Waiting
Login processing...

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

Engineering

Herstellung und Charakterisierung von Photonic Crystal Langsam Lichtwellenleitern und Hohlräume

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

Summary

Verwendung von photonischen Kristall langsam Lichtwellenleiter und Hohlräume wurde weithin von der Photonik-Community in vielen unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt. Deshalb Herstellung und Charakterisierung dieser Geräte sind von großem Interesse. Dieses Papier umreißt unsere Herstellungstechnik und zwei optische Charakterisierungsmethoden, nämlich: interferometrischen (Wellenleiter) und Resonanzstreuung (Hohlräume).

Abstract

Langsames Licht ist eines der heißen Themen in der Photonik-Gemeinde in den vergangenen zehn Jahren erzeugt großes Interesse sowohl aus fundamentaler Sicht und für sein hohes Potenzial für praktische Anwendungen. Langsames Licht photonischen Kristall-Wellenleiter, insbesondere, haben eine große Rolle gespielt und wurden erfolgreich für die Verzögerung optische Signale 1-4 beschäftigt und die Verbesserung der beiden linearen 5-7 und nichtlineare Geräte. 8-11

Photonischen Kristall Hohlräume zu erreichen ähnliche Effekte, dass von langsamen Lichtwellenleiter, sondern über einen reduzierten Bandbreite. Diese Hohlräume bieten hohe Q-factor/volume Verhältnis zur Realisierung optisch und elektrisch 12 13 gepumpt ultraniedrigem Schwellenwert Laser und die Verbesserung der nichtlineare Effekte. 14-16 Weiteren passive Filter 17 und Modulatoren 18 bis 19 Es wurde gezeigt, ausstellenden ultra-schmale Linienbreite, hohe freie spektrale rOrange und Rekordwerte des geringen Energieverbrauch.

Um diese spannende Ergebnisse zu erreichen, muss ein robustes wiederholbare Herstellung Protokoll entwickelt werden. In diesem Papier nehmen wir eine gründliche Blick auf unsere Fertigung Protokoll, das Elektronenstrahl-Lithographie verwendet für die Definition von photonischen Kristall Muster und nutzt nassen und trockenen Ätzverfahren. Unsere optimierte Fertigung Rezept Ergebnisse in photonischen Kristallen, die nicht von der Vertikalen leiden Asymmetrie und weisen eine sehr gute Kanten-Wandrauhigkeit. Wir diskutieren die Ergebnisse der Variation der Ätzparameter und die schädlichen Wirkungen, die sie auf einer Vorrichtung haben kann, was zu einem diagnostischen Route, die ergriffen werden, um zu identifizieren und zu eliminieren ähnliche Probleme werden kann.

Der Schlüssel zur Auswertung langsam Lichtwellenleiter ist die passive Charakterisierung der Übertragung und Warengruppenverzeichnisses Spektren. Verschiedene Verfahren sind berichtet worden, vor allem die Lösung der Fabry-Perot-Fransen des Transmissionsspektrums eine 20-21d interferometrischen Techniken. 22-25 Hier beschreiben wir einen direkten, Breitband-Messtechnik kombiniert spektrale Interferometrie mit Fourier-Transform-Analyse. 26 Unsere Methode zeichnet sich durch seine Einfachheit und Leistungsfähigkeit, wie wir einen nackten photonischen Kristalls mit Zugang Wellenleiter zu charakterisieren, ohne Notwendigkeit für On-Chip Interferenzkomponenten und des Setup nur aus einem Mach-Zehnder-Interferometer, ohne dass bewegliche Teile und Verzögerung Scans.

Wenn kennzeichnenden Photonenkristall Hohlräumen, Verfahren, bei denen 21 oder internen Quellen externen Wellenleiter direkt an den Hohlraum 27 Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Hohlraums selbst gekoppelt ist, wodurch die Messung verfälschen. Hier beschreiben wir eine neue und nicht-intrusive Technik, die Verwendung einer kreuzpolarisierten Sondenstrahls macht und als Resonanzstreuung (RS), wobei die Sonde aus der Ebene heraus in den Hohlraum durch ein Objektiv gekoppelt ist bekannt. Die Technik wurde erstmals Demonstrationted durch McCutcheon et al. 28 und weiter durch Galli et al. 29

Protocol

Disclaimer: Das folgende Protokoll gibt einen allgemeinen Prozessablauf Abdecken der Herstellung und Charakterisierung Techniken zur photonischen Kristall-Wellenleiter und Hohlräume. Der Prozessablauf ist für die spezifische Ausrüstung in unserem Labor optimiert und Parameter können abweichen, wenn andere Reagenzien oder Geräten verwendet wird.

Ein. Probenvorbereitung

  1. Probe Spalten, - auf die Silizium-auf-Isolator (SOI)-Wafer und Verwendung eines Diamant Schreiber um eine Linie etwa 1-2 mm lang von der Kante der Siliziumoberfläche kratzen, so dass der Kratzer über die Kante des Wafers erstreckt. Richten Sie die Kratzer auf einer geraden Kante (zB die eines Mikroskop-Objektträger) und gelten auch positive Druck auf beide Seiten des Kratzers: der Wafer spalten wird entlang der Kristallebene am Ritz Lage. Wiederholen Sie diesen Vorgang, um den gesamten Chip zu definieren.
  2. Beispiel Reinigung - Legen Sie die Probe in die ACHTUNG Aceton mit einer Pinzette einnd in ein Ultraschallbad für 1-2 min reinigen. Entfernen Sie die Probe aus dem Aceton, spülen alle verbleibenden Aceton aus der Probe mit VORSICHT Isopropanol (30 sec) (beide Aceton und Isopropanol sind leicht entzündlich: Verwenden Sie eine gute Belüftung und vermeiden Sie alle Zündquellen). Trocknen Sie die Probe mit einem sauberen trockenem Stickstoff Pistole.
  3. Spin widerstehen - legen Sie die Probe auf die Spin-Coater. Pipette Elektronen Resistmaterial ACHTUNG ZEP520A (ZEP520A ist entzündlich, gesundheitsschädlich beim Einatmen und Berührung mit der Haut und den Augen sollte vermieden werden) auf die Probe - nutzen Sie genug zu widerstehen, vollständig bedecken die Probe ohne Widerstand fließt über den Rand. Spin die Probe so als ca.. 350 nm dicken Films und Backen auf einer Heizplatte bei 180 ° C für 10 min. Wir fanden diese Dicke die optimale Dicke, die Auflösung und Ätzresistenz gleicht (siehe unten) sein.

2. Pattern Definition

  1. Design - mit der entsprechenden Software, simulieren die erforderliche photonischen Kristall Muster. A number nützliche Software-Pakete zur Verfügung stehen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: MIT Photonic Bands (MPB), Vollwellen (RSoft), MIT Elektromagnetische Equation Propagation (MEEP).
  2. Pattern Generation - schaffen die Exposition Dateien (gds-Format im Allgemeinen) und die Nähe Fehlerkorrektur mittels geeigneter Software 30.
  3. Pattern Exposure - laden Sie die Probe in der Kammer der Elektronenstrahl-Lithographie-System (LEO 1530 / Raith Elphy) und abpumpen. Sobald Vakuum erreicht worden ist, auf der EHT-Speisung einschalten und auf 30 kV. Verlassen das System in diesem Zustand für 1 Stunde, damit die Probe, Bühne und Kammer auf einen Gleichgewichts-Temperatur erreichen. Set-up die Exposition in der Benutzer-Handbuch Ihres speziellen Elektronenstrahl-Lithographie-System angezeigt. Setzen der Probe mit einem geeigneten basischen Schrittgröße (zB 2 nm) (wobei dies die minimale Pixelgröße dass das System freizulegen), eine Einschwingzeit von mindestens 1 ms (wobei dies die Zeit wartet das System zwischen Bewegen des Strahls und Freilegender jeweilige Abschnitt des Musters), und eine Fläche von 55 Dosis μAcm -2.
  4. Probe Entwicklung - mit VORSICHT Xylol (Xylol ist sowohl brennbare und hochtoxische Arbeit in einem gut belüfteten Ort abseits von Zündquellen und vermeiden Sie den Kontakt mit Haut und Augen) bei einer Temperatur von 23 ° C entwickeln die Probe für 45 Sekunden. Spülen in Isopropanol.

3. Patten Übertragung

  1. RIE Chamber Reinigung - Stellen Sie die Flussraten von Argon und Wasserstoff auf 200 sccm. Drosseln die Pumpe über eine Drosselklappe, um Kammerdruck von 1 × 10 -1 mBar erreicht. Stellen Sie die HF-Leistung bis 100 W, entzünden das Plasma und führen für mindestens 10 min - eine DC-Vorspannung von etwa 700 V zu beachten. Nach dem Ausschalten der Ar / H 2-Plasma, ermöglichen die Kammer für etwa 1 min zu pumpen. Die Durchflussrate von Sauerstoff in die Kammer bis 200 sccm und erneut gedrosselt den Kammerdruck auf 1 × 10 -1 mBar. Ignite ein zweites Plasmavon Sauerstoff mit einer Leistung von 100 W und führen für 5 min. Nach diesen Verfahren wird die Kammer frei von Verunreinigungen, wie Polymerresten, von einer früheren Trockenätzung. Wir führen dieses Verfahren vor jeder Änderung Ätzrezept maximale Wiederholgenauigkeit. Diese Prozedur wird für unser System, das aus einem Parallelplatten-, Kathoden-beladenen, RIE besteht optimiert; mit einer Hauptkammer 12 Zoll im Durchmesser von 14 cm in der Höhe, einschließlich eines 12-Zoll-Anschluss sowohl mit Drosselventil und Turbomolekularpumpe befestigt.
  2. Photonic Crystal Etching - laden Sie die Probe in die RIE Hauptkammer und pumpt das System auf einem Hintergrund Druck von <3 × 10 -6 mbar, um sicherzustellen, ist die Kammer frei von Wasserdampf. Beginnen Sie mit dem etch durch Vorkonditionierung der Kammer mit dem Ätzen Gase (nämlich CHF 3 und SF 6): Stellen Sie den Durchfluss der beiden Gase bis 100 sccm (dh gesetzt ein Gas-Verhältnis von 1:1) und mit der Drosselklappe zu bringen die Kammer Druck auf 5 × 10 -2 mbar gehalten wird. Ein DC-Bias zwischen 200-220 V sollte während der Ätzung Zeitraum erreicht werden.
  3. Beispiel Reinigung zu entfernen verbleibenden Elektronen Resist - nach dem Trockenätzen, reinigen Sie die Probe durch Spülen in VORSICHT 1165 Remover (1165 ist brennbar und kann zu Reizungen von Augen, Nase und Atemwege) mit Ultraschallbewegung für 1-2 min, gefolgt von Aceton und Isopropanol wie oben dargelegt (Schritt 1.2).
  4. Membrane Isolation - Spin-Beschichtung der Probe mit UV-empfindlichen Fotolack ACHTUNG Microposit S1818 G2 (S1818 G2 ist sowohl leicht entzündlich und verursacht Reizungen von Augen, Nase und Atemwege) (siehe Schritt 1,3). Verwendung eines MITTELANSAe Photomaske definieren Fenster innerhalb des über den photonischen Kristall-Muster mit dem UV Mask Aligner zu widerstehen. Setzen Sie die Probe für etwa 30-45 sek. Entwickeln des Resists in VORSICHT Microposit Entwickler MF-319 (MF-319 ist eine alkalische Flüssigkeit und kann zu Reizungen von Augen, Nase und Atemwege verursachen) für 30-45 sec, Spülen danach in entionisiertem Wasser. Bereiten Sie einen Kunststoffbecher mit einer Mischung aus Vorsicht 01.05 Flusssäure (1,1499 g / ml 48-51% HF) (HF ist stark ätzend und leicht zerstört Gewebe, beim Umgang mit voller persönlicher Schutzausrüstung für HF bewertet verwenden), um de-ionisiertem Wasser. Beachten Sie, dass aus Sicherheitsgründen nur Plastikbecher und Pinzette mit Flusssäure verwendet werden soll. Tauchen Sie die Probe in der Flusssäure Mischung für 15 min. Nach dem Ätzen, spülen Sie die Probe gründlich in entionisiertem Wasser. Entfernen der restliche Photolack unter Verwendung von Aceton und Isopropanol (siehe Schritt 1.2) - aus dieser Stufe und weiter Ultraschallbewegung nicht verwendet werden kann. Um die Probe zu gewährleistenist so sauber wie möglich, folgen Sie dem Aceton und Isopropanol waschen mit einem in VORSICHT Piranha-Lösung (Piranha-Lösung ist sehr energisch, explosionsfähige und greift organische Stoffe, beim Umgang mit vollen persönlichen Schutzausrüstung) (3:1 VORSICHT Schwefelsäure (Schwefelsäure spülen Säure ist ätzend und sehr giftig, beim Umgang mit persönlichen Schutzausrüstung und das Einatmen von Dämpfen oder Nebeln) zu Wasserstoffperoxid VORSICHT (Wasserstoffperoxid ist sehr gefährlich im Falle von Haut-und Augenkontakt, beim Umgang mit persönlichen Schutzausrüstung)) für 5 min , dann spülen Sie die Probe in entionisiertem Wasser, Aceton und Isopropanol. Beachten Sie, dass aus Sicherheitsgründen nur Bechergläser und Metall-Pinzette mit dem Piranha-Lösung verwendet werden. Als Piranha Lösung in Kontakt mit Aceton oder Isopropanol explodieren kann, sollte es sich von diesen Reagenzien behandelt werden.
  5. Facet Spalten, - wenn die Vorbereitung eines photonischen Kristalls langsam Lichtwellenleiter erfordert die Probe Facette Spaltung. Cleave das sample durch Befolgen der gleichen Prozedur wie in Schritt 1.1 dargestellt, wobei jedoch so klein wie möglich zu einem Kratzer verwendet werden sollte. Ein SOI-Chip mit ~ 700 um dicken Substrat zuverlässig gespalten werden bis zu 4-5 mm lange Proben.

4. Photonic Crystal Slow-Lichtwellenleiter Charakterisierung

  1. Vorläufige Vorbereitung des Setup - Verbinden Sie den Ausgang eines VORSICHT Breitband verstärkten spontanen Emission (ASE) Lichtquelle (unsichtbare IR-Strahlung: unnötige hohe Leistungen decken Strahlengang wenn möglich) zu einem 3 dB Faser-Splitter und nutzen jede der Ausgänge Koppeln von Licht in die beiden Arme eines Freiraum-Mach-Zehnder interferometeter (MZI), wie in 9 gezeigt. Asphärische Linsen zu verwenden, um die Lichtabgabe von den Fasern zu kollimieren. In einer der Arme des Interferometers, verwenden zwei zusätzliche asphärische Linsen zur Kopplung des Lichtstrahls in die und aus der Probe-Chip. Legen Sie ein Polarisationsstrahlteiler (PBS) in der Probe Arm TE-polarisieren die light Eingabe der Probe. Verwenden asphärische Linsen zur Kopplung der kollimierten Strahlen von beiden Arme nach hinten in einen zweiten 3 dB Faser-Splitter, wo sie rekombinieren. Verbinden einer der Ausgänge auf einen Infrarot-Detektor und mit der Ablesung des Detektors um die Lichtkopplung in der Probe zu maximieren; das andere Ausgang an einen optischen Spektrumanalysator (OSA). Die beiden Arme des MZI sollte in etwa die gleiche optische Länge aufweist, wenn in Gegenwart von der Probe: sicherstellen, dass die Fasern in den beiden Armen des MZI die gleiche nominale Länge haben und umfassen einen abstimmbaren Verzögerungsstufe im Referenzarm zu erlauben zur Feineinstellung seiner Länge. In der Probe Arm, montieren Sie die asphärischen Linsen auf xyz Präzisionstische die beste Kupplung in der Probe zu erhalten.
  2. Passen Referenzarmlänge - Kopplung des Lichtstrahls auf einen Rohling (dh ohne photonischen Kristall) Stegwellenleiter (von der gleichen Art wie der Zugangspunkt, dass Futter Wellenleiter Licht in den photonischen Kristallen) wiverdünnen den gleichen Chip in der Probe Arm. Führen Sie einen kontinuierlichen Scan auf der OSA und beobachten die gemessene Wellenlänge Spektren. Wenn die beiden Arme des MZI etwa die gleiche optische Länge, die Spektren zeigen Fransen aufgrund konstruktiver und destruktiver Interferenz, wobei diese Streifen wird nicht angezeigt, wenn die Arme des MZI sehr unterschiedlichen optischen Längen (> ~ cm) haben. Die Streifenabstand ist umgekehrt proportional zu der Differenz der optischen Weglänge zwischen den beiden Teilen. Bewegen Sie den Verzögerungsstufe um die Referenzarm kürzer und beobachten die Fransen in der OSA: wenn sie dichter (spärlicher) zu werden, ist der Verweis Arm kürzer (länger) als die Probe Arm. Stellen Sie die Verzögerungsstufe um sicherzustellen, dass der Referenzarm kürzer als der Probenarm und Ergebnisse in einem Streifenabstand von etwa 5 bis 10 Fransen in einer 10 nm Wellenlängenbereich (siehe Abbildung 10a). Schließlich führen diese Optimierung auf dem Gerät, die die maximale Verzögerung sorgt und dann halten die Verzögerung während der Messung festder gesamten Probe.
  3. Eichlauf - noch auf dem leeren Wellenleiter ausgerichtet sind, laufen drei Abtastungen des OSA: eine für die Interferenz-Spektrum und eine Abtastung für jedes der zwei Arme getrennt (erhalten durch Blockierung der andere Arm). Verwenden Sie eine Auflösung von 0,05-0,1 nm. Notieren Sie jedes gemessene Spektrum.
  4. Langsames Licht Datenerfassung - ausführen und aufnehmen drei Spektren wie in Schritt 4.3 für jeden photonischen Kristall-Wellenleiter auf dem Chip.
  5. Fourier Datenanalyse - das Störspektrum (Interferogramm) I (ω) wird mathematisch ausgedrückt durch:
    I (ω) = S (ω) + R (ω) + sqrt [S (ω) R (ω)] {exp [iΦ (ω) - iωτ] + cc}
    wobei S (ω) und R (ω) die Spektraldichte getrennt von der Proben-und Referenzarme gemessen. Die Verzögerung τ wird durch die Position der Verzögerungsstufe im Referenzarm eingestellt. Die auf der Dispersion des photonischen Kristall-Wellenleiters ist in der Phase enthaltenenBegriff, den wir aus den gemessenen Daten zu extrahieren müssen.
    Subtrahieren die nicht störenden Hintergrund S (ω) + R (ω) aus dem Interferogramm, nur den störenden Begriff isolieren. Berechnen der Fouriertransformierten des störenden Begriff: Der Begriff sqrt (SR) exp [i (Φ-ωτ)] und seine komplexe Konjugat an Peaks bei t = τ entsprechen zentriert und t =-τ sind. Filtern numerisch einem der beiden Begriffe und verwandeln zurück in den Frequenzbereich. Differenzieren der Phase Φ (ω) - ωτ der resultierenden Daten mit Bezug auf ω um Δτ g, der Unterschied in der Gruppenlaufzeit zwischen den beiden Teilen zu erzielen. Die Gruppe g Index n = c / v g, mit v g die Gruppengeschwindigkeit, ist gegeben durch:
    n g = (Δτ g PhC - Δτ g cal) c / L + n cal,
    wo Δτ g cal wird aus den Kalibrierdaten übernommen fr erhaltenom der Rohling Wellenleiter, L die Photonenkristall Wellenleiterlänge und n cal = 2.7 ist der effektive Index des Referenz Rippenwellenleiters. Der Beitrag zu der Verzögerung aus den einzelnen optischen Elementen der Einrichtung berücksichtigt wird in der Kalibrierlauf genommen, und wird daher in diesem Schritt subtrahiert.
  1. Transmissionskurve - Berechnung der Transmissionskurve durch Normieren des Probenspektrums eines photonischen Kristall-Wellenleiter zu der des Rohlings Wellenleiters.

5. Photonic Crystal Cavity Charakterisierung

  1. Setup - die Vorbereitung des Setups (Abb. 14) für RS umfasst: Schalten der austauschbare Element der polarisierenden Strahlteiler; Einfügen eines Polarisators in das Eingabefeld Arm sowie ein Analysator in der Ausgabe Arm; drehen einen Spiegel in die Sonde arm um die Verwendung eines Nah-Infrarot-Quelle zu ermöglichen; erlauben die Beleuchtung der Probe. Montieren Sie die Probe vertikal mit einem 45 °-Orientierung zur Achseder Polarisator (Abbildung 18) auf ein Differential angetriebenen xyz Mikroorganismen blockieren und Einstellen der Mikro-Block, so daß die Probe im Fokus ist und einen Hohlraum kann mit der Kamera gesehen werden, wie in 15 (links). Verwendung einer verstärkten spontanen Emission (ASE)-Quelle, Ausrichten des Strahls mit der Mitte des Hohlraums 15 (rechts). Flip entfernt die Beleuchtung Spiegel und damit die Ausgabe Arm des Spektrometers (Monochromator mit angeschlossenem Array-Detektor) eingeben. Starten Sie eine breite Scan mit einem niedrigen bis mäßigen Auflösung, um die Kavität Gipfel zu identifizieren. Erhalten der groben Wellenlänge der Resonanz in der ASE-Scan (Abbildung 16a) mit einer Genauigkeit von 1 nm aufweist. Es ist auch möglich, das breite Scan mit VORSICHT abstimmbare Laserquelle (TLS) (Abbildung 16b) (unsichtbare IR-Strahlung: unnötige hohe Leistungen decken Strahlengang wenn möglich) zu erwerben. Man muss darauf achten, dass die Auflösung auf den höchsten Wert eingestellt ist, umprobieren Sie die Linienbreiten von jedem Gipfel.
  2. Führen Sie hochauflösende Scans auf den identifizierten Peaks - verbinden Sie die TLS an den Eingang Arm und dämpfen den Strahl auf einen mW Ebene. Vorbereitung der Auflösungsscan indem der Ausgang Arm durch den Photodetektor erfasst werden und zur Schaffung eines kontinuierlichen Sweep-Scan mit einer Auflösung von 1 pm für ein 2 nm-Bereich bei der vorher gefundenen Resonanzwellenlänge zentriert. Die Bedeutung dieses Schrittes ist, um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu verbessern mit dem Ziel, eine Lorentz-Linie-shape resonance erhalten: Ändern der xyz-Position des Mikro-Block und erneut ausführen, bis die Abtastung der SNR wird maximiert und die Linie-Form ist nahe dem von einer Lorentz, wie in der repräsentativen Folge Schnitt dargestellt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Beispiel Herstellung

Unsere Wahl der Elektronenstrahl-Resist (dh ZEP 520A) ist aufgrund seiner gleichzeitig hoher Auflösung und Ätzresistenz. Wir glauben, dass ZEP 520A durch die UV-Licht von oben Labor Lichter emittiert beeinträchtigt sein kann; als solches empfehlen wir Platzierung Spin-beschichteten Proben in UV undurchsichtigen Behältern beim Verschieben von einem Labor zum anderen.

Bewegen auf Definieren des photonischen Kristalls Muster, vor Aussetzen der Probe haben wir gefunden, dass es dem Elektronenstrahl-Lithographiesystem, für mindestens eine Stunde nach der Beladung reduziert absetzen Fehlausrichtung Fehler beim Schreiben - dies aufgrund der Probenbühne ist und nicht Vakuumkammer ist bei der gleichen Temperatur sofort nach dem Laden. Als Photonenkristall Mustern zusammen mit Zugang Wellenleiter, kann mehrere Stunden dauern, zu schreiben, einen kleinen Drift in der Stufe relativ zu der Kammer (auch bei nur Nanometern pro Photonenkristall Loch) führt Vorzeichenificant Nähten und möglicherweise Musterverzerrung Fehler bezüglich Photonenkristall Toleranzen. Dieser Fehler ist zufälliger Natur, von einer Belichtung zur nächsten, kann aber so hoch wie 100 nm / min (absolute Positionsfehler), jedoch relativen Lagefehler, dh zwischen einem photonischen Kristall in ein anderes Loch in der Größenordnung von Nanometern liegen, welche kann durch Erhöhung der Geschwindigkeit, mit der das Muster geschrieben reduziert werden. Wie bereits erwähnt diese Fragen weiter negiert werden (obwohl nie vollständig entfernt), indem das System nach dem ersten Laden der Probe zu begleichen.

Das Ar / H 2-Plasma-Ätzung (verwendet, um Metall und Silizium Verunreinigungen durch Ionenbeschuß zu entfernen) durch O 2 Plasmaätzung (verwendet zur Entfernung von Polymer und organische Rückstand durch Plasmaveraschung) gefolgt in Abschnitt 3.1 beschriebenen Protokoll definieren eine Reinigung Behandlungsschema das entwickelt wurde, um eine Verunreinigung innerhalb der RIE Kammer zu steuern beim Ätzen des photonischen crystals - diese Reinigung betrachtet wird, von uns zu einer der wichtigsten Schritte bei der Herstellung von photonischen Kristall Vorrichtungen sein, die Reinigung der Kammer RIE ist ausschlaggebend für die Herstellung besonders zuverlässige wiederholbare wie in unserem Fall, wenn die RIE ist nicht ausschließlich für die verwendeten Ätzen von Silizium. Die Ar / H 2-Plasma ist zu sehen von einer blau-grauen Farbe (Angabe eines verunreinigten Kammer) auf eine rosa Farbe (die anzeigt, dass die Kammer frei von Verunreinigungen ist) ändern; a 10 min Plasma ist in der Regel ausreichend. Der O 2-Plasma erfolgt dann für eine weitere 5-10 min in Abhängigkeit von der Reinheit der Kammer zu Beginn des Prozesses (dh Ar / H 2-Plasma Farbe) durchgeführt. Obwohl die bisherigen Verfahren nicht schlüssig nachgewiesen werden wir feststellen, dass die Farbe des Plasmas ein nützlicher Indikator für die Kammer Sauberkeit beweist. Wir haben auch herausgefunden, dass durch Vorkonditionierung der Ätzkammer mit den Siliziumätzung Gase für 10 min führt zu einer zuverlässigeren Prozess - wir glaubendies darauf zurückzuführen sein, die Flussraten Ätzgas Stabilisieren und wobei in den Kammerwänden während der Voraussetzung Zeitraum adsorbiert.

Wenn unter-Ätzen der Probe, um Membranen zu schaffen, mit Flusssäure, müssen die Zugangsdaten Wellenleiter geschützt werden. Wenn der Fluorwasserstoffsäure in Kontakt mit dem Anschluss-Wellenleiter, dringt es durch die jetzt geätzten Graben (auf jeder Seite des Wellenleiters) und unter-ätzt die Zugangspunkte Wellenleiter für Hunderte von Mikrometer. In extremen Fällen die Zugangsdaten Wellenleiter kann sich verbiegen und brechen aufgrund von Spannungen, wodurch eine komplette Chip unbrauchbar. Wie Fluorwasserstoffsäure ist eine isotrope Ätzmittel, muss die Ätzzeit gesteuert werden, um seitliche Ätzung (senkrecht zu der Photonenkristall-Wellenleiter) aus verhindern, wodurch sich die Membran zu biegen aufgrund der Beanspruchung der intrinsischen Siliziumschicht freizusetzen. In extremen Fällen kann die übermäßige Unterätzen auch bewirken, dass die Membran zu kollabieren.

Schließlich ist die Schaffung von sauberemFacetten für die Freiraum-Kopplung von Licht in die Photonischer-Kristall-Wellenleiter ist extrem schwierig. Wenn verkratzten / gespalten sorgfältig, Silizium folgen im Wesentlichen eine Kristallebene bilden einen guten Facette (in unserer Erfahrung, Techniken wie Facette Polieren sind nicht erforderlich). Eine schlechte Facette kann zu großen Koppeln Verluste bei jeder Facette. Wir empfehlen Perfektionierung eine Spaltung Technik, bevor Sie mit wichtigen Proben arbeiten. Ebenso ist es zwingend notwendig, dass einmal eine gute spalten erreicht wurde die Facetten nicht beschädigt: Die Probe sollte nur aufgehoben Verwendung der zwei Kanten parallel zu den Wellenleitern (dh nicht durch den Endfacette Seiten des Chips) werden. Probe Längen bis zu 2-3 mm zuverlässig mit manueller Spaltung eines ~ 700 um dicken SOI-Chip erreicht werden. Für kleinere Proben, empfehlen wir das Verdünnen des Substrats oder eine andere Spaltung Technik.

Obwohl das Protokoll in diesem Papier skizzierten für SOI, das allgemeine Prinzip hinter dem fabrica optimiertmethoden sind auch für die Herstellung von Vorrichtungen in anderen Halbleitern gültige natürlich beim Wechsel von Silicium sorgfältiger etch-Werkzeug, Etch-Chemien und Maskenmaterialien müsste erfolgen.

Die Herstellung Protokoll dieses Papier für Geräte bei einem Betriebsdruck Mittenwellenlänge von 1.550 nm gezielte optimiert ist, haben jedoch Geräte auch für die Midir (2,7-3,5 um) Regime mit der Herstellung Protokolle auf die in diesem Papier vorgestellt wurde vorbereitet.

Langsames Licht Warengruppenverzeichnisses Messungen

Die Bedeutung des Gruppenindex als Hauptparameter zu langsames Licht messen stammt aus der Dispersion Diagramm oder Bandstruktur ω (k) typischerweise verwendet, um die Dispersion eines photonischen Kristall-Wellenleiters beschrieben. 34 Die lokale Neigung der Dispersionskurve ∂ ω / ∂ k entspricht der Gruppengeschwindigkeit v g, dh die Geschwindigkeit, bei der das elektromagnetischc Energie wandert durch den Wellenleiter, die äquivalent durch die Gruppe Index n g = c / v g beschrieben werden kann. Werte von etwa 5 ng des schnellen Lichtregime entsprechen, während höhere Werte typischerweise werden als innerhalb des langsamen Lichtregime fallen.

Beim Bau des langsames Licht MZI Setup ist es wichtig, um sicherzustellen, dass alle Fasern der beiden Arme des Interferometers sicher mit dem optischen Tisch gebunden, da jede Bewegung oder Vibration die Weglängen Kompromisse bei der Qualität des Interferogramms Übernahme verändern wird . Aus dem gleichen Grund sollte die Abtastung des Interferogramms schnell durchgeführt werden, oder Schwankungen der Phase in unerwünschte Schwingungen der Gruppenindex Daten führen. Die beiden Arme des MZI kann auch vollständig in den freien Raum zu Fasern insgesamt zu vermeiden realisiert werden, wie in Referenzbeispiel 26: ein Freiraum-MZI wird stabiler, aber auch mehr schwierig auszurichten.

Abhängig von derAuflösung eingestellt und die Stärke des Fabry-Perot-Fransen, wird die Bestimmung des Gruppenindex von großen Unsicherheit behaftet, wenn die Streifen sehr dicht annähern. Einstellen der Verzögerungsstufe um anfänglich geben 4-10 fringes/10 nm, wie in Schritt 4.2 des Protokolls beschrieben, eignet sich gut für photonische Kristall-Wellenleiter von Längen 30-100 um mit relativ hoher Gruppe Indizes, bis zu n g> 100 für konstruiert langsam Lichtwellenleiter 35 (siehe Abbildung 12). Für Bandkanntenpilottöne langsames Licht, neigen die maximal messbare Gruppe Indizes niedriger zu sein für die gleiche Länge haben, aufgrund der höheren Ausbreitungsverluste.

Mit einem Streifenabstand von ~ 4 fringes/10 nm sind wir in der Lage, zuverlässig zu messen-Indizes bis zu fast 100 auch in 300 um lang entwickelt Wellenleiter (Abbildung 13). Für längere Wellenleiter, werden die Fransen sehr dicht sehr schnell, und die Auflösung des OSA wird die maximal messbare Warengruppenverzeichnisses begrenzen. Man beachte jedoch, dass fora feste Auflösung und Streifenabstand, wird die maximal messbare Warengruppenverzeichnisses nicht linear Wellenleiterlänge und kann auch durch Ausbreitungsverlust Dispersion beeinflusst werden. Für eine sehr lange Wellenleiter, schlagen wir vor, daneben eine kurze Wellenleiter mit identischen Design speziell für Gruppen-Index-Messung enthalten.

Zusammenfassend haben wir eine einfache und leistungsfähige Methode zur experimentellen Bestimmung der Dispersion Eigenschaften langsames Licht photonischen Kristall-Wellenleiter beschrieben. Unsere Technik basiert auf der Kombination der Frequenzdomäne Interferometrie 23 mit Fouriertransformationsanalyse 36 und ermöglicht eine direkte, Single-Shot, kontinuierliche Abbildung der Gruppenindex Kurve, ohne dass Verzögerung Scans, 23-24 nichtlinearen Anpassung der Daten 22 , 25 bzw. Bestimmung der Position der Extrema Fransen. 20-21,25 Durch die Verwendung einer breitbandigen Lichtquelle, sind wir in der Lage, Informationen aus der Probe zu extrahieren über einen großen wavele nge Bereich, und in einem sehr stabilen und wiederholbaren Weise. Wir können Indizes Gruppe von mehr als 100 für kurze oder mäßig lange Wellenleiter (bis 200-250 um), die Werte sind wesentlich höher als die für die nützliche Anwendung von langsamen Lichtwellenleiter zum Verstärken der Leistung der erforderlichen Messung sowohl lineare als auch nichtlineare Vorrichtungen.

Resonanzstreuung

Photonenkristall Hohlräume confine Licht in der Ebene in zwei Dimensionen, im Gegensatz zu photonischen Kristall-Wellenleiter, wo Licht in einer Dimension geführt wird. Dies ermöglicht die Speicherung von Licht innerhalb ultrakleine Mengen, die durch eine Energie Zerfall beschrieben wird, analog zu der eines elektronischen Resonator dh. In photonischen Systemen wird dieser Zerfall mit dem Photonenlebensdauer der Kavität verbunden und ist der exponentielle Form, also was zu einer Lorentz-Linienform der Spitze. Das Verhältnis der Peak-Mittenwellenlänge der Full-Width Half-Maximum stellt die Q-Faktor.

jove_content "> Ein wichtiges Merkmal der RS ​​Technik ist die polarisationserhaltende Eigentum der Einrichtung und vor allem, dass die hohe NA Ziel. Hier liegt das Problem mit der Kompatibilität mit einer hohen NA (hohe Abscheideleistung) unter Beibehaltung der Polarisation, weil hohen NA Ziele tendenziell Polarisationen mischen. Diese Polarisierung Durchmischung ist für kleine Spitzen und niedrige SNR.

Wenn das außerhalb der Resonanz, x-polarisiertem Licht bei den Hohlraum (18a) ankommt, wird sie durch das Objektiv zurück gestreuten und durch den Strahlteiler /-Analysator (y-polarisiert), so daß nur ein niedriges Niveau an gesehen wird filtriert der Detektor. Im Falle der Polarisation Durchmischung wird ein Teil der x-polarisierte Licht in die entgegengesetzte Polarisation umgewandelt und können den Analysator gelangen somit Erhöhung der Hintergrund. Wenn dann on-resonance Licht Paare in den Hohlraum, dreht sich die Polarisation für die grundlegende Resonatormode (roter Pfeil in Figure 18b) und schafft eine y-Polarisationskomponente. Dieses Licht wird dem Ausgang gerichtet Arm und übergibt den Analysator. Wiederum kann das y-polarisierte Licht in die entgegengesetzte Polarisation wodurch die Signalpegel umwandeln. Daher muss ein Ziel, so gewählt, dass die Polarisierung Durchmischung auf einem Minimum gehalten wird.

Für ultra-hohem Q-Faktor Hohlräume, z. B. ein Hetero-Struktur Hohlraum ist die abgestrahlte Leistung geringer. Diese Situation könnte sich weiter verringern die SNR und die Spitze verschwindet in der Geräuschpegel. Ein Lock-in-Konfiguration sollte dann verwendet, um den Rauschpegel, nicht die Hintergrundpegel zu senken, um den Spitzenwert zu erholen.

Beachten Sie, dass unser Setup (Abbildung 14) für multifunktionale Hohlraum Charakterisierung dient, und zusätzlich zu RS umfasst Mikro-Photolumineszenz und die Erzeugung der zweiten und dritten harmonischen Frequenzen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Acknowledgments

Die Autoren danken Dr. Matteo Galli, Dr. Simone L. Portalupi und Prof. Lucio C. Andreani von der Universität von Pavia für hilfreiche Diskussionen im Zusammenhang mit der RS ​​Technik und die Durchführung von Messungen.

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

Physik Optics and Photonics Astronomie Lichtstreuung Lichtdurchlässigkeit optische Wellenleiter Photonik Photonische Kristalle Slow-light Hohlräume Wellenleiter Silicon SOI Herstellung Charakterisierung
Herstellung und Charakterisierung von Photonic Crystal Langsam Lichtwellenleitern und Hohlräume
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