización cruzada y se conoce como dispersión resonante (RS), donde la sonda se acopla fuera del plano en la cavidad a través de un objetivo. La técnica fue la primera demostracióndo por McCutcheon et al. 28 y desarrollado por Galli et al 29.
Protocol
Descargo de responsabilidad: La siguiente protocolo proporciona un flujo de proceso general que abarca las técnicas de fabricación y caracterización de guías de onda cristalina fotónica y cavidades. El flujo de proceso está optimizado para el equipo específico disponible en nuestro laboratorio, y los parámetros pueden ser diferentes si otros reactivos o equipo se utiliza.
1. Preparación de la muestra
- La escisión de la muestra - la toma de silicio sobre aislante (SOI) de la oblea y utilice una punta trazadora de diamante para rayar una línea de aproximadamente 1-2 mm de largo desde el borde de la superficie de silicio, asegurando que el cero se extiende sobre el borde de la oblea. Alinear el cero a un borde recto (por ejemplo, la de un portaobjetos de microscopio) y aplicar una presión positiva a ambos lados del cero: la oblea se adherirá a lo largo del plano de cristal en la posición cero. Repita este procedimiento para definir todo el chip.
- Servicio de limpieza de la muestra - Colocar la muestra en la acetona PRECAUCIÓN con unas pinzas unnd limpiar en un baño de ultrasonidos durante 1-2 min. Retire la muestra de la acetona, enjuague toda la acetona restante de la muestra usando PRECAUCIÓN isopropanol (30 seg) (ambos acetona e isopropanol son inflamables: utilizar una buena ventilación y evitar toda fuente de ignición). Se seca la muestra usando una pistola de nitrógeno seco limpio.
- Haga girar resistir - colocar la muestra en el spin-revestidor. Pipeta electrónica sensible resistir PRECAUCIÓN ZEP520A (ZEP520A es inflamable, nocivo por inhalación y por contacto con la piel y ojos debe ser evitado) sobre la muestra - use suficiente resisten a cubrir por completo la muestra sin la capa protectora que fluye sobre el borde. Girar la muestra a fin de dar un aprox. 350 nm de espesor de película y hornear en una placa caliente a 180 ° C durante 10 min. Nos pareció que este espesor que el espesor óptimo que equilibra la resolución y la resistencia a la corrosión (ver más adelante).
2. Patrón Definición
- Diseño - usando el software apropiado, simular el patrón requerido de cristal fotónico. A entumecidoer de paquetes de software útiles están disponibles, incluyendo pero no limitado a: MIT banda fotónica (MPB), de onda completa (RSoft), MIT propagación electromagnética Ecuación (MEEP).
- Generación del patrón - crear los archivos de formato de exposición (GDS en general) y el error proximidad correcta utilizando el software apropiado 30.
- La exposición Patrón - cargar la muestra en la cámara del sistema de litografía por haz de electrones (LEO 1530 / Elphy Raith) y bombear hacia abajo. Una vez vacío, se ha logrado conectar la tensión EHT y se puso a 30 kV. Deje el sistema en este estado durante 1 hora para permitir que la muestra, y la cámara de etapa para alcanzar una temperatura de equilibrio. Puesta en marcha de la exposición, como se indica en el manual de usuario de su sistema de litografía por haz de electrones específico. Exponer la muestra usando un tamaño adecuado paso básico (por ejemplo, 2 nm) (siendo este el tamaño de píxel mínimo que el sistema puede exponer), un tiempo de establecimiento de al menos 1 ms (siendo este el tiempo que el sistema espera entre el movimiento de la viga y exponiendola porción particular de la figura), y una dosis por área de 55 μAcm -2.
- Desarrollo de la muestra - con Xileno PRECAUCIÓN (xileno es tanto el trabajo inflamable y altamente tóxico en un área bien ventilada, lejos de fuentes de ignición y evite el contacto con la piel y los ojos) a una temperatura de 23 ° C desarrollan la muestra durante 45 segundos. Enjuague con isopropanol.
3. Transferencia de Patten
- RIE limpieza de Cámara - Establecer las tasas de flujo de argón e hidrógeno a 200 sccm. Del acelerador hacia abajo de la bomba, a través de una válvula de mariposa, para alcanzar la presión de cámara de 1 × 10 -1 mbar. Establecer la potencia de RF a 100 W, encender el plasma y duración de al menos 10 min - una polarización de corriente continua de aproximadamente 700 V debe ser observada. Después de desconectar el Ar / H 2 plasma, permitir que la cámara de la bomba durante aproximadamente 1 min. Ajuste el caudal de oxígeno en la cámara a 200 sccm y de nuevo estrangular la presión de la cámara a 1 × 10 -1 mBar. Ignite un plasma segundosde oxígeno con una potencia de 100 W y una duración de 5 min. Después de estos procedimientos, la cámara será libre de contaminantes, tales como residuos de polímeros, de cualquier ataque químico seco anterior. Llevamos a cabo este procedimiento antes de cada cambio en la receta de grabado para garantizar la máxima repetibilidad. Este procedimiento se optimiza para nuestro sistema que consiste en una placa paralela, el cátodo cargado, RIE; con una cámara principal 12 pulgadas de diámetro por 14 pulgadas de altura, incluyendo un puerto 12 pulgadas con tanto la válvula de estrangulamiento y turbo-molecular bomba adjunta.
- Grabado de cristal fotónico - cargar la muestra en la cámara principal RIE y bombear el sistema hasta una presión de fondo de <3 × 10 -6 mbar para asegurar la cámara está libre de vapor de agua. Comience la etch por pre-acondicionamiento de la cámara con los gases de grabado (es decir, CHF 3 y SF 6): ajustar la velocidad de flujo de ambos gases a 100 sccm (es decir, establecer una relación de gas de 1:1) y utilizando el acelerador llevar la cámara la presión a 5 × 10
- Muestra de limpieza para retirar los restos de electrones sensible resistir - después de ataque químico en seco, limpiar la muestra por enjuague en 1165 PRECAUCIÓN Remover (1165 es inflamable y puede causar irritación en los ojos, nariz y tracto respiratorio) con agitación ultrasónica durante 1-2 min, seguido de acetona e isopropanol como se describe anteriormente (paso 1,2).
- El aislamiento de membrana - spin-coat la muestra por la foto sensible UV resistir PRECAUCIÓN Microposit S1818 G2 (G2 S1818 es a la vez inflamable y causa irritación en los ojos, las vías respiratorias y la nariz) (véase el paso 1.3). El uso de un CRÉDITOSe fotomáscara, definir ventanas en la capa protectora por encima de los patrones de cristal fotónico utilizando el alineador de máscara UV. Exponer la muestra durante aproximadamente 30-45 segundos. Desarrollar el resistir PRECAUCIÓN Microposit desarrollador MF-319 (MF-319 es un líquido alcalino y puede causar irritación en los ojos, las vías respiratorias y la nariz) durante 30-45 segundos, enjuague después en agua desionizada. Preparar un vaso de precipitados de plástico con una mezcla de ácido PRECAUCIÓN 01:05 fluorhídrico (1,1499 g / ml 48-51% HF) (HF es extremadamente corrosivo y fácilmente destruye el tejido, cuando se utilice el manejo completo de equipo de protección personal para clasificar HF) a desionizada agua. Tenga en cuenta que por razones de seguridad sólo vasos de plástico y pinzas deben usarse con ácido fluorhídrico. Sumergir la muestra en la mezcla de ácido fluorhídrico durante 15 min. Después del grabado, enjuague completamente la muestra en agua desionizada. Eliminar el restante fotoresistente usando acetona e isopropanol (ver paso 1,2) - a partir de esta etapa y en adelante agitación ultrasónica no puede ser utilizado. Para asegurar que la muestraes tan limpio como sea posible, seguir la acetona y el lavado de isopropanol con un enjuague con solución PRECAUCIÓN Piranha (solución Piranha es muy enérgico, lo que potencialmente explosivo y ataca a los materiales orgánicos, cuando se utilice el manejo completo equipo de protección personal) (3:1 PRECAUCIÓN ácido sulfúrico (sulfúrico ácido es corrosivo y muy tóxico, cuando el manejo usar equipo de protección personal y evitar la inhalación de vapores o nieblas) Advertir a peróxido de hidrógeno (agua oxigenada es muy peligroso en caso de contacto con la piel y los ojos, cuando el manejo usar equipo de protección personal)) durante 5 minutos , luego enjuagar la muestra en agua desionizada, acetona e isopropanol. Tenga en cuenta que por razones de seguridad sólo vasos de precipitados de vidrio y pinzas metálicas se debe utilizar con la solución Piranha. Como solución Piranha puede explotar en contacto con acetona o isopropanol, que debe ser manejado lejos de estos reactivos.
- La escisión Facet - si la preparación de un cristal fotónico lenta luz de guía de ondas, la muestra requiere escisión faceta. Cleave la sample siguiendo el mismo procedimiento descrito en el paso 1,1, excepto que como un rasguño pequeño como sea posible se debe utilizar. Un chip con sustrato SOI ~ 700 micras de espesor puede ser fiable escinde a las muestras 4-5 mm de largo.
4. Photonic Crystal lenta luz de guía de ondas Caracterización
- Preparación preliminar de la instalación - conecte la salida de una banda ancha de emisión espontánea amplificada PRECAUCIÓN (ASE) fuente de luz (invisible radiación IR: evitar innecesarios altos poderes, cubra trayectoria del haz si es posible) para un divisor de 3 dB de fibra y usar cada una de las salidas a Pareja luz en los dos brazos de un espacio libre de Mach-Zehnder interferometeter (MZI), como se muestra en la Figura 9. Utilizar lentes asféricas para colimar la salida de luz de las fibras. En uno de los brazos del interferómetro, utilizar dos lentes asféricas adicionales para acoplar el haz de luz dentro y fuera de la viruta de la muestra. Coloque un divisor de haz de polarización (PBS) en el brazo de la muestra con TE-polarizar el light introducir la muestra. Utilizar lentes asféricas para acoplar los rayos de salida colimados de ambos brazos de nuevo en un segundo divisor de 3 dB de fibra, donde se recombinan. Conectar una de las salidas de un detector de infrarrojos y el uso de la lectura del detector para maximizar el acoplamiento de luz en la muestra; conectar la otra salida a un analizador de espectro óptico (OSA). Las dos ramas de la MZI debería tener aproximadamente la misma longitud óptica cuando está en presencia de la muestra: asegurarse de que las fibras en las dos ramas de la MZI tienen la misma longitud nominal e incluyen una etapa de retardo ajustable en el brazo de referencia para permitir para el ajuste fino de su longitud. En el brazo de muestra, montar las lentes asféricas en fases de precisión xyz para obtener el mejor acoplamiento en la muestra.
- Ajuste el largo brazo de referencia - par el haz de luz a una guía de onda cresta en blanco (es decir, sin cristal fotónico) (del mismo tipo que el acceso a guías de onda que la luz de alimentación en el interior de los cristales fotónicos) wiadelgazar el mismo chip en el brazo de muestra. Ejecutar un análisis continuo de la OSA y observar los espectros de longitud de onda medida. Si los dos brazos de la MZI tienen aproximadamente la misma longitud óptica, las franjas exhiben espectros debido a la interferencia constructiva y destructiva; estas franjas no aparecerá si los brazos del MZI tienen longitudes ópticas muy diferentes (> ~ cm). La separación de franjas es inversamente proporcional a la diferencia de longitud de camino óptico entre los dos brazos. Mueva la etapa de retardo para que el brazo de referencia más cortos y observar las franjas de la OSA: si llegan a ser más densa (menos densa), el brazo de referencia es menor (mayor) que el brazo de la muestra. Establecer la etapa de retardo para asegurarse de que el brazo de referencia es más corto que el brazo de muestra y los resultados en un espaciamiento franja de unos 5 a 10 franjas en un rango de longitud de onda de 10 nm (véase la Figura 10a). Por último, realizar esta optimización en el dispositivo que proporciona el retardo máximo y luego mantener el retardo fijo durante toda la mediciónde toda la muestra.
- Calibración funcionar - al mismo tiempo alineados en la guía de ondas en blanco, ejecute tres exploraciones en la OSA: una exploración para el espectro de interferencia y una exploración para cada uno de los dos brazos por separado (obtenido por bloqueo del otro brazo). Utilice una resolución de 0.05-0.1 nm. Registre cada espectro medido.
- Adquisición de datos lenta luz - ejecutar y registrar tres espectros como en el paso 4,3 para cada guía de cristal fotónico en el chip.
- El análisis de Fourier de datos - el espectro de interferencia (interferograma) I (ω) se expresa matemáticamente por:
I (ω) = S (ω) + R (ω) + sqrt [S (ω) R (ω)] {exp [iΦ (ω) - iωτ] + cc},
donde S (ω) y R (ω) son las densidades espectrales medidos por separado de la muestra y los brazos de referencia, respectivamente. El retardo τ es fijada por la posición de la etapa de retardo en el brazo de referencia. La información sobre la dispersión de la guía de cristal fotónico está contenido en la faseplazo, lo que debemos extraer de los datos medidos.
Reste la no interferencia de fondo S (ω) + R (ω) del interferograma para aislar sólo el término de interferencia. Cálculo de la transformada de Fourier del término interferente: el término sqrt (SR) exp [i (Φ-ωτ)] y su complejo conjugado corresponden a los picos centrados en t = τ y t =-τ, respectivamente. Filtrar numéricamente uno de los dos términos y transformar de nuevo al dominio de la frecuencia. Diferenciar la fase Φ (ω) - ωτ de los datos resultantes con respecto a ω para obtener Δτ g, la diferencia en el retardo de grupo entre los dos brazos. El grupo de índices n g = c / v g, con g v la velocidad de grupo, está dada por:
n = g (g Δτ PhC - Δτ g cal) c / L + n cal,
donde Δτ g cal se obtiene de los datos de calibración tomadas from la guía de ondas en blanco, L es la longitud de la guía de ondas de cristal fotónico y n cal = 2,7 es el índice efectivo de la guía de ondas de cresta de referencia. La contribución a la demora de los diversos elementos ópticos de la configuración se tiene en cuenta en la fase de calibración, y por lo tanto se resta en este paso.
- Curva de transmisión - el cálculo de la curva de transmisión mediante la normalización del espectro de la muestra de una guía de cristal fotónico a la de la guía de ondas en blanco.
5. Cristal fotónico Caracterización Cavidad
- Configuración - la preparación de la configuración (Figura 14) para RS incluye: conmutación del elemento intercambiable para el divisor de haz polarizante; insertando un polarizador en el brazo de entrada, así como un analizador en el brazo de salida; voltear un espejo en el brazo de la sonda para permitir el uso de una fuente de infrarrojo cercano; permitir la iluminación de la muestra. Montar la muestra en posición vertical con una orientación de 45 ° al ejedel polarizador (Figura 18) en un diferencial accionado xyz micro-bloquear y ajustar el bloque de micro-de modo que la muestra está en el foco y una cavidad se puede ver con la cámara, como en la Figura 15 (izquierda). Uso de una emisión espontánea amplificada (ASE) fuente, alinear el haz con el centro de la cavidad de la figura 15 (derecha). Voltear de distancia del espejo de iluminación y permiten que el brazo de salida para entrar en el espectrómetro (monocromador con detector de matriz adjunta). Ejecutar un análisis amplio con una resolución baja a moderada con el fin de identificar los picos de la cavidad. Obtener la longitud de onda aproximada de la resonancia en la exploración ASE (Figura 16a) con una precisión de 1 nm. También es posible adquirir la exploración amplia con una fuente láser sintonizable PRECAUCIÓN (TLS) (Figura 16b) (invisible radiación IR: evitar innecesarias altas potencias, cubrir trayectoria del haz, si es posible). Uno tiene que tener cuidado de que la resolución se ajusta al valor más alto con el fin deprobar los anchos de línea de cada pico.
- Realizar exploraciones de alta resolución sobre los picos identificados - conectar los TLS con el brazo de entrada y atenuar el haz a un nivel mW. Preparación para el escaneo de alta resolución, permitiendo el brazo de salida para ser recogidos por el fotodetector y la creación de una exploración de barrido continuo con una resolución de 1 pm para una amplia nm 2 centrado en la longitud de onda de resonancia encontrado previamente. La importancia de este paso es el de mejorar la relación señal-ruido (SNR) con el objetivo de obtener una línea de Lorentzian forma de resonancia: cambiar la posición xyz del bloque de micro-y volver a ejecutar la exploración hasta que la SNR se maximiza y la línea de la forma es similar a la de un Lorentzian, como se muestra en la sección resultado representativo.
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Discussion
Ejemplo de fabricación
Nuestra elección de haz de electrones resistir (es decir ZEP 520A) se debe a su alta resolución simultáneamente y resistencia a la corrosión. Creemos que 520A ZEP puede verse afectada por la luz UV emitida por las luces de laboratorio generales; como tal se recomienda colocar recubiertos spin-muestras en recipientes opacos UV mientras que se muevan de un laboratorio a otro.
Pasando a definir el patrón de cristal fotónico, antes de exponer la muestra se ha encontrado que permitiendo que el sistema de litografía por haz de electrones que conformarse con al menos una hora después de la carga reduce la alineación errónea errores durante la escritura - esto es debido a la fase de muestra y no cámara de vacío siendo a la misma temperatura inmediatamente después de la carga. Como patrones de cristal fotónico, junto con guías de ondas de acceso, puede tardar varias horas para escribir, una desviación pequeña en la etapa respecto a la cámara (incluso en nanómetros sólo por hoyo cristal fotónico) resulta en signoificant costura y posiblemente errores de modelo de distorsión con respecto a las tolerancias de cristal fotónico. Este error es de naturaleza aleatoria, a partir de una exposición a otra, pero puede ser tan alta como 100 nm / min (error de posición absoluta), sin embargo error de posición relativa, es decir, entre un agujero de cristal fotónico a otro puede ser del orden de nanómetros, que puede reducirse aún más mediante el aumento de la velocidad a la que se escribe el patrón. Como se ha mencionado estos problemas pueden ser aún más negada (aunque nunca totalmente eliminado) al permitir que el sistema se asiente después de la primera carga de la muestra.
La Ar / H 2 etch plasma (utilizado para eliminar los contaminantes de metal y silicio a través de bombardeo de iones) seguido de O 2 etch plasma (utilizado para la eliminación de polímero y residuo orgánico a través de la incineración de plasma) se describe en la sección 3,1 del protocolo de definir un régimen de limpieza que fue desarrollado para el control de la contaminación dentro de la cámara RIE grabado cuando la fotónica crystals - esta limpieza se considera, por nosotros para ser uno de los pasos más importantes en la fabricación de dispositivos de cristal fotónico, la limpieza de la cámara de RIE es primordial para la fabricación repetible especialmente fiable como en nuestro caso en el que la RIE no se utiliza únicamente para la grabado de silicio. La Ar / H 2 plasma se ve a cambiar de un color azul-gris (lo que indica una cámara contaminada) a un color rosa (lo que indica que la cámara está libre de contaminantes); un plasma 10 min es normalmente suficiente. El O 2 plasma se lleva a cabo durante un min más 5-10 dependiendo de la limpieza de la cámara al inicio del proceso (es decir, Ar / H 2 Color de plasma). Aunque el método anterior no se ha demostrado concluyentemente encontramos que el color del plasma resulta ser un indicador útil para la limpieza de la cámara. También hemos encontrado que mediante el acondicionamiento previo de la cámara de grabado con los gases de silicio grabado por 10 min en los resultados de un proceso más confiable - creemosesto es debido a las tasas de flujo de gas de grabación estabilización y se adsorbe en las paredes de la cámara durante el período pre-condición.
Cuando por ataque químico de la muestra, para crear membranas, utilizando ácido fluorhídrico, las guías de ondas de acceso debe ser protegido. Si el ácido fluorhídrico entra en contacto con la guía de ondas de acceso, que penetra a través de la zanja ahora grabado al agua fuerte (de cualquier lado de la guía de ondas) y menores de graba al agua fuerte las guías de ondas de acceso de cientos de micrómetros. En casos extremos, las guías de ondas de acceso pueden doblarse y romperse debido a las tensiones, lo que hace un chip completo inútil. Como ácido fluorhídrico es un reactivo de ataque isotrópico, el tiempo de grabado debe ser controlada para prevenir el empañamiento lateral (perpendicular a la guía de cristal fotónico) de causar la membrana se doble debido a la liberación de la tensión intrínseca de la capa de silicio. En casos extremos, el excesivo debajo de grabado también puede provocar que la membrana se colapse.
Por último, la creación de limpiafacetas para el acoplamiento en el espacio libre de la luz en guías de onda de cristal fotónico es extremadamente difícil. Si rayado / escinde cuidadosamente, silicio esencialmente seguirá un plano cristalino formando una faceta bien (en nuestra experiencia, las técnicas tales como el pulido facetas no son obligatorios). Una faceta malo puede causar grandes pérdidas de acoplamiento en cada faceta. Se recomienda perfeccionar una técnica de escisión antes de intentar trabajar con muestras importantes. Es igualmente imperativo que una vez que una buena escindir se ha logrado las facetas no están dañadas: la muestra sólo deben ser levantadas utilizando los dos bordes paralelos a las guías de ondas (es decir, no por los lados del extremo de faceta de la viruta). Longitudes de muestra a 2-3 mm puede ser fiable logrado con manual de escisión de un chip de ~ 700 m de espesor SOI. Para muestras más pequeñas, se sugiere adelgazamiento del sustrato o utilizar una técnica de escisión diferente.
Aunque el protocolo descrito en este documento está optimizado para SOI, el principio general detrás de la fabricalos métodos de producción son también válidas para la fabricación de dispositivos semiconductores en otros, por supuesto, cuando se cambia de la consideración cuidadosa de silicio etch-herramienta, etch-químicos y materiales de máscara tendría que hacerse.
El protocolo de fabricación de este papel está optimizado para dispositivos dirigidos a una longitud de onda de funcionamiento central de 1.550 nm, sin embargo, los dispositivos también se han preparado para la Midir (2.7 a 3.5 m) Régimen de uso de protocolos de fabricación sobre la base de las que se presentan en este documento.
Reduzca la velocidad de luz mediciones del índice de grupo
La importancia del índice de grupo como el parámetro clave para medir la luz lento origina en el diagrama de dispersión o ω banda estructura (k) utiliza típicamente para describir la dispersión de una guía de cristal fotónico. 34 La pendiente local de la curva de dispersión ∂ ω / ∂ k corresponde a la velocidad de grupo G V, es decir, la velocidad a la que el electromagnetic energía viaja a través de la guía de ondas, que se puede equivalentemente descrito por el grupo de índices n g = c / v g. Los valores de alrededor de 5 ng corresponden al régimen de luz rápido, mientras que los valores más altos se suelen considerarse incluidas en el régimen de luz lenta.
Cuando la construcción de la luz lenta configuración MZI, es importante asegurarse de que todas las fibras de los dos brazos del interferómetro están atadas de forma segura a la mesa óptica, ya que cualquier movimiento o vibración cambia las longitudes de trayectoria comprometen la calidad de la adquisición interferograma . Por la misma razón, el análisis de la interferograma se debe realizar rápidamente, o las fluctuaciones de la fase dará lugar a oscilaciones no deseadas de los datos de índice de grupo. Las dos ramas de la MZI también se puede realizar totalmente en el espacio libre para evitar por completo las fibras, que en la Referencia 26: un MZI espacio libre será más estable, pero también más difíciles de alinear.
Dependiendo de laconjunto de resolución y la fuerza de las franjas de Fabry-Perot, la determinación del índice de grupo se ve afectado por una gran incertidumbre cuando los márgenes convergen muy fuertemente. Preparando el escenario demora para dar inicialmente 4-10 fringes/10 nm, según se detalla en el paso 4.2 del protocolo, que funciona bien para guías de ondas de cristal fotónico de longitud 30-100 micras con índices relativamente altos de grupo, hasta n g> 100 para ingeniería lentos guías de ondas de luz 35 (véase la Figura 12). Para la luz límite de banda lento, los índices máximos medibles grupo tienden a ser más bajos por el mismo período, debido a las pérdidas de propagación superiores.
Con un espaciamiento franja de ~ 4 fringes/10 nm somos capaces de medir con precisión los índices de grupo de hasta casi 100 también en 300 m guías de onda larga modificados (Figura 13). Para largas guías de onda, las franjas se vuelven muy denso muy rápidamente, y la resolución de la OSA limitará el índice máximo grupo medible. Nótese, sin embargo, que fora resolución fija y el espaciamiento franja, el índice máximo medible grupo no se escala linealmente con la longitud de guía de ondas, y también puede estar influenciada por la dispersión de propagación pérdida. Para una guía de onda muy larga, se sugiere incluir a su lado una guía de onda corta con idéntico diseño específicamente para la medición de índice de grupo.
En resumen, hemos descrito un método sencillo y eficaz para la determinación experimental de las propiedades de dispersión de guías de ondas lentas de luz de cristal fotónico. Nuestra técnica se basa en la combinación de la interferometría de dominio de frecuencia 23 con transformada de Fourier análisis 36 y permite una directa, de un solo disparo, de asignación continua de la curva de índice de grupo, sin necesidad de exploraciones de retardo, 23-24 ajuste no lineal de datos 22 , 25 o determinación de la posición de extrema franja. 20-21,25 Mediante el uso de una fuente de luz de banda ancha, somos capaces de extraer información de la muestra sobre una gran wavele rango ngth, y de una manera muy estable y repetible. Se puede medir índices de grupo de más de 100 para guías de ondas cortas y largas moderadamente (hasta 200-250 micras), que son valores mucho más altos que los que se necesitan para la aplicación útil de las guías de ondas lentas de luz para mejorar el rendimiento de ambos lineal y no lineal dispositivos.
Dispersión resonante
Cristal fotónico luz confinar cavidades en el plano en dos dimensiones, en contraste con las guías de ondas de cristal fotónico, donde la luz es guiada en una dimensión. Esto permite el almacenamiento de la luz dentro de ultra pequeños volúmenes, que se describe por un decaimiento de la energía, es decir, análogos a la de un resonador electrónico. En los sistemas fotónicos, este deterioro está asociado con el tiempo de vida del fotón de la cavidad y es de forma exponencial, lo que resulta en una forma lineal de Lorentzian del pico. La relación de la longitud de onda central de pico a la de ancho completo la mitad del máximo representa el factor Q.
jove_content "> Una característica importante de la técnica de RS es la característica de polarización de mantenimiento de la instalación y en especial de la alta objetivo NA. Aquí se encuentra el problema de la compatibilidad de tener un alto NA (alta eficiencia de recolección) mientras se mantiene la polarización, porque altos objetivos NA tienden a mezclar polarizaciones. Este mestizaje polarización es responsable de picos pequeños y de baja SNR.Cuando la fuera de resonancia, la luz polarizada en x llega a la cavidad (Figura 18a), se dispersa de nuevo a través del objetivo y se filtró a cabo por el divisor de haz / analizador (y-polarizada), de modo que sólo un bajo nivel se ve en el detector. En el caso de entremezclado polarización, parte de la luz polarizada en x se convierte en la polarización opuesta y puede pasar el analizador aumentando así el fondo. Si entonces en resonancia pareja de luz a la cavidad, la polarización gira para el modo fundamental cavidad (flecha roja en Figura 18b) y se crea un componente y-polarización. Esta luz se dirige hacia el brazo de salida y pasa el analizador. Una vez más, la luz polarizada y-puede convertir a la polarización opuesta reduciendo así el nivel de la señal. Por lo tanto, un objetivo debe ser elegido de modo que entremezcla polarización se mantiene a un mínimo.
Para ultra-alto factor Q-cavidades, tales como una cavidad de hetero-estructura, la potencia emitida es menor. Esta situación puede reducir aún más el SNR y el pico se desvanece en el nivel de ruido. Un bloqueo en la configuración entonces se debe utilizar para reducir el nivel de ruido no, el nivel de fondo, con el fin de recuperar el pico.
Tenga en cuenta que nuestra configuración (Figura 14) está diseñado para la caracterización de la cavidad multi-funcional, y además de RS incluye micro-fotoluminiscencia y la generación de frecuencias armónicas segundo y tercero.
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Disclosures
No hay conflictos de interés declarado.
Acknowledgments
Los autores agradecen Dr Matteo Galli, el Dr. Simone L. Portalupi y el Prof. Lucio C. Andreani, de la Universidad de Pavia útil para los debates relacionados con la técnica de RS y la ejecución de las 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
- 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).
