Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Framställning och karaktärisering av fotoniska kristaller Slow ljusvågledare och håligheter

Published: November 30, 2012 doi: 10.3791/50216
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1School of Physics & Astronomy, University of St Andrews

Summary

Användning av fotoniska kristaller långsamma ljusvågledare och håligheter har allmänt antagits av fotonik samhället i många olika applikationer. Därför tillverkning och karakterisering av dessa enheter är av stort intresse. Detta dokument beskriver vår tillverkning teknik och två optiska metoder karakterisering, nämligen interferometriska (vågledare) och resonant spridning (hålrum).

Abstract

Långsam ljus har varit en av de heta ämnen i fotonik samhället under det senaste årtiondet, vilket genererar stort intresse både från en grundläggande synpunkt och för dess stora potential för praktiska tillämpningar. Långsam ljus fotoniska kristaller vågledare, i synnerhet, har spelat en stor roll, och har framgångsrikt använts för att fördröja optiska signaler 1-4 och förstärkning av både linjära 5-7 och icke-linjära enheter. 8-11

Fotoniska kristaller hålrum uppnå liknande effekter som långsamma ljusvågledare, men över en reducerad bandbredd. Dessa hålrum erbjuder hög Q-factor/volume förhållande för förverkligandet av optiskt 12 och elektriskt 13 pumpas extremt låg tröskel lasrar och förbättring av olinjära effekter. 14-16 dessutom passiva filter 17 och modulatorer 18-19 har visats, uppvisar extremt smal linje bredd, hög fri-spektral rÅnge och spela värden låg energiförbrukning.

För att uppnå dessa spännande resultat måste en robust repeterbar tillverkning protokoll utvecklas. I denna uppsats tar vi en fördjupad titt på vår tillverkning protokoll som använder elektron-stråle litografi för definitionen av fotoniska kristaller mönster och använder våta och torra etsningstekniker. Vår optimerade tillverkning recept resulterar i fotoniska kristaller som inte drabbas av vertikal asymmetri och uppvisar mycket god kant-vägg ojämnheter. Vi diskuterar resultaten variera etsning parametrar och de skadliga effekter som de kan ha på en enhet, vilket leder till en diagnostisk rutt som kan vidtas för att identifiera och eliminera liknande frågor.

Nyckeln till att utvärdera långsamma ljusvågledare är den passiva karakterisering av överföring och gruppindex spektra. Olika metoder har rapporterats, notably lösa de Fabry-Perot utkanter transmissionsspektrum 20-21 ettd interferometriska metoder. 22-25 Här beskriver vi en direkt, bredband mätteknik kombineras spektral interferometri med Fouriertransform analys. 26 Vår metod utmärker sig för sin enkelhet och kraft, som vi kan karakterisera en bar fotoniska kristaller med tillgång vågledare, utan att behöva för on-chip störningar komponenter och inställning endast består av en Mach-Zehnder-interferometer, utan behov av rörliga delar och skannar fördröjning.

När karakterisera fotoniska kristaller hålrum, tekniker med interna källor 21 eller externa vågledare direkt kopplade till hålrummet 27 inverkan på resultatet av kaviteten själv, vilket innebär en snedvridning mätningen. Här beskriver vi ett nytt och icke störande teknik som använder sig av en tvärpolariserad sondstrålen och är känd som resonant spridning (RS), där sonden kopplas utanför planet in i håligheten genom ett mål. Tekniken var först demonTed av McCutcheon et al. 28 och vidareutvecklats av Galli et al. 29

Protocol

Friskrivningsklausul: Följande protokoll ger en allmän processflöde täcker tillverkning och karakterisering tekniker för fotoniska kristaller vågledare och håligheter. Processflödet är optimerad för den särskilda utrustning som finns tillgänglig i vårt laboratorium, och parametrar kan skilja om andra reagens eller utrustning används.

1. Provberedning

  1. Prov klyver - ta kisel-på-isolator (SOI) wafer och använda en diamant skrivare att repa en linje ungefär 1-2 mm lång från kanten av kisel yta, se till att repa sträcker sig över kanten på skivan. Justera repan till en rak kant (till exempel att ett objektglas) och gäller även positivt tryck på båda sidor av repa: skivan kommer att klyva längs kristallplanet vid scratch platsen. Upprepa denna procedur för att definiera hela chipet.
  2. Prov Rengöring - Placera provet i VARNING aceton med pincett ennd ren i ett ultraljudsbad under 1-2 minuter. Ta provet från aceton, skölj eventuellt kvarvarande aceton från provet med hjälp VARNING isopropanol (30 sek) (både aceton och isopropanol är brandfarligt: ​​använd god ventilation och undvik alla antändningskällor). Torka provet med en ren torr kvävgas pistol.
  3. Spin motstå - Placera provet på spin-bestrykaren. Pipettera elektron känslig motstå VARNING ZEP520A (ZEP520A är lättantändligt, farligt vid inandning och kontakt med hud och ögon bör undvikas) på provet - använd tillräckligt motstå att helt täcka provet utan motstå strömmar över kanten. Snurra provet för att ge en ca. 350 nm tjock film och baka på en värmeplatta vid 180 ° C under 10 minuter. Vi hittade denna tjocklek vara den optimala tjocklek som balanserar upplösning och etsa motstånd (se nedan).

2. Mönster Definition

  1. Design - med lämplig mjukvara, simulera önskade fotoniska kristaller mönster. En stelER användbara programvaror finns tillgängliga, inklusive men inte begränsat till: MIT Fotoniska Band (MPB), FullWAVE (RSoft), MIT Elektromagnetisk ekvation Förökning (meep).
  2. Mönster Generation - skapa exponering filer (GDS-format i allmänhet) och närhet fel rätt med lämplig mjukvara 30.
  3. Mönster Exponering - ladda provet i kammare elektronstrålelitografi systemet (LEO 1530 / Raith Elphy) och pumpa ner. När vakuum har uppnåtts, slå på EHT utbudet och inställd på 30 kV. Lämna systemet i detta tillstånd under 1 timme för att tillåta provet, steg och kammaren att nå en jämviktstemperatur. Set-up exponeringen som anges i användar-manualen för din specifika elektronstrålelitografi systemet. Exponera provet med ett lämpligt basiskt steg storlek (t.ex. 2 nm) (detta är den minsta pixelstorlek att systemet kan exponera), en insvängningstid på minst 1 ms (detta är den tid systemet väntar mellan rörliga balken och exponeraden särskilda delen av mönstret), och en yta dos av 55 μAcm -2.
  4. Prov Utveckling - med VARNING Xylen (Xylen är både brandfarliga och mycket giftiga arbete i en väl ventilerad plats åtskilt från antändningskällor och undvik kontakt med hud och ögon) vid en temperatur av 23 ° C utveckla provet i 45 sekunder. Skölj i isopropanol.

3. Patten Transfer

  1. RIE Chamber Cleaning - Ställ flöden av argon och väte till 200 sccm. Strypa ner pumpen via en spjällventil, att uppnå kammartryck av 1 x 10 -1 mBar. Ställ in RF-effekten till 100 W, antända plasman och kör i minst 10 minuter - en DC-förspänning på cirka 700 V bör observeras. Efter avstängning av Ar / H 2 plasma, låt kammaren att pumpa i ca 1 minut. Ställ in flödeshastigheten för syre i kammaren till 200 sccm och åter strypa kammartrycket ner till 1 x 10 -1 mBar. Tänd en andra plasmaav syre med en effekt på 100 W och kördes i 5 minuter. Efter dessa förfaranden, kommer kammaren att vara fria från föroreningar, såsom polymera rester, från någon tidigare torretsning. Vi utför denna procedur före varje förändring i etch recept för att garantera maximal repeterbarhet. Detta förfarande är optimerad för vårt system som består av en parallell-platta, katod laddad, RIE, med en huvudkammare 12 inches i diameter med 14 inches i höjd, inklusive en 12 tums port med både strypventil och turbo-molekylär pump fäst.
  2. Fotoniska kristaller Etsning - ladda provet i RIE huvudkammaren och pumpa ner systemet till en bakgrund tryck av <3 x 10 -6 mBar att säkerställa kammaren är fri från vattenånga. Börja Etch genom förbehandling kammaren med etsning gaser (dvs. CHF 3 och SF 6): Ställ in flödeshastigheten båda gaser till 100 sccm (dvs. ställa en gas förhållande 1:1) och med hjälp av gasen föra kammaren trycket till 5 x 10 -2 mbar bibehålls. En DC-förspänning mellan 200-220 V bör uppnås i hela etsning perioden.
  3. Prov rengöring för att avlägsna kvarvarande elektron känsliga motstånd - efter torretsning, rengör provet genom att skölja i FÖRSIKTIGT 1165 Remover (1165 är brandfarligt och kan orsaka irritation i ögon, näsa och andningsorgan) med ultraljudsomröring för 1-2 minuter, följt av aceton och isopropanol beskrivits ovan (steg 1,2).
  4. Membran Isolering - spin-rock provet med UV känslig fotoresist VARNING Microposit S1818 G2 (S1818 G2 är både brandfarlig och orsakar irritation i ögon, näsa och andningsorgan) (se steg 1,3). Använda en BOKSLUTSDIe fotomask, definiera fönster i resist ovanför fotoniska kristaller mönster med hjälp av UV-masken Aligner. Exponera provet för ca 30-45 sekunder. Utveckla resist i FÖRSIKTIGT Microposit Developer MF-319 (MF-319 är ett alkaliskt vätska och kan orsaka irritation i ögon, näsa och andningsorgan) för 30-45 sekunder, sköljning efteråt i avjoniserat vatten. Förbered en plastbägare med en blandning av FÖRSIKTIG 01:05 Fluorvätesyra (1,1499 g / ml 48-51% HF) (HF är mycket frätande och lätt förstör vävnad vid hantering använda full skyddsutrustning rankade för HF) till avjoniserat vatten. Notera att av säkerhetsskäl endast plastbägare och pincetter bör användas med fluorvätesyra. Sänk provet i Fluorvätesyra blandningen under 15 min. Efter etsning, skölj provet noggrant i avjoniserat vatten. Avlägsna återstående fotoresist med aceton och isopropanol (se steg 1,2) - från detta steg och framåt ultraljudomröring inte kan användas. För att säkerställa att provetär så rena som möjligt, följ aceton och isopropanol tvätta med en sköljning i VARNING Piranha-lösning (Piranha lösning är mycket energisk, explosiv och angriper organiska material, när hantering använda full personlig skyddsutrustning) (3:1 VARNING svavelsyra (svavelsyra är frätande och mycket giftiga, då hantering använder personlig skyddsutrustning och undvika inandning av ångor eller dimma) att varna väteperoxid (väteperoxid är mycket farlig i fall av hud-och ögonkontakt när Hantering Använd personlig skyddsutrustning)) i 5 min , skölj provet i avjoniserat vatten, aceton och isopropanol. Observera att av säkerhetsskäl endast glasbägare och pincetter metall ska användas med Piranha lösningen. Som Piranha-lösning kan explodera i kontakt med aceton eller isopropanol, skall den hanteras från dessa reagens.
  5. Fasett klyva - om att förbereda en fotoniska kristaller långsamt ljus vågledare kräver provet aspekt klyvning. Klyva sample genom att följa samma förfarande som beskrivs i steg 1,1, förutom att en så liten repa som möjligt bör användas. En SOI-chip med ~ 700 nm tjockt substrat tillförlitligt kan klyvas ner till 4-5 mm långa prov.

4. Fotoniska kristaller Långsam ljus Waveguide Karakterisering

  1. Preliminär förbereda installationen - anslut utgången på en VARNING bredband förstärkt spontan emission (ASE) ljuskälla (osynlig IR-strålning: undvika onödiga höga effekter, täcker strålgången om möjligt) till en 3 dB fiber splitter och använda varje av utgångarna till par ljus i de två grenarna av en fri rymd Mach-Zehnder interferometeter (MZI), som visas i figur 9. Använd asfäriska linser för att kollimera ljus från fibrerna. I en av armarna hos interferometern, använda två ytterligare asfäriska linser för att koppla ljusstrålen in och ut ur provet chipet. Placera en polarisationsstråldelare (PBS) i provet armen till TE-polariserar light mata provet. Använd asfäriska linser för att koppla de kollimerade strålarna utgående från båda armarna tillbaka till ett andra 3 dB fiber splitter, där de kommer att rekombinera. Anslut en av utgångarna till en infraröd detektor och använda behandlingen av detektorn för att maximera ljuset kopplingen i provet, anslut den andra utgången till en optisk spektrumanalysator (OSA). De två grenar MZI ska ha ungefär samma optiska längd när i närvaro av provet: se till att fibrerna i de två grenarna av MZI har samma nominella längd och inkluderar en avstämbar fördröjningssteg i referens armen så att för finjustering av dess längd. I provet armen, montera asfäriska linser PÅ xyz precision steg för att få bästa kopplingen i provet.
  2. Justera längd referens arm - koppla ljusstrålen till en tom (dvs. utan fotoniska kristaller) ås vågledare (av samma typ som tillgången vågledare som matar ljus inuti fotonkristallema) wiförtunna samma chip i provet armen. Kör en kontinuerlig skanning på OSA och observera uppmätta våglängden spektra. Om de två grenarna av MZI har ungefär samma optiska längd, Spectra fransar uppvisar på grund av konstruktiv och destruktiv interferens, dessa fransar visas inte om armarna på MZI har mycket olika optiska längder (> ~ cm). Fringe avståndet är omvänt proportionell mot skillnaden i optisk banlängd mellan de två armarna. Flytta fördröjningssteget att referens armen kortare och observera fransar i OSA: om de blir tätare (glesare) är referens armen kortare (längre) än provet armen. Ställ fördröjningssteget att se till att referens armen är kortare än provarmen och resulterar i en frans avstånd av ca 5 till 10 fransar i en 10 nm våglängdsområde (se figur 10a). Slutligen, utföra denna optimering på enheten som ger maximal fördröjning och sedan hålla fördröjningen fast hela mätningenav hela provet.
  3. Kalibrering kör - samtidigt anpassas till den tomma vågledaren köra tre scanningar på OSA: en skanning för störningar spektrum och en skanning för de två armarna separat (erhållen genom att blockera den andra armen). Använd en upplösning på 0,05-0,1 nm. Registrera varje uppmätt spektrum.
  4. Långsam ljus datainsamling - kör och spela tre spektra som i steg 4,3 för varje fotoniska kristaller vågledare på chipet.
  5. Fourier dataanalys - störningen spektrum (interferogrammet) I (ω) är matematiskt uttryckas genom:
    I (ω) = S (ω) + R (ω) + sqrt [S (ω) R (ω)] {exp [iΦ (ω) - iωτ] + CC},
    där S (ω) och R (ω) är de spektrala densiteter mätta separat från provet och armar referens, respektive. Fördröjningen τ bestäms av läget för fördröjningssteget i referens armen. Informationen om dispersionen av fotoniska kristaller vågledaren finns i fassikt, som vi måste utdrag ur mätdata.
    Subtrahera den icke-störande bakgrund S (ω) + R (ω) från interferogrammet att isolera endast den störande sikt. Beräkna Fouriertransformen av den störande sikt: termen sqrt (SR) exp [i (Φ-ωτ)] och dess komplexa konjugat motsvarar toppar centrerade vid t = τ och t =-τ, respektive. Filter numeriskt en av de två villkoren och omvandla tillbaka till frekvensdomänen. Differentiera fasen Φ (ω) - ωτ av erhållna data med avseende på ω få Δτ g skillnaden i gruppen fördröjning mellan de två armarna. Gruppen index n g = c / v g med v g. gruppen hastighet ges av:
    n g = (Δτ g PhC - Δτ g cal) c / L + N cal,
    där Δτ g cal erhålls utifrån kalibreringsdata tagna frOM den tomma vågledaren, L är den fotoniska kristaller vågledarlängden och n cal = 2,7 är det effektiva index för referens åsen vågledaren. Bidraget till fördröjningen från de olika optiska elementen i setup beaktas i kalibreringen sikt och är därför subtraheras i detta steg.
  1. Transmissionskurvan - beräkna transmissionskurvan genom normalisering av provets spektrum av en fotoniska kristaller vågledare än den tomma vågledaren.

5. Fotoniska kristaller Cavity Karakterisering

  1. Inställningar - förberedelse av installationen (figur 14) för RS ingår: byte av utbytbara element till polariserande stråldelaren, sätter en polarisator i input armen samt en analysator i produktionen armen, vända en spegel i sondarmen att tillåta användning av en nära-infraröd källa, tillåter belysningen av provet. Montera provet vertikalt med en 45 ° orientering till axelnav polarisatorn (Figur 18) på en differentiell driven xyz mikro-block och justera mikro-blocket så att provet är i fokus och en hålighet kan ses med kameran, som i figur 15 (vänster). Använda en förstärkt spontan emission (ASE) källa, rikta strålen med mitten av håligheten Figur 15 (till höger). Vänd bort belysningen spegeln och låt den utgående armen för att ange spektrometern (monokromator med bifogad array detektor). Starta en bred avsökning med låg till måttlig upplösning för att identifiera kaviteten topparna. Erhålla grova våglängden för resonans i ASE scan (figur 16a) med en noggrannhet av 1 nm. Det är också möjligt att få den breda sökningen med FÖRSIKTIG inställbar laserkälla (TLS) (Figur 16b) (osynlig IR-strålning: undvika onödiga höga effekter, täcker strålgången om möjligt). Man måste vara noga med att upplösningen är inställd på det högsta värdet för attprova line-bredder varje topp.
  2. Utför högupplösta skanningar på de identifierade toppar - ansluta TLS till ingången arm och dämpa strålen till en mW nivå. Förbered dig för den högupplösta skanningen genom att den utgående armen som tas ut av fotodetektorn och inrätta en kontinuerlig svep skanning med en upplösning på 1 pm för en 2 nm centrerad vid den tidigare funnit resonans våglängd. Betydelsen av detta steg är att förbättra signal-till-brus-förhållande (SNR) i syfte att erhålla en Lorentz-linje formresonans: ändra xyz positionen av mikro-blocket och köra sökningen tills SNR maximeras och linjen-formen är nära den för en Lorentz, såsom visas i det representativa resultatet sektionen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Prov tillverkning

Vårt val av elektron-stråle motstå (dvs ZEP 520A) beror på dess samtidigt hög upplösning och etch motstånd. Vi tror att Zep 520A kan påverkas av UV-ljuset som avges från överliggande laboratorium ljus, som sådan rekommenderar vi att placera spinnbelagda prover i UV ogenomskinliga behållare när du flyttar dem från en laboratorium till ett annat.

Flyttar till definiera fotoniska kristaller mönstret, innan du utsätter provet har vi funnit att låta elektronstrålelitografi för att nöja sig med minst en timme efter laddning minskar snedställning fel under skrivning - det beror på provets scenen och vakuumkammare inte är vid samma temperatur omedelbart efter laddning. Som fotoniska kristaller mönster, tillsammans med tillgång vågledare, kan ta flera timmar att skriva, en liten drift i steget i förhållande till kammaren (även vid endast nanometer per fotoniska kristaller hål) resulterar i teckenificant sömmar och eventuellt mönster fel distorsion med avseende på fotoniska kristaller toleranser. Detta fel är slumpmässiga i naturen, från en exponering till en annan, men kan vara så hög som 100 nm / min (absolut positionsfel), men relativt positionsfel kan dvs mellan en fotoniska kristaller hål till ett annat vara i storleksordningen nanometer, vilket kan ytterligare reduceras genom att öka hastigheten vid vilken mönstret skrivs. Som nämnts dessa frågor kan ytterligare förnekas (dock aldrig helt bort) genom att låta systemet att lösa efter första laddning av provet.

Ar / H 2 plasmaetsning (används för att avlägsna metall och kisel föroreningar genom jonbombardemang) följt av O 2 plasmaetsning (används för att avlägsna polymer och organiskt återstoden genom askning) som beskrivs i avsnitt 3.1 i protokollet definierar en rengöring regim som utvecklats för att kontrollera kontaminering i RIE kammare när etsning av fotoniska spystals - denna rengöring anses, av oss att vara en av de viktigaste stegen i tillverkningen av fotoniska kristaller, rengöring av RIE kammaren är avgörande för repeterbar tillförlitlig tillverkning särskilt som i vårt fall, där RIE inte används uteslutande för etsning av kisel. Ar / H-2 plasma ses förändras från en blå-grå färg (som indikerar en kontaminerad kammare) till en rosa färg (vilket indikerar att kammaren är fri från föroreningar), en 10 min plasma är normalt tillräcklig. O 2 plasman utförs sedan under ytterligare 5-10 min beroende på hur ren kammaren i början av processen (dvs. Ar / H 2 plasma färg). Trots att den tidigare metoden inte har slutgiltigt bevisat finner vi att färgen på plasman visar en användbar indikator för kammarens renlighet. Vi har också funnit att genom förbehandling av etch kammare med kisel etch gaser i 10 minuter resulterar i en mer tillförlitlig process - vi trordetta bero på de etsande gasflödeshastigheter stabiliserande och adsorberas in kammarväggarna under förutsättning perioden.

När under-etsning av provet, för att skapa membran, med användning av fluorvätesyra, måste åtkomst vågledarna skyddas. Om den fluorvätesyra kommer i kontakt med tillgång vågledaren, tränger det genom den nu etsade diket (vardera sidan av vågledaren) och under-etsar tillträde vågledare för hundratals mikrometer. I extrema fall kan tillträde vågledama kan böja och bryta på grund av spänningar, vilket gör en fullständig chip värdelös. Eftersom fluorvätesyra är en isotrop etsmedel, måste etsning tid styras för att förhindra lateral etsning (vinkelrätt mot fotoniska kristaller vågledaren) orsakar membranet att böja på grund av frisättning av stress inneboende kiselskiktet. I extrema fall, kan den överdrivna underetsningsskiktet också orsaka membranet att kollapsa.

Slutligen, skapandet av renfasetter för fri rymd koppling av ljus i fotoniska kristaller vågledare är extremt utmanande. Om repig / klyvs noggrant kommer kisel följer i huvudsak en kristall plan som bildar en bra aspekt (i vår erfarenhet, är tekniker såsom aspekt polering krävs inte). En dålig aspekt kan orsaka stora koppling förluster vid varje aspekt. Vi rekommenderar fullända en klyvning teknik innan du försöker arbeta med viktiga prover. Det är lika viktigt att en gång en bra klyva har uppnåtts fasetterna inte är skadade: provet endast lyftas i två kanterna parallella med vågledare (dvs inte av sidorna slut aspekt av marker). Exempel längder ner till 2-3 mm tillförlitligt kan uppnås med manuell klyver en ~ 700 nm tjockt SOI-chip. För mindre prover, föreslår vi gallring underlaget eller använda en annan klyvning teknik.

Även det protokoll som beskrivs i detta dokument är optimerad för SOI, den allmänna principen bakom Fabricatoder gäller även för tillverkning av produkter till andra halvledare, naturligtvis vid byte från kisel noggrant övervägande av etch-verktyg, etch-kemiska och material mask skulle behöva göras.

Tillverkning protokollet för denna uppsats är optimerad för enheter som riktar sig till ett driftscentrum våglängd på 1.550 nm, har dock enheter också förberedd för Midir (2,7-3,5 nm) regim med tillverkning protokoll baserade på de som presenteras i detta dokument.

Långsam ljusmätningar gruppindex

Betydelsen av gruppindex som den viktigaste parametern för att mäta ljus långsam härrör från dispersionen diagrammet eller bandstruktur ω (k) typiskt används för att beskriva dispersion av en fotoniska kristaller vågledare. 34 Den lokala lutning av dispersionen kurvan ∂ ω / ∂ k motsvarar gruppen hastigheten v g, dvs den hastighet med vilken elektromagnetisktC Energy färdas genom vågledare, som kan ekvivalent beskrivas av gruppen index n g = c / v g.. Värden på ng runt 5 motsvarar den snabba lätta regimen, medan högre värden är vanligtvis anses falla inom i den långsamma ljus regimen.

När man bygger den långsamma ljus MZI installationen är det viktigt att se till att alla fibrerna i de två grenarna av interferometern säkert är knutna till den optiska tabellen, eftersom varje rörelse eller vibration kommer att förändra banlängder att kompromissa med kvaliteten på interferogrammet förvärvet . Av samma skäl bör det avsökta interferogrammet utföras snabbt, eller variationer av fasen kommer att resultera i oönskade svängningar i datagruppen index. De två armar MZI kan också förverkligas helt i fritt utrymme för att undvika fibrer helt, som i Referens 26: a fritt utrymme MZI kommer att vara mer stabil, men också svårare att anpassa.

Beroende påupplösning uppsättning och styrkan i de Fabry-Perot fransar är bestämningen av gruppindex påverkas av stor osäkerhet när fransarna konvergerar mycket hårt. Ställa in fördröjningssteget att initialt ge 4-10 fringes/10 nm, enligt beskrivningen i steg 4,2 i protokollet fungerar bra för fotoniska kristaller vågledare av längder 30-100 nm med relativt höga grupp index upp till n g> 100 för konstruerad långsamma ljusvågledare 35 (se figur 12). För bandkantberäknaren långsam ljus, de maximala mätbara gruppen index tenderar att vara lägre för samma längd, på grund av de högre propagationsförlusterna.

Med en marginell avstånd ~ 4 fringes/10 nm kan vi säkert mäta grupp index upp till nästan 100 även 300 nm lång modifierade vågledare (figur 13). För längre vågledare, fransarna blir mycket tät mycket snabbt, och upplösningen av OSA kommer att begränsa den maximala mätbara gruppindex. Notera dock att FOra fast upplösning och frans avstånd, inte skala den maximala mätbara gruppindex inte linjärt med vågledare längd, och kan också påverkas av utbredningsförlust spridning. Under en mycket lång vågledare, föreslår vi att inkludera bredvid en kort vågledare med samma design specifikt för gruppindex mätning.

Sammanfattningsvis har vi beskrivit en enkel och kraftfull metod för experimentell bestämning av dispersionen egenskaperna hos långsamma ljus fotoniska kristaller vågledare. Vår teknik bygger på en kombination av frekvensdomänen interferometry 23 med Fouriertransformanalys 36 och tillåter en direkt enkelskott, kontinuerlig kartläggning av gruppindex kurvan, utan behov av fördröjning skanningar, 23-24 ickelinjära montering av uppgifter 22 , 25 eller bestämning av position frans extrema. 20-21,25 Genom att använda en bredbandig ljuskälla, kan vi hämta information från provet över en stor wavele ngth intervall, och i ett mycket stabilt och repeterbart sätt. Vi kan mäta gruppens index på över 100 för både korta och måttligt långa vågledare (upp till 200-250 nm), vilka är värden som är mycket högre än vad som krävs för att användbar applikation av långsamma ljusvågledare för att förbättra prestandan hos både linjära och icke-linjära enheter.

Resonant spridning

Fotoniska kristaller hålrum begränsar ljus i planet i två dimensioner, i motsats till fotoniska kristaller vågledare, där ljus styrs i en dimension. Detta möjliggör lagring av ljus inom ultrasmå volymer, vilket beskrivs av en energi förfall, analog-dvs som en elektronisk resonator. I fotoniska system, är detta förfall associerad med fotonen livslängd kaviteten och är av exponentiell form, således resulterande i en Lorentz LineShape av toppen. Förhållandet topp mittvåglängd till full bredd halv-Maximalt representerar Q-faktorn.

jove_content "> En viktig egenskap hos RS tekniken är den polarisationsbevarande egendom installationen och särskilt den höga NA målet. Här ligger problemet med huruvida ha en hög NA (hög avskiljningsgrad) samtidigt som polariseringen, eftersom höga NA mål tenderar att blanda polarisationer. Denna polarisering sammanblandning är ansvarig för små toppar och låga SNR.

När utanför resonans, x-polariserat ljus anländer till håligheten (fig. 18a), är det tillbaka sprids genom objektivet och filtreras ut av stråldelaren / analysator (y-polariserad), så att endast en låg nivå ses vid detektorn. I fallet med polarisation sammanblandning, är en del av x-polariserade ljuset omvandlas till motsatt polarisation och kan passera analysatorn vilket ökar bakgrunden. Om sedan på resonans ljus kopplar till kaviteten, roterar polarisationen för den grundläggande hålrum läge (röd pil i FiGure 18b) och skapar en y-polarisationskomponenten. Detta ljus leds till utgången armen och passerar analysatorn. Återigen kan y-polariserade ljuset omvandlas till den motsatta polarisationen vilket minskar signalnivån. Därför måste ett mål att väljas så att polariseringen sammanblandning hålls på ett minimum.

För extremt höga Q-faktor håligheter, såsom en hetero-struktur hålighet, är den utsända energin lägre. Denna situation kan ytterligare minska SNR och toppen försvinner i ljudnivån. En lock-in-konfiguration bör sedan användas för att sänka ljudnivån, inte bakgrundsnivån, i syfte att utvinna toppen.

Observera att vår setup (Figur 14) är avsedd för multifunktionell hålrum karakterisering, och förutom RS innehåller mikro-fotoluminescens och generering av andra och tredje harmoniska frekvenser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Inga intressekonflikter deklareras.

Acknowledgments

Författarna erkänner tacksamt Dr Matteo Galli, Dr Simone L. Portalupi och professor Lucio C. Andreani från universitetet i Pavia för hjälp diskussioner relaterade till RS tekniken och utförandet av mätningar.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Checoury, X., Han, Z., Boucaud, P. Stimulated Raman scattering in silicon photonic crystal waveguides under continuous excitation. Phys. Rev. B. 82 (4), 041308 (2010).
  12. Y, Photonic crystal nanocavity laser with a single quantum dot gain. Opt. Express. 17 (18), 15975-15982 (2009).
  13. Ellis, B., Mayer, M. A., et al. Ultralow-threshold electrically pumped quantum-dot photonic-crystal nanocavity laser. Nature Photon. 24, 297-300 (2011).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Fan, S., Villeneuve, P. R., Joannopoulos, J. D., Haus, H. A. Channel drop filters in photonic crystals. Opt. Express. 3 (1), 4-11 (1998).
  18. 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).
  19. Nozaki, K., Tanabe, T., et al. Sub-femtojoule all-optical switching using a photonic-crystal nanocavity. Nature Photon. 4, 477-483 (2010).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Akahane, Y., Asano, T., Song, B. -S., Noda, S. High-Q photonic nanocavity in a two-dimensional photonic crystal. Nature. 425, 944-947 (2003).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. O'Faolain, L., Schulz, S. A., et al. Loss engineered slow light waveguides. Opt. Express. 18 (26), 27627-27638 (2010).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).

Tags

Fysik optik och fotonik astronomi ljusspridning ljus optiska vågledare fotonik fotoniska kristaller Slow-ljus håligheter Vågledare kisel SOI Tillverkning karakterisering
Framställning och karaktärisering av fotoniska kristaller Slow ljusvågledare och håligheter
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Reardon, C. P., Rey, I. H., Welna,… More

Reardon, C. P., Rey, I. H., Welna, K., O'Faolain, L., Krauss, T. F. Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities. J. Vis. Exp. (69), e50216, doi:10.3791/50216 (2012).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter