Summary
Fotonik kristal yavaş ışığın dalga kılavuzları ve boşlukların kullanımı yaygın olarak pek çok farklı uygulamada fotonik topluluğu tarafından kabul edilmiştir. Bu cihazların Bu nedenle imalat ve karakterizasyonu büyük bir öneme sahiptir. Interferometrik (dalga kılavuzları) ve rezonans saçılması (kaviteler): Bu kağıt, yani bizim üretim tekniği ve iki optik karakterizasyon yöntemleri, özetliyor.
Abstract
Yavaş ışık görüş temel bir noktadan ve pratik uygulamalara yönelik önemli bir potansiyel için hem büyük ilgi üreten, son on yılda fotonik toplumda sıcak konulardan biri olmuştur. Yavaş ışık fotonik kristal dalga kılavuzu, özellikle, önemli bir rol oynamış ve başarılı optik sinyaller 1-4 geciktirmek için istihdam edilmiş ve hem lineer 5-7 ve doğrusal olmayan cihazların geliştirme. 8-11
Fotonik kristal boşlukları yavaş ışığın dalga kılavuzları ile benzer etkiler elde, ama bant genişliği azaltılmış üzerinde. Bu boşluklar optik 12 gerçekleştirilmesi için, yüksek Q-factor/volume oranı sunan ve elektrikle 13 ultra düşük eşik lazerler ve doğrusal olmayan etkiler geliştirme pompalanır. 14-16 Ayrıca, pasif filtreler 17 ve modülatörler 18-19 ortaya konmuştur, ultra-ince bir çizgi genişliği, yüksek serbest spektral r sergileyendüşük enerji tüketimi ange ve kayıt değerleri.
Bu heyecan verici sonuçlar elde etmek için, sağlam bir tekrarlanabilir üretim protokolü geliştirildi gerekir. Bu yazıda fotonik kristal desenler tanımı için elektron demeti litografi istihdam ve ıslak ve kuru aşındırma teknikleri kullanır bizim imalat protokolü de derinlemesine bir göz atın. Dikey muzdarip yok fotonik kristaller Bizim optimize üretim tarifi sonuçlar asimetri ve çok iyi kenar duvar pürüzlülüğü sergilerler. Biz benzer sorunları belirlemek ve ortadan kaldırmak için alınabilecek bir tanı rota yol aşındırma parametreleri ve bir aygıt üzerinde sahip olabileceği olumsuz etkileri değişen sonuçlarını tartışmak.
Yavaş ışık dalga kılavuzları değerlendirmek için anahtar iletim ve grup indeksi spektrumlarının pasif karakterizasyonu. Çeşitli yöntemler, özellikle en fazla bir transmisyon spektrum 20-21 Fabry-Perot saçaklar çözme rapor edilmiştir,d interferometrik teknikleri. Burada 22-25, biz Fourier analizi ile spektral interferometri birleştiren doğrudan, geniş bant ölçüm tekniği tarif. biz erişim dalgakılavuzları bir çıplak fotonik kristal karakterize gibi 26 Bizim metodumuz, sadeliği ve gücü için sıyrılıyor, gerek kalmadan çip üzerinde parazit bileşenleri ve kurulum için tek parça ve gecikme taramaları taşımak için ihtiyaç duymadan, bir Mach-Zehnder interferometre oluşur.
Zaman karekteristik fotonik kristal boşlukları, doğrudan boşluğu kendi performansı üzerinde kavite 27 etkisi birleştiğinde iç kaynaklardan 21 veya harici dalgakılavuzları içeren teknikleri, böylece çarpık ölçümü. Burada, bir çapraz polarize prob demetinin kullanılmasını sağlar ve prob düzlem dışı bir amacı ile boşluğuna birleştiğinde rezonans saçılması (RS) olarak bilinen bir romanı ve non-müdahaleci tekniği tarif. Tekniği ilk gösteriler yapıldıted McCutcheon ve ark. 28 tarafından ve ayrıca Galli ve ark. 29
Protocol
Yasal Uyarı: Aşağıdaki protokol fotonik kristal dalga kılavuzları ve kaviteler için üretim ve karakterizasyon teknikleri kapsayan genel bir süreç akışı sağlar. Süreç akış laboratuarda bulunan özel ekipman için optimize edilir, ve diğer reaktifler veya donanım kullanıldığında, parametreler değişebilir.
1. Örnek Hazırlanması
- Örnek yarma - silikon üzerinde yalıtkan (SOI) gofret almak ve silikon yüzeyin kenarından yaklaşık 1-2 mm uzunluğunda bir çizgi sıfırdan bir elmas çizici kullanın, sıfırdan gofret kenarından dışarı taşar sağlanması. Düz kenarına sıfırdan hizalayın (örneğin bir mikroskop lamı o) ve sıfırdan her iki hatta pozitif basınç uygulayın: sıfırdan yerde kristal düzlemi boyunca gofret olacak bölmek. Tüm yonga tanımlamak için bu işlemi tekrarlayın.
- Örnek Temizleme - DİKKAT aseton içine yerleştirin örnek cımbız bir usingnd 1-2 dakika boyunca ultrasonik banyoda temizleyin. Asetondan örnek çıkarın; DİKKAT izopropanol (30 sn) (aseton ve izopropanol hem yanıcı şunlardır: iyi havalandırma kullanın ve tüm ateşleme kaynaklarından kaçının) kullanarak örnek kalan aseton durulayın. Temiz ve kuru bir azot tabancası kullanarak örnek kurulayın.
- Karşı Spin - Spin-lak üzerine örnek yerleştirin. Hassas Pipet elektron numune üzerine DİKKAT ZEP520A (ZEP520A yanıcı, cilt ve göz ile inhalasyon ve temas yoluyla zararlı kaçınılmalıdır) karşı - kenar üzerinde akan direnme olmadan numuneyi tamamen kapsayacak karşı yeterince kullanamaz. Bir yak vermek amacıyla örnek Spin. 10 dakika boyunca 180 ° C'de bir hotplate üzerinde 350 nm kalınlığında film ve fırında. Biz (daha sonra bakın) çözünürlük ve aşındırma direnci dengeler optimum kalınlığı olması bu kalınlık bulundu.
2. Desen Tanımı
- Tasarım - uygun bir yazılım kullanarak, gerekli fotonik kristal deseni taklit. Bir uyuşmuşkullanışlı yazılım paketleri er dahil mevcuttur ancak bunlarla sınırlı değildir:, Fotonik Aralığı (MPB) MIT Tam dalga (RSoft), MIT Elektromanyetik Denklem Yayılımı (MEEP).
- Desen Nesil - uygun bir yazılım kullanarak pozlama dosyaları (genel gds formatında) ve yakınlık hata doğru oluşturmak 30.
- Pattern Pozlama - elektron demeti litografi sistemi (LEO 1530 / Raith Elphy) ve odasına örnek yüklemek ve aşağı pompalayınız. Bir kere vakum elde edilmiştir, EHT beslemesini açın ve 30 kV ayarlanır. Örnek, sahne ve oda bir denge sıcaklığına ulaşmasını sağlamak için 1 saat boyunca bu devlet sistemini bırakın. Belirli elektron demeti litografi sisteminin kullanım kılavuzunda belirtildiği gibi maruz Set-up. Uygun bir temel adım boyutu (örneğin 2 nm) (Bu sistemin maruz olabileceği minimum piksel boyutu olan), en az 1 ms yerleşme zamanı (kullanarak örnek Açığa Bu sistemin ışın hareketli ve teşhir arasında bekleyeceği zamanı olmakdesenin belirli bir bölümü) ve 55 μAcm -2 bir alan doz.
- Örnek Geliştirme - 23 sıcaklıkta DİKKAT Ksilen (Ksilen Tutuşturucu kaynaklardan iyi havalandırılan bir alanda yanıcı ve son derece toksik iş hem cilt ve gözlerle temasından kaçının) kullanarak ° C 45 sn için örnek geliştirmek. Izopropanol içinde durulayın.
3. Patten Transferi
- RIE Odası Temizleme - akış argon oranları ve 200 sccm hidrojen ayarlayın. 1 oda basıncı × 10 -1 mBar elde etmek için, bir kelebek valfi ile, pompa aşağı Kelebek. RF güç 100 W olarak ayarlayın, plazma tutuşturmak ve en az 10 dakika çalıştırın - yaklaşık 700 V uyulmalıdır bir DC bias. Ar / H 2 plazma kapatıldıktan sonra, odasında yaklaşık 1 dakika boyunca pompalamak için izin verir. 200 sccm için odasına oksijen akış hızı ayarlayın ve tekrar 1 × 10 -1 mBar için oda basıncı kısmak. Ikinci bir plazma Ignite100 W bir enerji ile oksijen ve 5 dakika boyunca çalışır. Bu girişimlerden sonra, odasının herhangi bir önceki kuru etch gelen, örneğin polimer artıkları gibi kirleticiler, ücretsiz olacak. Biz maksimum tekrarlanabilirlik sağlamak için etch tarifi her değişiklikten önce bu yordamı gerçekleştirin. Bu prosedür bir paralel plakalı, katot yüklenen, RIE oluşan sistemimiz için optimize edilmiştir; kısıtlama vanası ve bağlı turbo moleküler pompa hem bir 12 inç noktası dahil yüksekliği 14 inç tarafından çapında bir ana odası 12 inç.
- Fotonik Kristal Dağlama - RIE ana odasına örnek yüklemek ve aşağı × 10 -6 mBar odasına su buharı sağlamak için ücretsiz <3 bir arka plan basınç pompası sistemi. Ön şartlandırma ile aşındırma gazlar (yani CHF 3 ve SF 6) ile odanın etch başlayın: 100 sccm (yani 1:1 gaz oranını ayarlamak) her iki gazların akış hızını ayarlamak ve gaz kullanarak odasına getirmek 5 × 10 basınç
- Kalan kaldırmak Temizleme örnek elektron duyarlı direnç - kuru dağlama sonra, aseton, ardından 1-2 dakika süreyle ultrasonik karıştırma DİKKAT 1165 Remover (1165 yanıcı ve gözlerde tahrişe neden olabilir, burun ve solunum yollarında) durulayarak örnek temizleyin ve izopropanol gibi (adım 1.2) yukarıda açıklanan.
- Membran İzolasyon - spin-kat UV duyarlı fotoğrafı ile örnek DİKKAT Microposit S1818 G2 (S1818 G2, burun ve solunum yollarında yanıcı hem de ve gözlerde tahrişe neden olur) (adım 1.3) karşı. Bir appropriat kullanmae Fotoşablonlarda, UV maske hizalama kullanarak fotonik kristal desenler yukarıda direnmeye içinde pencereleri tanımlayabilecek. Yaklaşık 30-45 sn örnek Açığa. Develop 30-45 sn Microposit Geliştirici MF-319 (MF-319, bir alkalin sıvı ve gözlerde tahrişe, burun ve solunum yollarında tahrişe yol olabilir), de-iyonize su daha sonra durulama DİKKAT direnirler. De-iyonize DİKKAT 01:05 Hidroflorik asit (1,1499 g / ml 48-51% HF) (taşıma HF puan tam kişisel koruyucu ekipman kullanımı sırasında HF son derece korozif ve kolayca doku yok) bir karışımı ile bir plastik beher hazırlayın su. Güvenlik nedenlerinden dolayı sadece plastik bardak ve cımbız Hidroflorik asit ile kullanılması gerektiğini unutmayın. 15 dakika için Hidroflorik asit karışımı içinde daldırın örnek. Aşındırma sonra, de-iyonize su ile iyice örnek yıkayın. Bu aşamadan itibaren ve sonrasında ultrasonik ajitasyon kullanılamaz - Kalan aseton ve izopropanol (adım 1.2) kullanarak fotoresist çıkarın. Örnek sağlamak içinmümkün olduğu kadar temiz olduğu, bir DİKKAT Piranha çözüm (Piranha çözüm patlayıcı, çok enerjik ve işleme tam kişisel koruyucu ekipman kullanın, organik maddeler saldırır) (3:1 DİKKAT sülfürik asit (sülfürik durulama ile aseton ve izopropanol yıkama izleyin elleçleme kişisel koruyucu ekipman kullanımı ve buhar veya buğu solunması zaman asit 5 dakika (hidrojen peroksit kullanımı kişisel koruyucu ekipman kullanımı cilt ve göz ile teması halinde,) çok tehlikelidir) hidrojen peroksit DİKKAT için), aşındırıcı ve çok toksiktir , daha sonra deiyonize su, aseton ve izopropanol içinde örnek durulama. Güvenlik nedeniyle sadece cam beher ve metal cımbız Piranha çözeltisi ile kullanılması gerektiğini not edin. Piranha çözelti aseton veya izopropanol ile temas patlayabilir gibi, bu reaktifler uzağa ele alınmalıdır.
- Façeta yarma - bir fotonik kristal yavaş ışık dalga kılavuzu hazırlanması halinde, numune yüzü yarma gerektirir. Cleave saAdım 1.1 'de tarif edildiği gibi mümkün olduğu kadar küçük bir çizik haricinde aynı prosedür izlenerek mple kullanılmalıdır. ~ 700 mikron kalınlığında substrat ile bir SOI çip güvenilir 4-5 mm uzunluğunda numuneler aşağı parçalanabilen.
4. Fotonik Kristal Yavaş ışık Waveguide Karakterizasyonu
- 3 dB fiber splitter ve çıkışların her kullanın: - kurulum ön hazırlığı spontane emisyon (ASE) ışık kaynağı (ışın yolu mümkünse kapağı, gereksiz yüksek güçler önlemek görünmez kızılötesi radyasyon) güçlendirilmiş bir DİKKAT genişbant çıkışını Şekil 9'da gösterilen bir serbest alan Mach-Zehnder interferometeter (MZI), iki kolu içine birkaç ışık. Elyaflardan ışık çıkışı paralelleştirmek asferik lensler kullanın. Interferometrenin silah birinde, çift ve örnek çip dışarı ışık demeti için iki ek asferik lens kullanabilirsiniz. TE-Polarize aydınlatabiliriz için örnek kolunda bir polarizasyon ışın ayırıcı (PBS) yerleştirint örnek girerken. Onlar tekrar birleşecek ikinci bir 3 dB fiber splitter, geri her iki koldan çift paralelleştirilmiş çıkış kirişler asferik lensler kullanın. Kızılötesi dedektör çıkışlarından birine bağlayın ve numune içine ışık kavrama maksimize etmek dedektörün okuma kullanmak; optik spektrum analizör (OSA) diğer çıkış bağlayın. MZI iki kolu içinde, lifler, aynı nominal uzunluğu ve izin verecek şekilde kol referans olarak ayarlanabilir bir gecikme aşaması bulunduğundan emin olun: Örnek varlığında zaman MZI iki kolu yaklaşık olarak aynı uzunlukta olması gerekir optik uzunluğu ince ayarı için. Örnek kolda, numune içine iyi kavrama elde etmek xyz hassas aşamalarında üzerine asferik lensleri.
- Referans kol uzunluğu ayarlayın - çift ışın boş (fotonik kristal olmaksızın) sırt dalga wi (aynı türden erişim bu fotonik kristaller içindeki besleme ışığı dalga kılavuzları gibi)Örnek kolunda aynı çip inceltmek. OSA üzerine sürekli bir tarama çalıştırın ve ölçülen dalgaboyu spektrumu görüyoruz. MZI kolları çok farklı optik uzunlukları (> ~ cm) varsa bu saçaklar görünmez;. MZI iki kolu yaklaşık aynı optik uzunlukta, yapıcı ve yıkıcı girişim nedeniyle spektrumları sergi saçaklar varsa Saçak aralığı iki kol arasındaki optik yol uzunluğu farkı ile ters orantılıdır. Referans kol kısa yapmak ve OSA saçaklar gözlemlemek için gecikme sahne taşıyın: onlar daha yoğun (sparser) olursam, referans koldaki örneklem koluna nazaran (artık) daha kısadır. Referans bir kol 10 nm dalga boyu aralığı içinde yaklaşık 5 ila 10 saçaklar (Şekil 10a bakınız) saçak aralık içinde örnek kol ve sonuçlar daha kısa olduğundan emin olmak için gecikme aşaması ayarlayın. Son olarak, en büyük gecikme sağlayan cihaz bu optimizasyonu ve sonra ölçüm boyunca sabit tutmak gecikmetüm örneklemin.
- Kalibrasyon çalıştırmak - hala boş dalga üzerine hizalanmış ise, OSA üzerine üç taramaları çalıştırın: girişim spektrumu ve ayrı iki kolun her (diğer kolu bloke ederek elde edilen) bir tarama için bir tarama. 0.05-0.1 nm çözünürlük kullanın. Her ölçülen spektrum kaydedin.
- Yavaş ışık veri toplama - çalıştırın ve çip üzerindeki her fotonik kristal dalga kılavuzu için adım 4.3 olarak üç spektrumları kaydedebilirsiniz.
- Fourier veri analizi - girişim spektrumu (interferogram) I (ω) matematiksel ifade edilir:
I (ω) = S (ω) + R (ω) + sqrt [S (ω) R (ω)] {exp [iΦ (ω) - iωτ] + cc},
nerede S (ω) ve R (ω) sırasıyla örnek ve referans silah ayrı ölçülen spektral yoğunluğu vardır. Bu gecikme, τ referans kol gecikme aşaması pozisyon ile ayarlanır. Fotonik kristal dalga kılavuzu dispersiyonu bilgi aşama içerdiğiBiz ölçülen veri ayıklamak gerekir terim.
Çıkart dışı müdahale sadece müdahale vadeli yalıtmak için interferogram arka plan S (ω) + R (ω). Terimi sqrt (SR) exp [i (Φ-ωτ)] ve karmaşık eşlenik t merkezli doruklarına karşılık = τ ve t =-τ sırasıyla:. Fourier müdahale süresinin dönüşümü hesaplayın Sayısal iki terimlerden biridir filtreleme ve frekans geri dönüşümü. Ωτ Δτ g, iki kolu arasındaki grup gecikmesi de fark elde etmek için ω ile ilgili olarak elde edilen verilerin - faz Φ (ω) ayırt edebilecektir. Grup indeksi n g v g = c / v g, grup hızı, ile verilir:
n g = (Δτ g PhC - Δτ g cal) c / L + n cal,
Δτ g cal fr alınan kalibrasyon verilerini elde neredeom boş dalga, L fotonik kristal dalga boyu ve n cal = 2.7 Referans sırtın dalga etkili endeksidir. Kurulum çeşitli optik elementlerden gecikme katkısı kalibrasyon vadede dikkate alınır ve bu nedenle bu adımda çıkarılır.
- İletim eğrisi - boş dalga bu bir fotonik kristal dalga kılavuzu örnek spektrumu normalleştirerek iletim eğriyi hesaplayabilir.
5. Fotonik Kristal Boşluk Karakterizasyonu
- Ayar - RS için setup (Şekil 14) hazırlanması içerir: polarizasyon ışın ayırıcı ile değiştirilebilir elemanının anahtarlama; giriş kolunda bir polarize ekleme hem de çıkış kol içinde bir analizör; sonda kol içine bir ayna çevirmek bir yakın kızılötesi kaynak kullanımına izin vermek; numune aydınlatma sağlar. Eksenine 45 ° yönlendirme ile dikey örnek montexyz örnek odaklanma olduğunu ve bir boşluk olarak Şekil 15 (solda), kamera ile görülebilir, böylece mikro engellemek ve mikro-blok ayarlamak tahrikli diferansiyel üzerindeki polarize (Şekil 18). Güçlendirilmiş bir spontan emisyon (ASE) kaynağı, kullanma boşluğu Şekil 15 (sağda) merkezi ile ışını hizalamak. Aydınlatma ayna uzaklıkta ters çevirin ve çıkış kolu spektrometre (ekli array dedektörü ile monokromatör) girmek için izin verir. Kavite zirveleri belirlemek için çözünürlük orta düşük olan geniş bir tarama başlatın. 1 nm doğrulukla ASE tarama (Şekil 16a) içinde rezonans iri dalga edinin. Bu DİKKAT ayarlanabilir lazer kaynağı (TLS) (Şekil 16b) (: Gereksiz yüksek güçler kaçınmak, ışın yolu mümkünse kapağı görünmez kızılötesi radyasyon) ile geniş bir tarama elde etmek de mümkündür. Bir çözüm için en yüksek değere ayarlanmış olduğundan dikkatli olmak zorundadırHer tepe çizgi genişlikleri tadabilirsiniz.
- Belirlenen tepe üzerinde yüksek çözünürlüklü taramalar gerçekleştirin - giriş koluna TLS bağlanmak ve mW seviyeye ışını zayıflatabilir. Çıkış kolu fotodetektör tarafından toplanan izin veren ve daha önceden bulunmuş rezonans dalga merkezlenmiş 2 nm aralığında 1 pm çözünürlüğe sahip sürekli bir tarama tarama kurarak yüksek çözünürlüklü tarama için hazırlayın. SNR maksimize kadar mikro-blok xyz konumunu değiştirmek ve yeniden çalıştırın tarama: Bu adımın önemini bir Lorentz çizgi şekli rezonans elde etmek amacı ile sinyal-gürültü oranı (SNR) iyileştirmektir temsilci sonuç bölümünde gösterilen ve hat-şekli, bir Lorentzian bu bulunur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Örnek fabrikasyon
Elektron ışını (yani ZEP 520A) karşı Bizim seçimi onun aynı zamanda yüksek çözünürlük ve aşındırma direnci nedeniyle. Biz ZEP 520A havai laboratuar ışıkları yayılan UV ışığı tarafından etkilenebilir inanıyorum; gibi biz bir laboratuar diğerine taşırken UV opak kaplarda spin kaplama örnekleri yerleştirmenizi öneririz.
Bu örnek sahne nedeniyle ve vakum odasında değil - fotonik kristal desenini tanımlayan üzerine taşıma, örnek açığa önce biz yükleme yazma sırasında yanlış hizalama hatalarını azaltır sonra elektron demeti litografi sistemi en az bir saat için yerleşmek için izin bulduk hemen yüklemeden sonra aynı sıcaklıkta olması. (Hatta fotonik kristal delik başına sadece nanometre), işareti sonuç odasına göreli aşamasında küçük bir sürüklenme yazmak için fotonik kristal desenler gibi, erişim dalga kılavuzları ile birlikte, birkaç saat sürebilirfotonik kristal toleransları bakımından ificant dikiş ve muhtemelen desen bozulma hataları. Bu hata, bir poz diğerine, doğada rastgele ama 100 nm / dak (mutlak pozisyon hatası) gibi yüksek olabilir, ancak göreli konumsal hata, bir fotonik kristal deliği arasındaki diğerine yani nanometre mertebesinde olabilir ki bu da daha şablon, hızını artırmak suretiyle azaltılabilir. Gibi sistem ilk örnek yükledikten sonra yerleşmek için izin vererek bu sorunları daha (tamamen kaldırılır asla rağmen) yadsınabilir bahsetti.
Protokol bölüm 3.1 'de anlatıldığı etch O 2 plazma (plazma yakma yoluyla polimer çıkarılması ve organik kalıntı için kullanılan), ardından etch Ar / H 2 plazma (iyon bombardımanı ile metal ve silikon kirleri çıkarmak için kullanılan) bir temizleme rejimi tanımlamak fotonik cr aşındırma zaman RIE odasının içindeki kirlenme kontrolü için geliştirilmiş olanystals - RIE yalnızca kullanılmaz nerede bu temizleme RIE odasının temizliği, fotonik kristal cihazların üretiminde en önemli adımlardan biri olarak bize, kabul edilir, özellikle bizim durumumuzda tekrarlanabilir güvenilir üretim için çok önemlidir silikon dağlama. Ar / H 2 plazma pembe renk mavi-gri renk (bir kirli haznesi gösteren) (odasının maddelerden arındırılmış olduğunu gösterir) değiştirmek görülmektedir; 10 dk plazma normalde yeterlidir. O 2 plazma sonra sürecinin başında (örneğin, Ar / H 2 plazma renk) halinde odanın temizlik bağlı olarak bir başka 5-10 dakika için gerçekleştirilmektedir. Önceki yöntem kesin kanıtlanmış olmasına rağmen biz plazma renk odasına temizlik için yararlı bir gösterge kanıtlıyor bulabilirsiniz. Biz inanıyoruz - Biz de ön şartlandırma ile daha güvenilir bir süreçte 10 dk sonuçları için silikon etch gazlar ile etch odasının buldukBu gravür gaz akış oranlarını stabilize edilmesi ve ön koşul süre boyunca odası duvarlarına içine adsorbe edilmiş olması nedeniyle olması.
Hidroflorik asit kullanılarak, membranlar oluşturmak için, örnek altında gravür, erişim dalga kılavuzları korunmalıdır. Hidroflorik asit erişim dalga ile temas ederse, o artık kazınmış açmada (dalga her iki tarafında) ve altında etches mikrometre yüzlerce erişim dalga kılavuzları aracılığıyla nüfuz. Aşırı durumlarda erişim dalga kılavuzları bend ve stresleri nedeniyle kırmak, tam bir çip yararsız render olabilir. Hidroflorik asit, izotropik asitlenmesi olduğu gibi, gravür zaman silikon katman içsel stres çıkışına bağlı eğmek için zar neden olmasını yanal gravür (dik fotonik kristal dalga kılavuzu ile) önlemek için kontrol edilmesi gerekmektedir. Aşırı durumlarda, aşırı altında etch da zar çökmesine neden olabilir.
Son olarak, temiz oluşturulmasıfotonik kristal dalga kılavuzları içine ışık serbest alan kuplaj yönleriyle son derece zordur. Çizik / dikkatle parçalanabilen varsa, silikon aslında iyi bir faset (bizim deneyim gibi faset parlatma gibi teknikler gerekli değildir) oluşturan bir kristal uçağı takip edecek. Kötü bir faset Her faset büyük kaplin kayıplara neden olabilir. Biz önemli örnekleri ile çalışmaya başlamadan önce bir yarma tekniği mükemmelleştirmek öneririz. O zamanlar iyi bir çatlatma yönleri zarar görmediğinden elde edildiğini eşit zorunludur: yalnızca örnek dalga kılavuzları (çip sonuna faset iki tarafın yani değil) paralel iki kenar kullanılarak kaldırılmalıdır. 2-3 mm örnek uzunlukları aşağı güvenilir manuel bir ~ 700 mikron kalınlığında SOI çip yarma ile elde edilebilir. Küçük örnekler için, substrat incelme önermek veya farklı bir yarma tekniği kullanın.
Bu yazıda belirtilen protokol SOI, fabrica arkasındaki genel prensibi için optimize edilmiş olsa dation yöntemleri etch-aracı, etch-kimyaları ve maske malzemelerin silikon dikkatli geçerken elbette, diğer yarı iletken içine cihazların imalatı için de geçerlidir yapılması gerekir.
Bu kağıt imalat protokolü 1.550 nm bir işletim merkez dalgaboyu hedef cihazlar için optimize edilmiştir, ancak cihazlar da midir (2,7-3,5 mikron) rejimi bu yazıda sunulan olanları dayalı üretim protokolleri kullanılarak hazırlanmıştır.
Hafif grup indeksi ölçümleri Yavaş
Yavaş ışığı ölçmek için anahtar parametre olarak grup dizin önemi genellikle bir fotonik kristal dalga kılavuzu dispersiyonu tanımlamak için kullanılan dispersiyon diyagram veya bant yapısı ω (k) kaynaklanmaktadır. 34 dispersiyon eğrisinin yerel yamaç ∂ ω / ∂ k grup hızı v g karşılık gelen, at, elektromanyetik olarak hız, yanic enerjinin eşdeğer grup dizin n g = c / v g tarif edilebilir dalga kılavuzu, üzerinden geçecek. Yüksek değerler genellikle yavaş ışık rejimi içinde kaldığı düşünülmektedir oysa yaklaşık 5 ng değerleri, hızlı ışık rejimine karşılık gelir.
Herhangi bir hareket veya titreşim interferogram edinimi kalitesinden ödün yolu uzunlukları değişecektir yavaş ışık MZI kurulumu oluştururken, bu interferometresi iki kolu tüm lifler sıkıca optik tabloya bağlı olduğundan emin olmak için önemlidir . Aynı nedenle, interferogram bir tarama hızlı yapılmalıdır, ya da faz dalgalanmaları grup verinin indeks istenmeyen titreşimler neden olur. MZI iki kolu da Referans 26 daki gibi, tamamen lifler önlemek için boş alan içinde tamamen fark edilebilir: bir serbest boşluk MZI daha kararlı, aynı zamanda hizalamak için daha zor olacaktır.
Bağlı olarak,saçaklar çok sıkı birleştiği zaman çözünürlük seti ve Fabry-Perot saçaklar gücü, grup dizin belirlenmesi büyük belirsizlik tarafından etkilenir. Gecikme aşamada başlangıçta protokol adım 4.2 'de detaylı olarak 4-10 fringes/10 nm, vermek Ayarlama n g kadar, nispeten yüksek grup endeksleri ile uzunlukları 30-100 mikron fotonik kristal dalga kılavuzları için iyi tasarlanmış> 100 çalışıyor yavaş ışık dalga kılavuzları 35 (bkz. Şekil 12). Bant kenar yavaş hafif için, maksimum ölçülebilir grup indisleri daha yüksek bir yayılma kayıpları nedeniyle, aynı uzunluğa sahip için daha düşük olma eğilimindedir.
~ 4 fringes/10 nm bir saçak aralığı ile biz güvenilir bir 300 mikron uzunluğunda tasarlanmış dalga kılavuzları (Şekil 13) de yaklaşık 100 grup endeksleri kadar ölçebilirsiniz. Uzun dalga kılavuzları için, saçaklar çok hızlı bir şekilde çok yoğun hale gelir ve OSA çözünürlüğü maksimum ölçülebilir grup dizin sınırlayacaktır. Bununla birlikte, bu fora sabit çözünürlük ve saçak aralığı, maksimum ölçülebilir grup dizin dalga uzunluğu ile lineer ölçeklendirme değil, hem de yayılma kaybı dispersiyonu etkilenebilir. Çok uzun bir dalga için, biz grup indeksi ölçümü için özel olarak aynı tasarıma sahip bir kısa dalga yanındaki eklemek öneririz.
Özetle, biz yavaş ışığın fotonik kristal dalga kılavuzları dağılım özelliklerinin deneysel tayini için basit ve güçlü bir yöntem tarif var. Bizim teknik Fourier analizi 36 frekans interferometri 23 birleşimine dayalı ve gecikme taramalar için gerek kalmadan grup dizin eğrisinin doğrudan, tek çekim, sürekli haritalama, veri 22 23-24 nonlineer montaj için izin verir , 25 veya saçak ekstramumların konumunun belirlenmesi. 20-21,25 bir geniş bant ışık kaynağı kullanarak, biz büyük bir wavele içinde örnek bilgi elde edebiliyoruz ngth aralığı ve çok kararlı ve tekrarlanabilir bir şekilde işlemden geçirildi. Biz performansını artırmak için yavaş ışığın dalga kılavuzlarının kullanışlı bir uygulama için gerekli çok daha yüksek değerler kısa ve orta uzun zamandan beri hem dalga kılavuzları (en fazla 200-250 mikron), 100 aşan grup endeksleri ölçebilir doğrusal ve doğrusal olmayan cihazlar.
Rezonans saçılması
Fotonik kristal boşlukları confine ışığında iki boyutlu düzlem, hafif bir boyutta yönlendirilir fotonik kristal dalga kılavuzu, aksine. Bu elektronik rezonatör bu yani analog bir enerji çürüme tarafından açıklanan ultra-küçük hacimleri, içinde ışık depolama sağlar. Dolayısıyla tepe bir Lorentzian lineshape ile sonuçlanan, fotonik sistemlerde, bu çürüme boşluğunun foton ömrü ile ilişkilidir ve üstel biçimde olabilir. Tam Genişlik Yarım Maximum pik merkez dalgaboyu oranı Q-faktörü oluşturuyor.
jove_content "> RS tekniğinin önemli bir özelliği kurulum polarizasyon koruyarak özelliği ve özellikle yüksek NA amacı bu. İşte, çünkü kutuplaşma korurken yüksek NA (yüksek toplama verimi) sahip uyumluluk sorunu yatıyor Yüksek NA hedefleri kutuplaşmalar karıştırmak için eğilimindedir. Bu kutuplaşma karışma küçük tepeler ve düşük SNR sorumludur.Off-rezonans, x-polarize ışık boşluğu (Şekil 18a) geldiğinde, onu geri objektif dağılmış ve sadece düşük bir düzeyde görülmektedir böylece demeti splitter / analizörü (y-polarize) tarafından filtre edilir dedektörü. Polarizasyon karışma halinde, x-polarize ışığın bazı ters polarizasyon dönüştürülür ve arka plan artan böylece analizör geçebilir. Boşluğuna ardından-rezonans ışık çiftler halinde, kutuplaşma Fi temel kavite modu (kırmızı ok için dönerŞayet 18b) ve bir y-polarizasyon bileşeni oluşturur. Bu ışık çıkışı koluna yönettiği ve analizörü geçer. Yine, y-polarize ışık böylece sinyal seviyesi azaltarak ters polarizasyon dönüştürebilirsiniz. Bu nedenle, bir hedef polarizasyon karışması bir asgaride tutacak şekilde seçilir gerekmektedir.
Böyle bir hetero-yapı kavite gibi ultra-yüksek-Q faktörü boşlukları için, yayılan gücü düşüktür. Bu durum daha SNR azaltabilir ve pik gürültü seviyesi kayboluyor. Bir kilitleme yapılandırması sonra tepe kurtarmak için, gürültü seviyesi değil, arka plan düzeyini düşürmek için kullanılır.
Bizim kurulum (Şekil 14) multi-fonksiyonel kavite karakterizasyonu için tasarlanmış olduğunu unutmayın, ve RS ek mikro-fotolüminesans ve ikinci ve üçüncü harmonik frekansların nesil içerir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Çıkar çatışması ilan etti.
Acknowledgments
Yazarlar minnetle RS tekniği ve ölçümlerin uygulanması ile ilgili faydalı tartışmalar için Pavia Üniversitesi'nden Dr Matteo Galli, Dr Simone L. Portalupi ve Prof Lucio C. Andreani kabul ediyorsunuz.
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).
