Summary
Utilisation des guides d'ondes à cristal photonique de lumière lente et des cavités a été largement adopté par la communauté de la photonique dans de nombreuses applications différentes. Par conséquent fabrication et la caractérisation de ces dispositifs sont d'un grand intérêt. Le présent document décrit notre technique de fabrication et deux méthodes de caractérisation optiques, à savoir: diffusion interférométrique (guides) et de résonance (cavités).
Abstract
Lumière lente a été l'un des sujets chauds de la communauté de la photonique dans la dernière décennie, suscitent beaucoup d'intérêt tant d'un point de vue fondamental et pour son potentiel considérable pour des applications pratiques. Lents lumière guides d'ondes à cristaux photoniques, en particulier, ont joué un rôle majeur et ont été utilisés avec succès pour retarder les signaux optiques 1-4 et la mise en valeur de ces deux dispositifs linéaires et non linéaires 5-7 8-11.
Cavités à cristaux photoniques obtenir des effets similaires à ceux de guides d'ondes lumineuses lents, mais sur une réduction de la bande passante. Ces cavités offrent ratio élevé Q-factor/volume, pour la réalisation de 12 et optiquement pompé électriquement 13 lasers seuils très faibles et l'amélioration des effets non linéaires. 14-16 De plus, les filtres passifs 17 et 18-19 modulateurs ont été démontrés, présentant ultra-étroite largeur de raie, grande spectrale libre rvaleurs ange et l'enregistrement de faible consommation d'énergie.
Pour atteindre ces résultats passionnants, un protocole de fabrication robuste reproductible doit être développée. Dans cet article, nous jeter un regard en profondeur sur notre protocole de fabrication qui emploie lithographie électronique pour la définition des modèles de cristaux photoniques et utilise des techniques de gravure sèche et humide. Nos résultats optimisés recette de fabrication de cristaux photoniques qui ne souffrent pas d'asymétrie verticale et présentent une très bonne rugosité des bords mur. Nous discutons les résultats de la variation des paramètres de gravure et les effets néfastes qu'ils peuvent avoir sur un dispositif, conduisant à une route de diagnostic qui peuvent être prises pour identifier et éliminer les problèmes similaires.
La clé de l'évaluation de guides de lumière lente est la caractérisation passive de transmission et les spectres d'index du groupe. Diverses méthodes ont été signalés, en particulier la résolution des franges de Fabry-Perot du spectre de transmission d'un 20-21techniques d interférométriques. 22-25 Nous décrivons ici un lien direct, technique de mesure à large bande combinant interférométrie spectrale à transformée de Fourier analyse. 26 Notre méthode se distingue par sa simplicité et sa puissance, que nous pouvons caractériser un cristal photonique nue avec des guides d'ondes d'accès, sans besoin de pour des composantes d'interférence sur la puce, et l'installation ne se compose que d'un interféromètre de Mach-Zehnder, sans avoir besoin de pièces mobiles et les balayages de retard.
Lors de la caractérisation des cavités à cristaux photoniques, des techniques impliquant des sources internes 21 ou guides d'ondes externes directement couplé à la cavité 27 impact sur la performance de la cavité elle-même, ce qui fausse la mesure. Ici, on décrit une technique nouvelle et non intrusif qui rend l'utilisation d'un faisceau sonde à polarisation croisée et que l'on appelle diffusion résonante (RS), où la sonde est couplée hors du plan dans la cavité à travers un objectif. La technique a été la première démonstrationted par McCutcheon et coll. 28 et développé par Galli et al 29.
Protocol
Avertissement: Le protocole suivant donne un flux de processus général couvrant les techniques de fabrication et de caractérisation des guides d'ondes à cristaux photoniques et des cavités. Le flux de processus est optimisé pour le matériel spécifique disponible dans notre laboratoire, et les paramètres peuvent être différents si les autres réactifs ou de l'équipement est utilisé.
1. Préparation des échantillons
- Fendeuse de l'échantillon - prendre le silicium sur isolant (SOI) plaquette et utiliser un scribe de diamant pour rayer une ligne d'environ 1-2 mm de long à partir du bord de la surface de silicium, veiller à ce que la rayure s'étend sur le bord de la plaquette. Aligner le zéro à un bord droit (par exemple celle d'une lame de microscope) et appliquer une pression positive à deux côtés de la rayure: la plaquette clive le long du plan du cristal à l'emplacement de zéro. Répétez cette procédure pour définir la puce entière.
- Nettoyage de l'échantillon - Lieu de l'échantillon dans l'acétone ATTENTION aide d'une pincette unee nettoyer dans un bain à ultrasons pendant 1-2 min. Retirer l'échantillon de l'acétone, rincez toute l'acétone restante de l'échantillon en utilisant ATTENTION isopropanol (30 sec) (à la fois de l'acétone et l'isopropanol sont inflammables: utiliser une bonne ventilation et éviter toute source d'inflammation). Sécher l'échantillon à l'aide d'un pistolet d'azote propre et sec.
- Spin résister - placer l'échantillon sur le spin-coater. Pipette électronique sensible résister ATTENTION ZEP520A (ZEP520A est inflammable, nocif par inhalation et par contact avec la peau et les yeux doit être évité) sur l'échantillon - utilisé suffisamment de résister à recouvrir complètement l'échantillon sans résister circulant sur le bord. Faire tourner l'échantillon de manière à donner une env. 350 nm d'épaisseur de film et cuire au four sur une plaque chauffante à 180 ° C pendant 10 min. Nous avons trouvé cette épaisseur à l'épaisseur optimale qui concilie résolution et résistance à la gravure (voir plus loin).
2. Définition de modèle
- Design - utilisant un logiciel approprié, simuler le mode de cristal photonique requis. Un engourdissementer des logiciels utiles sont disponibles, y compris, mais sans s'y limiter: MIT bandes photoniques (DPP), double alternance (Rsoft), Propagation MIT équation électromagnétique (MEEP).
- Génération de modèle - créer les fichiers d'exposition (format gds en général) et les erreurs de proximité réalisé avec un logiciel approprié 30.
- L'exposition Pattern - charger l'échantillon dans la chambre du système de lithographie par faisceau d'électrons (LEO 1530 / Raith Elphy) et tirage au vide. Une fois vide a été réalisé, allumez l'alimentation et l'ISE fixé à 30 kV. Laisser le système dans cet état pendant 1 heure pour permettre à l'échantillon, le stade et la chambre pour atteindre une température d'équilibre. Mise en place de l'exposition, comme indiqué dans le manuel utilisateur de votre système d'électrons lithographie spécifique faisceau. Exposer l'échantillon en utilisant une taille de pas de base appropriée (par exemple, 2 nm) (ce qui est la taille de pixel minimale que le système peut exposer), un temps d'établissement d'au moins 1 ms (ce qui est le temps d'attente du système entre le déplacement du faisceau d'exposition etla partie particulière de la structure), et une dose de 55 μAcm zone -2.
- Développement de l'échantillon - en utilisant Xylène ATTENTION (Xylène est à la fois le travail inflammable et très toxique dans un endroit bien ventilé à l'écart des sources d'ignition et éviter tout contact avec la peau et les yeux) à une température de 23 ° C développer l'échantillon pendant 45 sec. Rincer dans de l'isopropanol.
3. Patten transfert
- RIE Chambre Nettoyage - Régler les débits d'argon et d'hydrogène à 200 sccm. Diminuer la bande passante de la pompe, par l'intermédiaire d'une vanne papillon, pour obtenir la pression de chambre de 1 × 10 -1 mbar. Réglez la puissance RF de 100 W, allumer le plasma et fonctionner pendant au moins 10 minutes - une polarisation continue d'environ 700 V doivent être respectées. Après l'arrêt de l'Ar / H 2 plasma, permettre à la chambre de la pompe pendant environ 1 min. Régler le débit de l'oxygène dans la chambre à 200 sccm et à nouveau étrangler la pression de la chambre vers le bas à 1 × 10 -1 mbar. Ignite un second plasmade l'oxygène avec une puissance de 100 W et une durée de 5 min. Après ces procédures, la chambre va être exempt de contaminants, tels que les résidus de polymère, de toute gravure précédente sèche. Nous effectuons cette procédure avant chaque changement de formule d'attaque pour assurer une répétabilité maximale. Cette procédure est optimisé pour le système qui est constitué d'une plaque parallèle, cathode chargée, RIE, avec une chambre principale de 12 pouces de diamètre par 14 cm de hauteur, dont un orifice 12 cm avec vanne d'étranglement et les deux turbo-moléculaire pompe fixée.
- Gravure de cristal photonique - charger l'échantillon dans la chambre principale et RIE pomper le système jusqu'à une pression de fond <3 × 10 -6 mbar pour assurer la chambre est exempte de vapeur d'eau. Commencer la gravure par pré-conditionnement, la chambre avec les gaz de gravure (à savoir CHF 3 et SF 6): régler le débit de gaz à la fois 100 sccm (c.-à régler un rapport de gaz de 1:1) et en utilisant le gaz de la chambre de ramener pression de 5 × 10
- Exemple de nettoyage pour enlever les électrons de laque sensible - après gravure sèche, nettoyer l'échantillon par un rinçage à l'ATTENTION Remover 1165 (1165 est inflammable et peut causer une irritation des yeux, du nez et des voies respiratoires des voies) avec agitation ultrasonique pendant 1-2 min, suivi par de l'acétone et l'isopropanol comme il est indiqué ci-dessus (étape 1.2).
- Isolation Membrane - spin-coat de l'échantillon avec photo sensible aux UV résister ATTENTION Microposit S1818 G2 (S1818 G2 est à la fois inflammables et provoque une irritation des yeux, du nez et des voies respiratoires des voies) (voir l'étape 1.3). L'utilisation d'un CRÉDITSe photomasque, définir des fenêtres à l'intérieur de la réserve au-dessus des modèles de cristaux photoniques en utilisant le dispositif d'alignement de masque UV. Exposer l'échantillon pendant environ 30-45 secondes. Développer la résistance à Microposit ATTENTION développeur MF-319 (MF-319 est un liquide alcalin et peut causer une irritation des yeux, du nez et des voies respiratoires des voies) pendant 30-45 secondes, rincer ensuite dans de l'eau déminéralisée. Préparer un récipient en plastique avec un mélange d'acide fluorhydrique ATTENTION 01:05 (1,1499 g / ml 48-51% HF) (HF est extrêmement corrosif et facilement détruit les tissus, lors de la manipulation d'utiliser un équipement complet de protection individuelle prévus pour HF) pour dé-ionisée de l'eau. Notez que pour des raisons de sécurité seulement gobelets en plastique et pinces doivent être utilisées avec de l'acide fluorhydrique. Immerger l'échantillon dans le mélange d'acide fluorhydrique pendant 15 min. Après le décapage, rincer soigneusement l'échantillon dans de l'eau déminéralisée. Retirez le restant de résine photosensible avec de l'acétone et l'isopropanol (voir l'étape 1.2) - à partir de ce stade et suivantes agitation ultrasonique peut pas être utilisé. Pour s'assurer que l'échantillonest aussi propre que possible, suivre l'acétone et l'isopropanol lavage avec une solution de rinçage dans une solution Piranha ATTENTION (solution Piranha est très énergique, est potentiellement explosive et attaque les matériaux organiques, lors de la manipulation d'utiliser un équipement complet de protection individuelle) (3:1 ATTENTION acide sulfurique (acide sulfurique l'acide est corrosif et très toxique, lors de la manipulation des équipements de protection et éviter d'inhaler les vapeurs ou les brouillards) ATTENTION à l'eau oxygénée (peroxyde d'hydrogène est très dangereux en cas de contact avec la peau et les yeux, lors de la manipulation des équipements de protection)) pendant 5 min , puis rincer l'échantillon dans de l'eau désionisée, de l'acétone et l'isopropanol. Notez que pour des raisons de sécurité béchers en verre et des pinces métalliques seulement doit être utilisé avec la solution Piranha. Comme solution Piranha peut exploser au contact avec de l'acétone ou de l'isopropanol, il doit être manipulé loin de ces réactifs.
- Fendeuse Facet - si la préparation d'un cristal photonique lente lumière guide d'ondes, l'échantillon nécessite clivage facette. Cliver la sample en suivant la même procédure que celle décrite dans l'étape 1.1, sauf qu'une aussi petite que possible de zéro doit être utilisé. Une puce SOI avec le substrat ~ um d'épaisseur 700 peut être clivée de manière fiable à 4-5 mm de long échantillons.
4. Caractérisation photonique Cristal guide d'ondes lentes lumière
- Préparation préliminaire de la configuration - branchez la sortie d'une large bande ATTENTION émission spontanée amplifiée (ASE) source de lumière (rayonnement infrarouge invisible: éviter d'inutiles puissances élevées, couvrir trajectoire du faisceau si possible) pour un séparateur fibre 3 dB et l'utilisation de chacune des sorties de coupler la lumière dans les deux bras d'un espace libre de Mach-Zehnder interferometeter (MZI), comme représenté sur la figure 9. Utiliser des lentilles asphériques pour collimater la lumière émise par les fibres. Dans l'un des bras de l'interféromètre, d'utiliser deux autres lentilles asphériques pour coupler le faisceau de lumière et de sortie de la puce de l'échantillon. Placez un faisceau de polarisation (PBS) dans le bras échantillon à TE-polarisent le light saisie de l'échantillon. Utilisez lentilles asphériques pour coupler les faisceaux de sortie collimatés des deux bras en arrière dans une seconde 3 dB séparateur de fibres, où ils se recombinent. Connecter l'une des sorties à un détecteur à infrarouge et en utilisant la lecture du détecteur de maximiser le couplage de la lumière dans l'échantillon; raccorder l'autre sortie à un analyseur de spectre optique (OSA). Les deux branches de l'MZI doivent avoir à peu près la même longueur optique lorsqu'il est en présence de l'échantillon: faire en sorte que les fibres dans les deux branches de l'MZI ont la même longueur nominale et comprennent un étage à retard variable dans le bras de référence pour permettre pour le réglage fin de la longueur. Dans le bras de l'échantillon, monter les lentilles asphériques sur les scènes de précision xyz pour obtenir le meilleur couplage dans l'échantillon.
- Ajuster la longueur du bras de référence - coupler le faisceau de lumière à un guide d'ondes nervuré (c'est à dire sans cristal photonique) blanc (de même type que l'accès guides d'ondes de lumière qui avance à l'intérieur des cristaux photoniques) wiamincir la même puce dans le bras échantillon. Effectuez un balayage continu sur le SAOS et d'observer les spectres de longueur d'onde mesurée. Si les deux bras de la MZI ont à peu près la même longueur optique, les franges présentent des spectres dus aux interférences constructives et destructives; ces franges n'apparaîtra pas si les bras du MZI sont très différentes longueurs optiques (> ~ cm). L'espacement des franges est inversement proportionnelle à la différence de longueur de chemin optique entre les deux bras. Déplacez l'étage de retard pour faire le bras de référence plus courte et d'observer les franges de l'OSA: si elles deviennent plus denses (moins dense), le bras de référence est plus courte (plus) que dans le bras échantillon. Réglez l'étage de retard afin de s'assurer que le bras de référence est plus court que le bras de l'échantillon et les résultats dans un écartement des franges d'environ 5 à 10 franges dans une gamme de longueur d'onde de 10 nm (voir figure 10a). Enfin, effectuer cette optimisation sur le périphérique qui fournit le retard maximum, puis maintenir le délai fixé dans toute la mesurede l'ensemble de l'échantillon.
- Exécuter l'étalonnage - tout aligné sur le guide d'ondes vide, exécuter trois balayages sur l'OSA: une analyse du spectre d'interférence et une analyse de chacun des deux bras séparément (obtenu en bloquant l'autre bras). Utilisez une résolution de 0,05-0,1 nm. Enregistrer chaque spectre mesuré.
- Lente acquisition lumière des données - de fonctionner et d'enregistrer trois spectres comme à l'étape 4.3 pour chaque guide d'onde à cristaux photoniques sur la puce.
- Fourier analyse des données - le spectre d'interférence (interférogramme) I (ω) s'exprime mathématiquement par:
I (ω) = S (ω) + R (ω) + sqrt [S (ω) R (ω)] {exp [iΦ (ω) - iωτ] +} cc,
où S (ω) et R (ω) sont les densités spectrales mesurées séparément à partir de l'échantillon de référence et les bras, respectivement. Le retard τ est définie par la position de l'étage de retard dans le bras de référence. L'information sur la dispersion du guide d'ondes à cristal photonique est contenu dans la phaseterme, que nous devons extraire les données mesurées.
Soustraire le fond non interférant S (ω) + R (ω) à partir de l'interférogramme d'isoler uniquement le terme d'interférence. Calculer la transformée de Fourier de la durée interférer: le terme sqrt (SR) exp [i (Φ-ωτ)] et de son conjugué complexe correspondent à des pics centrés à t = τ et t =-τ, respectivement. Filtrer numériquement l'un des deux termes et transformer de nouveau dans le domaine fréquentiel. Différencier la phase Φ (ω) - ωτ des données résultantes par rapport aux ω pour obtenir Δτ g, la différence de retard de groupe entre les deux bras. Le groupe d'index n g = c / v g, avec g v la vitesse de groupe, est donnée par:
n = g (Δτ g PhC - Δτ cal g) c / L + n cal,
où Δτ cal g est obtenue à partir des données d'étalonnage prises enom le guide d'ondes vide, L est la longueur de guide d'ondes à cristal photonique et n = 2,7 cal est l'indice effectif du guide d'ondes nervuré référence. La contribution à la temporisation des divers éléments optiques de l'installation est prise en compte dans la course de calibrage, et est donc soustrait à cette étape.
- Courbe de transmission - calculer la courbe de transmission en normalisant le spectre de l'échantillon d'un guide d'ondes à cristal photonique à celle de l'ébauche de guide d'ondes.
5. Caractérisation cavité à cristal photonique
- Installation - la préparation de l'installation (figure 14) pour RS comprend: la commutation de l'élément échangeable vers le diviseur de faisceau polarisant; insérer un polariseur dans la branche d'entrée et un analyseur dans le bras de sortie; retourner un miroir dans le bras de sonde afin de permettre l'utilisation d'une source proche de l'infrarouge; permettre l'illumination de l'échantillon. Monter l'échantillon verticalement avec une orientation de 45 ° à l'axedu polariseur (Figure 18) sur un différentiel entraîné xyz micro-bloquer et régler le bloc micro-afin que l'échantillon est mis au point et une cavité peut être vu avec la caméra, comme dans la Figure 15 (à gauche). En utilisant une émission spontanée amplifiée (ASE) de source, d'aligner le faisceau avec le centre de la figure 15 cavité (droite). Retournez loin le miroir éclairage et permettre au bras de sortie pour entrer dans le spectromètre (monochromateur avec détecteur à barrette ci-joint). Lancer un scan large avec une résolution faible à modéré afin d'identifier les pics cavité. Obtenir la longueur d'onde approximative de la résonance dans le balayage ASE (figure 16a) avec une précision de 1 nm. Il est également possible d'acquérir le scan large avec une source laser accordable ATTENTION (TLS) (figure 16b) (rayonnement infrarouge invisible: éviter d'inutiles puissances élevées, couvrir trajectoire du faisceau si possible). Il faut veiller à ce que la résolution est réglée sur la valeur la plus élevée pouréchantillonner les lignes d'une largeur de chaque pic.
- Effectuer des balayages haute définition sur les pics identifiés - relier les TLS à la branche d'entrée et atténuer le faisceau à un niveau mW. Préparez-vous pour le balayage à haute résolution en permettant au bras de sortie à percevoir par le photodétecteur et la mise en place d'un balayage balayage continu avec une résolution de 1 h pour une plage de 2 nm centré à la longueur d'onde de résonance trouvée précédemment. L'importance de cette étape est d'améliorer le rapport signal-sur-bruit (SNR) dans le but d'obtenir une lorentzienne ligne en forme de résonance: changer la position xyz du bloc de micro-et relancez le scan jusqu'à ce que le SNR est maximisé et la ligne en forme est proche de celle d'une lorentzienne, comme indiqué dans l'article résultat représentatif.
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Discussion
Exemple de fabrication
Notre choix de résister à faisceau d'électrons (c.-à-ZEP 520A) est due à sa résolution élevée et simultanément résistance à la gravure. Nous croyons que 520A ZEP peut être affectée par la lumière ultraviolette émise par des feux de laboratoire généraux, à ce titre, nous vous recommandons de placer spin-enduites échantillons dans des récipients opaques aux UV tout en les déplaçant d'un laboratoire à un autre.
Déplacement sur la définition du modèle de cristal photonique, avant d'exposer l'échantillon, nous avons constaté que permet le système de lithographie par faisceau d'électrons reposer pendant au moins une heure après le chargement réduit mauvais alignement des erreurs lors de l'écriture - cela est dû à la phase de l'échantillon et de la chambre à vide non étant à la même température immédiatement après le chargement. Comme les modèles de cristaux photoniques, ainsi que des guides d'ondes d'accès, peut prendre plusieurs heures à écrire, une légère dérive dans la phase par rapport à la chambre (même au nanomètres seulement par trou cristal photonique) se traduit par signeificant couture et éventuellement des erreurs de distorsion de motif par rapport à des tolérances de cristaux photoniques. Cette erreur est aléatoire dans la nature, d'une exposition à l'autre, mais peut être aussi élevée que 100 nm / min (erreur de position absolue), mais une erreur de position relative, c'est à dire entre un trou de cristal photonique à l'autre peut être de l'ordre de quelques nanomètres, qui peut être encore réduite en augmentant la vitesse à laquelle le motif est écrit. Comme mentionné ces questions peuvent encore être annulé (mais jamais complètement éliminée) en permettant au système de régler après le premier chargement de l'échantillon.
L'Ar / H 2 gravure plasma (utilisé pour éliminer les contaminants métalliques et de silicium par bombardement ionique), suivie par gravure plasma O 2 (utilisé pour l'élimination de polymère et des résidus organiques par destruction plasma) décrit dans la section 3.1 du protocole de définir un régime de nettoyage qui a été développé pour contrôler la contamination à l'intérieur de la chambre lors de la gravure RIE de la photonique crystals - ce nettoyage est considéré par nous comme l'une des étapes les plus importantes dans la fabrication de dispositifs à cristaux photoniques, le nettoyage de la chambre RIE est primordiale pour la fabrication reproductible fiable d'autant plus que dans notre cas où le RIE n'est pas utilisé uniquement pour la gravure du silicium. L'Ar / H 2 plasma est vu passer d'une couleur bleu-gris (indiquant une chambre contaminée) d'une couleur rose (ce qui indique que la chambre est libre de contaminants), un plasma 10 min est normalement suffisant. Le plasma O 2 est ensuite réalisée pendant une minute supplémentaire 5-10 en fonction de la propreté de la chambre au début du processus (par exemple Ar / H 2 à plasma couleur). Bien que la méthode précédente n'a pas être prouvé de façon concluante, nous constatons que la couleur du plasma se révèle un indicateur utile pour la propreté de chambre. Nous avons également constaté que, en pré-conditionnement de la chambre de gravure avec les gaz de gravure de silicium pendant 10 min résultats dans un processus plus fiable - nous croyonsque ce soit en raison des vitesses de gravure de débit de gaz de stabilisation et d'être adsorbée dans les parois de la chambre au cours de la période pré-condition.
Lorsque la sous-gravure de l'échantillon, afin de créer des membranes, en utilisant l'acide fluorhydrique, les guides d'ondes d'accès doit être protégé. Si l'acide fluorhydrique entre en contact avec le guide d'ondes d'accès, il pénètre à travers la tranchée gravée maintenant (part et d'autre du guide d'ondes) et sous-grave les guides d'ondes d'accès pour des centaines de micromètres. Dans les cas extrêmes, les guides d'ondes d'accès peut se plier et casser à cause de contraintes, ce qui rend inutile une puce complète. Que l'acide fluorhydrique est un réactif d'attaque isotrope, le temps de gravure doit être contrôlée pour éviter gravure latérale (perpendiculaire au guide d'ondes à cristal photonique) de provoquer la membrane à se plier due à la libération de la contrainte intrinsèque de la couche de silicium. Dans les cas extrêmes, l'excès de sous-gravure peut aussi causer la membrane de s'effondrer.
Enfin, la création du proprefacettes pour le couplage en espace libre de la lumière dans des guides d'ondes à cristal photonique est extrêmement difficile. Si rayé / clivé avec soin, le silicium se suivent essentiellement un plan cristallin formant une facette bien (dans notre expérience, les techniques telles que le polissage facettes ne sont pas nécessaires). Une facette grave peut causer de grandes pertes de couplage à chaque facette. Nous recommandons au point d'une technique de clivage avant d'essayer de travailler avec des échantillons importants. Il est également impératif que, une fois un bon clivage a été réalisé les facettes ne sont pas endommagés: l'échantillon doit être soulevée à l'aide des deux bords parallèles aux guides d'ondes (et non pas par les côtés facette d'extrémité de la puce). La longueur des échantillons à 2-3 mm peut être atteint de manière fiable avec le manuel d'un clivage ~ 700 um d'épaisseur SOI puce. Pour les petits échantillons, nous suggérons l'amincissement du substrat ou d'utiliser une technique de clivage différent.
Bien que le protocole décrit dans ce document est optimisé pour SOI, le principe général de la fabrication méthodes sont également valables pour la fabrication de dispositifs semi-conducteurs dans d'autres, bien sûr lors du passage d'un examen attentif de silicium etch-outils, etch-chimiques et des matériaux masque devra être faite.
Le protocole de fabrication de ce papier est optimisé pour les appareils destinés à une longueur d'onde centrale d'exploitation de 1,550 nm, cependant dispositifs ont également été préparés pour la Midir (2.7 à 3.5 um) en utilisant des protocoles de fabrication régime basé sur celles présentées dans le présent document.
Ralentir mesures de la lumière du groupe index
La signification de l'indice du groupe en tant que paramètre clé pour mesurer la lumière lente provient du diagramme de dispersion ou de la structure de bande ω (k) généralement utilisé pour décrire la dispersion d'un guide d'ondes à cristal photonique. 34 La pente locale de la courbe de dispersion ∂ ω / ∂ k correspond à la vitesse de groupe v g, c'est à dire la vitesse à laquelle le electromagnetic énergie se déplace à travers le guide d'ondes, qui peut être décrit de manière équivalente par le groupe g indice n = c / v g. Les valeurs de l'ordre de 5 ng correspondent au régime de lumière rapide, tandis que des valeurs plus élevées sont généralement considérés comme relevant du régime de la lumière lente.
Lors de la construction de la lumière lente configuration MZI, il est important de s'assurer que toutes les fibres des deux bras de l'interféromètre sont solidement attaché à la table optique, comme tout mouvement ou vibration va changer les longueurs de chemin de compromettre la qualité de l'acquisition interférogramme . Pour la même raison, le balayage de l'interférogramme doit être effectuée rapidement, ou les fluctuations de la phase donnera lieu à des oscillations indésirables les données d'index de groupe. Les deux bras de la MZI peut également être réalisé entièrement dans l'espace libre pour éviter fibres tout à fait, comme dans la référence 26: MZI un espace libre sera plus stable, mais aussi plus difficiles à aligner.
Selon leSérie résolution et la force des franges de Fabry-Pérot, la détermination de l'indice de groupe est affecté par une grande incertitude quand les franges convergent très étroitement. Réglage de l'étage de retard au début laisser à 10.04 fringes/10 nm, tel que détaillé à l'étape 4.2 du protocole, fonctionne bien pour les guides d'ondes à cristal photonique de longueurs 30-100 um avec des indices de groupe relativement élevés, jusqu'à n g> 100 pour ingénierie lents guides d'ondes lumineuses 35 (voir figure 12). Pour la bande-garde lent léger, les indices mesurables maximales groupe ont tendance à être plus faible pour la même durée, en raison des pertes de propagation élevés.
Avec un écartement des franges de ~ 4 nm fringes/10 nous sommes capables de mesurer de manière fiable les indices de groupe jusqu'à près de 100 à 300 um également des guides d'ondes à long modifiées (Figure 13). Pour de plus longs guides d'ondes, les franges deviennent très dense très rapidement, et la résolution de l'OSA va limiter l'index de groupe maximum mesurable. Notez, cependant, que les fora résolution fixe et l'espacement des franges, l'indice du groupe mesurable maximale n'évolue pas linéairement avec la longueur de guide d'ondes, et peut également être influencé par la dispersion des pertes de propagation. Pour un guide d'onde très longue, nous proposons d'inclure à côté de lui un guide d'onde courte avec un design identique spécifiquement pour la mesure de l'index de groupe.
En résumé, nous avons décrit une méthode simple et puissant pour la détermination expérimentale des propriétés de dispersion de la lumière lente guides d'ondes à cristal photonique. Notre technique est basée sur la combinaison de l'interférométrie domaine de fréquence 23 à transformée de Fourier analyse 36 et permet un lien direct, un seul coup de feu, application continue de la courbe de l'indice de groupe, sans avoir besoin de scans retard, 23-24 montage non linéaire des données 22 , 25 ou détermination de la position des extrema frange. 20-21,25 En utilisant une source de lumière à large bande, nous sommes en mesure d'extraire des informations à partir de l'échantillon sur une grande wavele ngth plage, et d'une manière très stable et reproductible. Nous pouvons mesurer les indices de groupe de plus de 100 pour les guides d'ondes courtes et modérément long (jusqu'à jusqu'à 200-250 um), qui sont des valeurs beaucoup plus élevées que celles qui sont nécessaires pour l'application utile de la lenteur des guides de lumière pour améliorer la performance des deux linéaire et non linéaire dispositifs.
Diffusion résonante
Photonic lumière confine à cristaux cavités dans le plan en deux dimensions, contrairement aux guides d'ondes à cristaux photoniques, où la lumière est guidée dans une dimension. Ce qui permet le stockage de la lumière à l'intérieur ultra-faibles volumes, qui est décrite par une décroissance de l'énergie, analogiques à-dire celle d'un résonateur électronique. Dans les systèmes photoniques, cette décroissance est associée à la durée de vie des photons de la cavité et est de forme exponentielle, d'où résulte en une forme de ligne de Lorentz du pic. Le rapport de la longueur d'onde du pic de la largeur à mi-maximum représente le facteur de qualité.
jove_content "> Une caractéristique importante de la technique RS est la propriété à maintien de polarisation de l'installation et en particulier celui de l'objectif de haute NA. C'est là que réside la question de la compatibilité d'avoir une grande ouverture numérique (efficacité de collecte élevée) tout en conservant la polarisation, parce objectifs à grande NA ont tendance à mélanger les polarisations. Ce brassage polarisation est responsable de petits pics et faible SNR.Lorsque le hors-résonance, la lumière polarisée x arrive à la cavité (figure 18a), il est rétrodiffusé par l'objectif et filtrées par le séparateur de faisceau / analyseur (y-polarisée), de sorte que seule une faible est observée à le détecteur. Dans le cas de brassage polarisation, une partie de la lumière polarisée-x est transformé en polarisation inverse et peut passer de l'analyseur augmentant ainsi le fond. Si donc les couples de lumière en résonance de la cavité, la polarisation tourne pour le mode fondamental cavité (flèche rouge dans Figure 18b) et crée une composante de polarisation y. Cette lumière est dirigée vers le bras de sortie et transmet l'analyseur. Encore une fois, la lumière y polarisée peut se convertir à la polarisation inverse réduisant ainsi le niveau du signal. Par conséquent, un objectif doit être choisi de telle sorte que brassage polarisation est maintenu à un minimum.
Pour ultra-facteur Q élevé, tels que les cavités d'une hétéro-structure de cavité, la puissance émise est plus faible. Cette situation peut réduire encore plus le SNR et le pic disparaît dans le niveau de bruit. Un verrouillage de configuration doit alors être utilisé pour diminuer le niveau de bruit, pas le niveau de fond, afin de récupérer le maximum.
Notez que notre configuration (Figure 14) est conçu pour la caractérisation cavité multi-fonctionnel, et en plus de RS comprend des micro-photoluminescence et la génération de deuxième et troisième fréquences harmoniques.
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Disclosures
Aucun conflit d'intérêt déclaré.
Acknowledgments
Les auteurs remercient le Dr Matteo Galli, le Dr Simone L. Portalupi et le professeur Lucio C. Andreani de l'Université de Pavie pour des discussions utiles liées à la technique de RS et de l'exécution des mesures.
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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