Waiting
Login processing...

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

Engineering

ייצור ואפיון של מנחי גלים פוטוניים Crystal להאט את האור וחללים

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

Summary

שימוש בגלבו פוטוניים גביש להאט את האור וחללי האומצה באופן נרחב על ידי קהילת פוטוניקה ביישומים רבים שונים. לכן ייצור ואפיון של התקנים אלה הם עניין רב. מאמר זה מתאר טכניקת הייצור שלנו ושתי שיטות אפיון אופטיות, דהיינו: פיזור interferometric (גלבו) ותהודה (עששת).

Abstract

אור האיטי היה אחד הנושאים החמים ביותר בקהילת פוטוניקה בעשור האחרון, שהניב עניין רב הן מנקודת מבט בסיסית ולפוטנציאל הרב שלה ליישומים מעשיים. גלבו גביש להאט את האור פוטוניים, בפרט, שחק תפקיד מרכזי ולהיות מועסקים בהצלחה לעיכוב אותות אופטיים 1-4 והשיפור של שני המכשירים 5-7 וקויים ליניארי. 8-11

חללי גבישים פוטוניים להשיג אפקטים דומים לזה של גלבו אור האיטי, אבל על רוחב פס מופחת. חללים אלו מציעים יחס Q-factor/volume גבוה, למימוש אופטי וחשמלי 12 13 נשאבים לייזרי סף נמוכים במיוחד והשיפור של אפקטים לא לינארית. 14-16 יתר על כן, מסננים פסיביים 17 ומאפננים 18-19 הוכחו, מציג קו רוחב r-Ultra צר, גבוה חופשי רפאיםערכי Ange ושיא של צריכת אנרגיה נמוכה.

כדי להשיג את התוצאות הללו המרגשים, פרוטוקול ייצור דיר איתן חייב להיות מפותח. במאמר זה אנו לוקחים מבט מעמיק בפרוטוקול הייצור שלנו, אשר מעסיק יתוגרפיה אלומת אלקטרונים להגדרת דפוסי גבישים פוטוניים ומשתמש בטכניקות תחריט יבשות ורטובות. התוצאות שלנו מותאמות ייצור המתכון בגבישים פוטוניים שאינם סובלים ממצב אנכי סימטריה ולהציג חספוס טוב מאוד קצה קיר. אנחנו דנים בתוצאות של משתנה פרמטרי התחריט ואת ההשפעות מזיקות שהם יכולים להיות על מכשיר, מה שמוביל למסלול אבחון שניתן לנקוט על מנת לזהות ולמנוע בעיות דומות.

המפתח להערכת גלבו אור האיטי הוא האפיון הפסיבי של שידור וספקטרום ראשי קבוצה. שיטות שונות כבר דיווח, בעיקר פתרון שולי פברי פרו של ספקטרום השידור 20-21טכניקות ד interferometric. 22-25 כאן, אנו מתארות טכניקה ישירה, פס רחבה מדידת שילוב interferometry רפאים עם ניתוח התמרה פורה 26. השיטה שלנו בולטת לפשטות ולכח שלה, כפי שאנו יכולים לאפיין גבישים פוטוניים חשופים עם הגישה גלבו, ללא צורך עבור רכיבים על שבב הפרעות, וההתקנה מורכב רק interferometer מאך-Zehnder, ללא צורך בחלקים נעים וסריקות עיכוב.

כאשר חללי אפיון פוטוניים גביש, טכניקות מעורבות מקורות פנימיים או 21 בגלבו חיצוני מצמידים ישירות ל27 השפעת החלל על ביצועים של החלל עצמו, ובכך מעוות את המדידה. כאן, אנו מתארים שיטה חדשנית ולא פולשנית שעושה שימוש בקרן אור מקוטבת בדיקה הצולבת והוא ידוע כפיזור תהודה (RS), שבו החללית יחד מחוץ למטוס אל תוך החלל דרך אובייקטיבי. הטכניקה הייתה הראשון demonstraטד על ידי Mccutcheon אח' 28. ופיתוח נוסף על ידי גלי ואח' 29.

Protocol

הצהרה: הפרוטוקול הבא נותן זרימת תהליך כללית המכסה את טכניקות ייצור ואפיון לגלבו גבישים פוטוניים וחללים. תזרים התהליך הוא מותאם לציוד הספציפי הזמין במעבדה שלנו, ופרמטרים יכולים להיות שונים אם ריאגנטים או ציוד אחרים בשימוש.

1. לדוגמא הכנה

  1. בקיעה דוגמה - תיקח הרקיק סיליקון על המבודד (SOI) ולהשתמש בסופר יהלומים לגרד קו כ 1-2 מ"מ ארוך מקצה משטח סיליקון, ולהבטיח כי השריטה משתרעת מעבר לקצה של פרוסות סיליקון. יישר המאפס לקצה ישר (למשל זה של שקופית מיקרוסקופ) ולהפעיל לחץ חיובי גם על שני הצדדים של השריטה: רקיק רצון לדבוק במישור הגביש במיקום השריטה. חזור על תהליך זה כדי להגדיר כל השבב.
  2. ניקוי מדגם - מקום המדגם לאצטון הזהירות באמצעות פינצטהnd לנקות באמבטיה אולטרסאונד ל1-2 דקות. הסר את המדגם מאצטון; לשטוף כל אצטון שנותר מהמדגם באמצעות הזהירות isopropanol (30 שניות) (גם אצטון וisopropanol דליקים: להשתמש אוורור טוב ולהימנע מכל מקורות ההצתה). ייבש את המדגם באמצעות אקדח חנקן נקי ויבש.
  3. ספין להתנגד - למקם את המדגם על ספין coater. פיפטה אלקטרונים רגישים להתנגד זהירות ZEP520A (ZEP520A הוא חומר דליק, מזיק בשאיפה ובמגע עם עור ועיניים יש להימנע) על המדגם - להשתמש להתנגד כדי לכסות לחלוטין המדגם מספיק בלי להתנגד זורם מעבר לקצה. ספין המדגם כדי לתת כ. סרט 350 ננומטר עבה ואופה על פלטה חמה ב 180 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות. מצאנו את זה כדי להיות עובי העובי האופטימלי שמאזן רזולוציה והתנגדות לחרוט (ראה בהמשך).

2. הגדרת דפוס

  1. עיצוב - שימוש בתוכנה מתאימה, לדמות את דפוס הגבישים פוטוניים הנדרש. קההאה של חבילות תוכנה שימושיות זמינים, כולל אך לא מוגבל ל: MIT להקות פוטוניים (MPB), FullWAVE (RSoft), ריבוי משוואה אלקטרומגנטית (MIT MEEP).
  2. דור דפוס - יצירת קבצים בפורמט החשיפה (GDS באופן כללי) ושגיאת קירבה נכונה באמצעות תוכנה מתאימה 30.
  3. חשיפת דפוס - לטעון את הדגימה לבית הבליעה של המערכה ליתוגרפיה קרן אלקטרונים (LEO 1530 / Raith Elphy) ולשאוב למטה. ברגע שהושג ואקום, לעבור על אספקת EHT ולהגדיר עד 30 קילו וולט. השאר את המערכת במצב הזה לשעה 1 כדי לאפשר את המדגם, ובמה קאמרית להגיע טמפרטורת שיווי משקל. הגדרת החשיפה כפי שצוין במדריך למשתמש של המערכת הספציפית שלך קרן האלקטרונים ליתוגרפיה. לחשוף את המדגם באמצעות גודל מתאים בסיסי צעד (2 ננומטר למשל) (זה להיות בגודל פיקסל המינימאלי שהמערכת יכולה לחשוף), זמן התישבות של לפחות 1 MS (זה שהזמן שהמערכת ממתינה בין נע הקרן והחשיפהחלק המסוים של הדפוס), ומנת שטח של 55 μAcm -2.
  4. פיתוח לדוגמה - באמצעות קסילן זהירות (קסילן הוא גם עבודה דליקה ורעילה ביותר באזור מאוורר היטב הרחק ממקורות הצתה ולהימנע ממגע עם עור ועיניים) בטמפרטורה של 23 מעלות צלזיוס לפתח את המדגם עבור 45 שניות. שטוף בisopropanol.

3. פאטן העברה

  1. ניקוי קאמרי רי - הגדר את הספיקות של ארגון והמימן עד 200 SCCM. לחנוק את המשאבה, באמצעות שסתום פרפר, כדי להשיג לחץ קאמרי של 1 × 10 -1 mbar. הגדר את כוח RF עד 100 ואט, להצית את הפלזמה ולרוץ ללפחות 10 דקות '- הטיה של כ DC צריך להיות שנצפה 700 וולט. אחרי שכיבה את אר / H 2 הפלזמה, לאפשר הקאמרי לשאוב כ 1 דקות. הגדר את קצב זרימת החמצן לתוך התא עד 200 SCCM ושוב לחנוק לחץ הקאמרי עד 1 × 10 -1 mbar. Ignite פלזמה 2של חמצן עם עצמה של 100 ואט ולהפעיל למשך 5 דקות. לאחר הליכים אלה, החדר יהיה נקי מחומרים מזהמים, כמו שאריות פולימר, מכל לחרוט יבש קודם. אנו מבצעים הליך זה לפני כל שינוי במתכון לחרוט כדי להבטיח דירות מרביות. הליך זה הוא מותאם למערכת שלנו שמורכבת ממקבילת צלחת, קתודה טעונה, רי; עם 12 סנטימטרים קאמריים עיקריים בקוטר של 14 סנטימטרים לגובה, כולל נמל 12 אינץ עם שניהם שסתום ויסות ומשאבה טורבו מולקולרית המצורפת.
  2. תחריט גבישים פוטוניים - לטעון את המדגם אל החדר הראשי ורי ולשאוב את המערכת עד ללחץ רקע <3 × 10 -6 mbar כדי להבטיח את החדר הוא ללא אדי מים. תתחיל לחרוט על ידי מיזוג מראש החדר עם גזי תחריט (כלומר CHF 3 ו 6 SF): להגדיר את קצב הזרימה של שני הגזים עד 100 SCCM (כלומר להגדיר יחס גז של 1:1) ושימוש במצערת מביא הקאמרי לחץ 5 × 10 -2 mbar נשמר. הטית DC בין 200-220 V צריכה להיות מושגת בכל תקופת התחריט.
  3. מדגם ניקוי להסרה נותרה אלקטרונים רגישים להתנגד - לאחר תחריט יבש, לנקות את המדגם על ידי השטיפה בזהירות מסיר 1165 (1165 הם חומר דליקים, ויכולים לגרום לגירוי עיניים, אף ודרכי נשימה) עם תסיסה אולטרסאונד ל1-2 דקות, ואחריו אצטון וisopropanol כפי שתואר לעיל (שלב 1.2).
  4. בידוד ממברנה - ספין מעייל המדגם עם תמונה רגישה UV להתנגד Microposit זהירות S1818 G2 (G2 S1818 הוא גם דליק וגורם לגירוי בעיניים, במערכת נשימה ואף) (ראה שלב 1.3). שימוש appropriatהדואר photomask, להגדיר חלונות בתוך להתנגד מעל דפוסי גבישים פוטוניים באמצעות aligner המסכה UV. לחשוף את המדגם עבור כ 30-45 שניות. לפתח להתנגד בזהירות Microposit מפתחי MF-319 (MF-319 הם נוזל בסיסי ויכולים לגרום לגירוי עיניים, אף ודרכי נשימה) עבור 30-45 שניות, לאחר מכן שטיפה במי דה מיוננים. הכן כוס פלסטיק עם תערובת של חומצת זהירות 1:05 הידרופלואורית (1.1499 גרם / המ"ל 48-51% HF) (HF הוא מאוד מאכל וקלות הורסת רקמות, כאשר טיפול להשתמש בציוד מגן אישי מלא לדורג HF) לionised דה מים. שימו לב שמטעמי בטיחות יש להשתמש רק ספלים ומלקטי פלסטיק עם חומצה הידרופלואורית. הצף את המדגם בתערובת החומצה הידרופלואורית במשך 15 דקות. לאחר תחריט, לשטוף ביסודיות במי המדגם דה מיוננים. הסר את נותרי צילום להתנגד באמצעות אצטון וisopropanol (ראה שלב 1.2) - מהשלב הזה והלאה התסיסה הקולית לא ניתן להשתמש בו. כדי להבטיח את המדגםכלנקות ככל האפשר, בצע אצטון ולשטוף isopropanol עם השטיפה בתמיסת Piranha זהירות (פתרון פיראנה הוא מאוד אנרגטי, נפיץ ותוקף חומרים אורגניים, כאשר טיפול להשתמש בציוד מגן אישי מלא) (3:01 חומצה גופרתית זהירות (גופרתי חומצה היא חומר מאכלת ורעילה מאוד, כאשר טיפול להשתמש בציוד מגן אישי ולהימנע משאיפת אדים או תרסיס) להזהיר את מי חמצן (מי חמצן הוא מאוד מסוכן במקרה של מגע עם עור ועיניים, כאשר טיפול להשתמש בציוד מגן אישי)) למשך 5 דקות , ולאחר מכן לשטוף במי המדגם, אצטון דה המיונן וisopropanol. שימו לב שמטעמי בטיחות בלבד גביעי זכוכית ופינצטה מתכת יש להשתמש בפתרון Piranha. כפתרון Piranha יכול להתפוצץ במגע עם אצטון או isopropanol, זה צריך להיות מטופל מהחומרים כימיים האלה.
  5. בקיעת פן - אם מכין מוליך גל גבישים פוטוניים איטי אור, המדגם דורש היצמדות פן. קליב sample ידי ביצוע ההליך אותו כפי שמתואר בשלב 1.1, אלא שכפי ששריטה קטנה ככל האפשר, צריך להיות בשימוש. שבב SOI עם מצע ~ 700 מיקרומטר עבה ניתן מבוקע מהימן 4-5 דוגמאות ארוכות מ"מ.

4. אפיון גבישים פוטוניים איטי מוליך גל אור

  1. הכנה ראשונית של ההתקנה - לחבר את הפלט של פס רחב זהירות המוגברת מקור אור (קרינת IR בלתי נראית: להימנע מסמכויות גבוהות מיותרות, לכסות נתיב קרן במידת ההאפשר) פליטה ספונטנית (ASE) למפצל 3 dB סיבים ולהשתמש בכל אחת מהיציאות ל זוג אור לשתי הזרועות של מרחב חופשי מאך-Zehnder interferometeter (MZI), כפי שמוצג באיור 9. להשתמש בעדשות אספריים לcollimate תפוקת האור מהסיבים. באחת מזרועותיו של interferometer, השתמש בשתי עדשות אספריים נוספות לזוג קרן אור ובמתוך שבב המדגם. הנח קיטוב קרן ספליטר (PBS) בזרוע מדגם TE-לקטב lighלא מזין את המדגם. להשתמש בעדשות אספריים לזוג קורה פלט collimated משני הזרועות חזרה ל2 3 dB סיבים ספליטר, שבו הם יהיו recombine. חבר את אחד מהיציאות לגלאי אינפרא אדום ושימוש בקריאה של הגלאי כדי למקסם את צימוד האור לתוך המדגם; להתחבר פלט האחר למנתח ספקטרום אופטי (OSA). שתי הזרועות של MZI צריכות בערך באותו אורך אופטי כאשר בנוכחות המדגם: לוודא שהסיבים בשתי זרועות של MZI יש אותו האורך הנומינלי וכוללים שלב עיכוב מתכונן בזרוע ההתייחסות כדי לאפשר להתאמה מדויקת של אורכו. בזרוע המדגם, לעגן את העדשות אספריים על שלבי XYZ דיוק להשיג את הצימוד הטוב ביותר למדגם.
  2. התאם אורך זרוע ייחוס - זוג קרן האור (כלומר, ללא גבישים פוטוניים) מוליך גל רכס ריק (מאותו הסוג כגישת גלבו שאור הזנה בתוך הגבישים פוטוניים) wiלדלל אותו השבב בזרוע המדגם. הפעל סריקה רציפה על OSA ולבחון את ספקטרום אורכי הגל הנמדד. אם שתי הזרועות של MZI יש בערך באותו אורך אופטי, בשולי ספקטרה התערוכה עקב התערבות בונה והרסנית; השולים האלה לא יופיעו אם זרועותיו של MZI יש אורכים אופטיים שונים מאוד (> ~ סנטימטר). המרווח השולי עומד ביחס הפוך לשינוי באורך נתיב אופטי בין שתי זרועות. הזז את שלב העיכוב על מנת להפוך את זרוע ההתייחסות קצרה ולבחון את השולים בOSA: אם הם נעשים צפופים יותר (דלילים), זרוע ההתייחסות היא קצרה יותר (ארוך יותר) מן זרוע המדגם. הגדר את שלב העיכוב לוודא שזרוע ההתייחסות היא יותר קצרה מזרוע המדגם והתוצאות במרווח שולי של כ 5-10 שולים בטווח אורכי גל 10 ננומטר (ראה איור 10a). לבסוף, לבצע אופטימיזציה של זה במכשיר שמספק את העיכוב המרבי ולאחר מכן לשמור על העיכוב קבוע לאורך כל המדידהשל כל המדגם.
  3. כיול לרוץ - ועדיין מיושר על מוליך הגל הריק, לרוץ 3 סריקות על OSA: סריקה אחת לקשת ההפרעות וסריקה אחת עבור כל אחת משתי הזרועות נפרדות (המתקבל על ידי חסימת היד השנייה). השתמש ברזולוציה של 0.05-0.1 ננומטר. להקליט כל ספקטרום נמדד.
  4. רכישת נתוני אור איטית - לרוץ ולהקליט 3 ספקטרום כמו בשלב 4.3 עבור כל מוליך גל גבישים פוטוניים על גבי השבב.
  5. פורה ניתוח נתונים - ספקטרום ההפרעות (interferogram) אני (ω) בא לידי ביטוי מבחינה מתמטית על ידי:
    אני (ω) = S (ω) + R (ω) + sqrt [S (ω) R (ω)] {exp [iΦ (ω) - iωτ] + סמ"ק},
    בי S (ω) ו-R (ω) הם צפיפויות הרפאים נמדדו בנפרד מהמדגם וזרועות התייחסות, בהתאמה. עיכוב τ מוגדר על ידי מיקומו של שלב העיכוב בזרוע הייחוס. המידע על הפיזור של מוליך גל הגבישים פוטוניים כלול בשלבטווח, שאנחנו חייבים לחלץ מהנתונים שנמדדו.
    חיסור אינו מפריע רקע S (ω) + R (ω) מinterferogram לבודד רק את מונח ההפרעה. חשבתי את ההתמרה הפורה של המונח מפריע: sqrt הטווח (SR) exp [i (Φ-ωτ)] והצמוד המורכב שלה מתאים לפסגות המרוכזים בt = τ וt =-τ, בהתאמה. סנן מספרי אחד משני התנאים ולהפוך לראש תחום התדר. להבדיל שלב Φ (ω) - ωτ של את הנתונים המתקבל ביחס לω להשיג Δτ גרם, ההבדל בעיכוב קבוצה בין שתי זרועות. קבוצת הראשים n = ג ז / נ גרם, עם v גרם מהירות חבורה, ניתן על ידי:
    n = g (Δτ גרם PHC - Δτ גרם קלוריות) ג / L + n קלוריות,
    בי Δτ גרם cal מתקבל מנתוני הכיול נלקחו frאום מוליך הגל הריק, L הוא אורך מוליך גל הגבישים פוטוניים וn cal = 2.7 הוא המדד האפקטיבי של מוליך גל רכס ההפניה. התרומה לעיכוב מהאלמנטים האופטיים השונים של ההתקנה נלקחת בחשבון בטווח הכיול, ולכן נגרעה בשלב זה.
  1. עקומת הולכה - לחשב את עקומת שידור על ידי נרמול ספקטרום המדגם של מוליך גל גבישים פוטוניים לזה של מוליך הגל הריק.

5. אפיון חלל גבישים פוטוניים

  1. התקנה - הכנת תכנית ההתקנה (איור 14) לRS כוללת: מיתוג של אלמנט ההחלפה למפצל האלומה המקטבת; החדרת polariser בזרוע הקלט כמו גם מנתח בזרוע הפלט; להפוך למראה זרוע החללית כדי לאפשר את השימוש במקור קרוב אינפרא האדום; לאפשר התאורה של המדגם. הר המדגם אנכי עם נטיית 45 מעלות לצירשל המקטב (איור 18) בהפרש מונע xyz מייקרו לחסום ולהתאים את בלוק מייקרו כך שהמדגם הוא בפוקוס והחלל ניתן לראות עם המצלמה, כמו באיור 15 (משמאל). שימוש במקור פליטה מוגברת ספונטנית (ASE), ליישר את הקורה עם מרכז חלל איור 15 (ימין). להעיף משם את מראה התאורה ולאפשר זרוע הפלט להיכנס ספקטרומטר (monochromator עם גלאי מערך מצורפים). התחל סריקה רחבה עם רזולוציה נמוכה עד בינוני על מנת לזהות את פסגות החלל. השג את אורך הגל הגס של התהודה בסריקת ASE (16a איור) עם דיוק של 1 ננומטר. כמו כן ניתן לרכוש את הסריקה הרחבה עם מקור זהירות מתכונן ליזר (TLS) (איור 16b) (קרינת IR בלתי נראית: להימנע מסמכויות גבוהות מיותרות, לכסות נתיב קרן במידת ההאפשר). האדם צריך להיות זהיר, כי הרזולוציה מוגדרת לערך הגבוה ביותר כדילטעום את קו הרוחב של כל שיא.
  2. לבצע סריקות ברזולוציה גבוהה על הפסגות המזוהות - לחבר את TLS לזרוע הקלט ולעמעם את הקורה לרמת mW. היכון לסריקה ברזולוציה הגבוהה על ידי מתן זרוע הפלט שתיגבה על ידי photodetector והקמת סריקת סריקה רציפה עם רזולוציה של 1 pm לטווח 2 ננומטר המרוכז באורך גל התהודה מצא בעבר. חשיבותו של צעד זה היא לשפר את יחס אות לרעש (SNR) במטרה להשיג תהודה הלורנצי קו צורה: לשנות את מיקום xyz של בלוק מייקרו והסריקה מחדש לרוץ עד SNR מוגדל וקו הצורה היא קרובה לזה של הלורנצי, כפי שהוצג בסעיף תוצאת הנציג.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ייצור מדגם

הבחירה של אלומת אלקטרונים להתנגד (כלומר Zep 520A) שלנו היא בשל הרזולוציה הגבוהה שלו בו זמנית וההתנגדות לחרוט. אנו מאמינים כי 520A Zep עשוי להיות מושפע מאור UV הנפלט מנורות מעבדה עיליות; ככזה אנו ממליצים להניח את דגימות ספין מצופים במיכלים אטומים UV תוך הזזתם ממעבדה אחת לשנייה.

התקדמות להגדרת דפוס הגבישים פוטוניים, לפני חשיפת המדגם שמצאנו שמאפשרים למערכת יתוגרפיה אלומת האלקטרונים להסתפק לפחות שעה לאחר ההעמסה מפחיתה טעויות אי - יישור במהלך כתיבה - זה בשל שלב הדגימה ותא ואקום לא להיות באותה הטמפרטורה מייד לאחר טעינה. כדפוסי גבישים פוטוניים, יחד עם הגישה גלבו, עשוי להימשך מספר שעות כדי לכתוב, סחיפה קטנה בשלב יחסית לקאמרי (אפילו בננומטרים בלבד כל חור גבישים פוטוניים) תוצאות בסימןתפרי ificant ואולי שגיאות דפוס עיוות ביחס לטולרנסים גבישים פוטוניים. שגיאה זו היא אקראית בטבע, מחשיפה אחד למשנו, אבל יכולה להיות גבוהה כמו 100 ננומטר / min (שגיאה מיקומית מוחלטת) אולם שגיאה, יחסית תפקיד, כלומר בין חור גביש 1 פוטוניים למשנו יכול להיות בסדר הגודל של ננומטר, שניתן להפחית עוד יותר על ידי הגדלת המהירות שבו התבנית שכתובה. כפי שהוזכר נושאים אלה ניתן שללו נוספים (אם כי מעולם לא הוסר לחלוטין) על ידי המאפשר למערכת ליישוב לאחר טעינת המדגם הראשון.

אר / H 2 לחרוט הפלזמה (המשמש להסרת מזהמי מתכת וסיליקון באמצעות הפגזת יון) ואחריו O 2 לחרוט פלזמה (המשמש להסרה של פולימר ושאריות אורגניות באמצעות הפלזמה ashing) תוארה בסעיף 3.1 לפרוטוקול מגדירה את משטר ניקוי שפותח כדי לשלוט בזיהום בתוך תא רי כאשר תחריט CR פוטונייםystals - ניקוי זה נחשב, על ידי שאהיה אחד מהצעדים החשובים ביותר בייצור של מכשירי גבישים פוטוניים, ניקוי של רי הקאמרי הוא בעל חשיבות עליונה לייצור אמין דיר במיוחד כמו במקרה שלנו שבו רי אינו משמש אך ורק ל תחריט של סיליקון. אר / H 2 הפלזמה ראתה לשנות מצבע כחול אפור (המציין קאמרי מזוהם) לצבע ורוד (המציין כי הקאמרי היא ללא מזהמים); פלזמת 10 דקות מספיקה בדרך כלל. O 2 הפלזמה אז בוצעה עבור 5-10 דקות נוספות בהתאם לניקיון של החדר בתחילת התהליך (כלומר 2 צבע Ar / H פלזמה). למרות שהשיטה הקודמת לא הוכחה סופית אנו מוצאים כי הצבע של הפלזמה מוכיח מדד שימושי לניקיון חדר. יש לנו גם מצאו כי על ידי מיזוג מראש לחרוט קאמרי עם הגזים לחרוט סיליקון למשך 10 דקות בתוצאות תהליך אמין יותר - אנחנו מאמיניםזה יהיה בשל שיעורי זרימת גז התחריט ומייצבים שadsorbed שלקירות החדרים בתקופת התנאי מוקדם.

כאשר תחת התחריט-המדגם, כדי ליצור קרום, באמצעות חומצה הידרופלואורית, בגלבו הגישה חייב להיות מוגן. אם החומצה הידרופלואורית באה במגע עם מוליך גל הגישה, זה חודר דרך התעלה עכשיו החרוטה (כל צד של מוליך הגל) וסרים לחורטים את בגלבו הגישה למאה מיקרומטר. במקרים קיצוניים בגלבו הגישה יכול לכופף ולשבור בשל לחצים, עיבוד שבבים מלאים חסרי תועלת. כחומצה הידרופלואורית היא איכול איזוטרופי, זמן התחריט חייב להיות מבוקר כדי למנוע איכול לרוחב (בניצב למוליך גל הגבישים פוטוניים) מגרימת הקרום לכופף בשל שחרור מהמתחים הפנימיים בשכבת סיליקון. במקרים קיצוניים, תחת לחרוט מוגזם יכול לגרום גם הקרום לקרוס.

לבסוף, יצירה נקיההיבטים לצימוד חופשי המרחב של אור לתוך גלבו גבישים פוטוניים הם מאתגרים ביותר. אם גרד / דבק בזהירות, סיליקון יהיה למעשה בצע מטוס גביש יוצר פן טוב (מהניסיון שלנו, טכניקות כגון ליטוש פן לא חובה). היבט רע יכול לגרום להפסדי צימוד גדולים בכל היבט. אנו ממליצים שכלול טכניקת ביקוע לפני שתנסה לעבוד עם דגימות חשובות. באותה מידת הכרח שברגע שידבק טוב הושג ההיבטים אינם פגומים: המדגם רק צריך להיות מורם באמצעות שני קצוות מקבילים לגלבו (כלומר לא על ידי צדדי היבט הקצה של השבב). אורכי דוגמה למטה ל2-3 מ"מ ניתן להשיג באופן אמין עם מדריך לביקוע של שבב SOI עבה ~ 700 מיקרומטר. לדגימות קטנות, אנו ממליצים דילול המצע או להשתמש בטכניקת ביקוע שונה.

למרות שהפרוטוקול המפורט בנייר זה הוא מותאם לSOI, העיקרון הכללי מאחורי Fabricaשיטות tion תקפות גם עבור הייצור של התקני מוליכים למחצה אחרים, כמובן בעת ​​שינוי מבחינה זהירה של סיליקון-chemistries לחרוט לחרוט-כלי, וחומרי מסכה היית צריכות להתבצע.

פרוטוקול הייצור של נייר זה הוא מותאם למכשירים ממוקדים באורך גל מרכז הפעלה של 1,550 מיילים ימיים, אולם התקנים יש גם מוכנים למידיר (2.7-3.5 מיקרומטר) המשטר באמצעות פרוטוקולי ייצור המבוססים על אלה שהוצגו במאמר זה.

להאט מדידות ראשי קבוצת אור

המשמעות של מדד הקבוצה כפרמטר המרכזי למדידת אור איטי נובעת מתרשים הפיזור או ω מבנה הלהקה (יא) משמש בדרך כלל כדי לתאר את הפיזור של מוליך גל גבישים פוטוניים. 34 המדרון המקומי של עקומת פיזור ∂ ω / ∂ k מתאים לקבוצת מהירות v גרם, כלומר המהירות שבה electromagnetiג האנרגיה עוברת דרך מוליך הגל, אשר יכולה להיות מתואר באופן שקול על ידי קבוצת ראשי n = ג ז / נ גרם. ערכים של ng בערך 5 מתאימים לאור המשטר המהיר, בעוד ערכים גבוהים נחשבים בדרך כלל ללנפול בתוך באור המשטר האיטי.

כאשר בונים תכנית התקנת MZI אור האיטית, חשוב לוודא שכל הסיבים של שתי זרועות של interferometer קשורים היטב לשולחן האופטי, כמו כל תנועה או רטט תשנה את אורכי הנתיב להתפשר על האיכות של רכישת interferogram . מאותה הסיבה, הסריקה של interferogram צריכה להתבצע במהירות, או תנודות של השלב תגרומנה לתנודות בלתי רצויות של נתוני המדד הקבוצתי. יכולות להיות גם הבינה את שתי זרועותיו של MZI לחלוטין במרחב חופשי, כדי למנוע סיבים לגמרי, כמו בעיון 26: מרחב חופשי MZI תהיה יציב יותר, אך גם קשה יותר ליישר.

בהתאםסט רזולוציה ואת כוחו של שולי פברי פרו, קביעת מדד הקבוצה מושפע אי ודאות גדולה כאשר השולים להתכנס בצורה הדוקה. הכין את הקרקע לעיכוב בתחילה לתת 4-10 fringes/10 ננומטר, כמפורט בשלב 4.2 של הפרוטוקול, עובד היטב עבור גלבו גבישים פוטוניים באורכי 30-100 מיקרומטר עם מדדים גבוהים יחסית בקבוצה, עד n גרם> 100 למהונדסים גלבו איטי אור 35 (ראה איור 12). לאור איטי להקת קצה, המדדים המדידים המרביים הקבוצה נוטים להיות נמוך יותר עבור אותו האורך, בשל הפסדי ההתפשטות הגבוהות יותר.

עם מרווח בין שולים ~ 4 fringes/10 ננומטר אנו מסוגלים לאמוד באופן מהימן מדדים קבוצתיים עד כמעט 100 גם ב300 מיקרומטר בגלבו מהונדס ארוך (איור 13). לגלבו הארוך יותר, בשולים הפכו צפופים מאוד מאוד מהר, והרזולוציה של OSA תגביל מדד קבוצת המדידה המרבי. שים לב, עם זאת, כי foרזולוציה קבועה ra ומרווח שולי, מדד קבוצת המדידה המרבי אינו קנה המידה ליניארי עם אורך מוליך גל, ויכולות גם להיות מושפע מפיזור אובדן התקדמות. למוליך גל ארוך מאוד, אנו ממליצים לכלול לידו מוליך גל קצר עם עיצוב זהה במיוחד למדידת ראשי קבוצה.

לסיכום, יש לנו תארנו שיטה פשוטה ורב עצמה לאופן ניסויי את מאפייני הפיזור של גלבו גביש האיטי אור פוטוניים. הטכניקה שלנו מבוססת על שילוב של interferometry תדירות של 23 בתחום הניתוח התמר 36 ומאפשרת מיפוי ישיר, חד ירייה, רציף של עקומת ראשי הקבוצה, ללא צורך בסריקות עיכוב, התאמה קוית 23-24 מתוך 22 נתונים , 25 או קביעת עמדת extrema שולים. 20-21,25 באמצעות מקור אור בפס רחב, אנו מסוגלים לחלץ מידע מהמדגם מעל wavele גדול מגוון ngth, ובאופן מאוד יציב וניתן לשחזור. אנו יכולים למדוד מדדים קבוצתיים העולה על 100 לגלבו הוא קצר ובינוני באורכה (עד 200-250 מיקרומטר), שהם ערכים גבוהים בהרבה מאלו הנדרשים ליישום השימושי של גלבו אור האיטי לשיפור ביצועים של שניהם לינארית ולא קוי התקנים.

פיזור תהודה

חללי אור גבישים פוטוניים להגביל במטוס בשני ממדים, בניגוד לגלבו גבישים פוטוניים, שבו האור הנחה בממד אחד. זה מאפשר אחסון של אור בתוך כרכים קטנים במיוחד, אשר תוארו על ידי דעיכת אנרגיה, אנלוגיים לכלומר זה של מהוד אלקטרוני. במערכות פוטוניים, ריקבון זה קשור לחי פוטון של החלל ושל צורה מעריכית, ולכן כתוצאה מכך lineshape הלורנצי של השיא. היחס של אורך גל המרכז לשיא חצי המרבי מלא רוחב מייצג את Q-הגורם.

jove_content "> תכונה חשובה של טכניקת RS הוא רכוש שמירה על הקיטוב של ההתקנה ובמיוחד זה של אובייקטיבי NA הגבוה. כאן טמון בעיה עם התאימות של בעל NA גבוה (אוסף יעילות גבוהה), תוך שמירה על הקיטוב, כי יעדי NA גבוהים נוטים לערבב קיטובים. ערבוב קיטוב זה הוא אחראי לפסגות קטנות וSNR הנמוך.

כאשר מחוץ לתהודת האור, x-המקוטב מגיע לחלל (איור 18 א), הוא מפוזר חזרה דרך אובייקטיבי וסונן על ידי קרן המפצל / מנתח (y-מקוטב), כך שרק ברמה נמוכה נתפסת ב הגלאי. במקרה של ערבוב קיטוב, חלק מהאור המקוטב x-מומר לקיטוב ההפוך ויכול לעבור את המנתח וכך להגדיל את הרקע. אם אז זוגות אור על התהודה לחלל, הקיטוב מסתובב למצב הבסיסי החלל (חץ אדום בFigure 18 ב ') ויוצר מרכיב y-קיטוב. אור זה מופנה לזרוע הפלט ועובר נתח. שוב, האור y-המקוטב יכול להמיר לקיטוב ההפוך וכך להקטין את רמת האות. לכן, מטרה צריכה להיבחר כך שערבוב קיטוב נשמר ברמה מינימאלית.

עבור חללים גבוהים במיוחד ש-פקטור, כגון חלל הטרו מבנה, הכח הנפלט הוא נמוך יותר. מצב זה עוד יותר יכול להפחית את יחס האות לרעש והשיא נעלם ברמת הרעש. נעילה בתצורה אז יש להשתמש כדי להפחית את רמת הרעש, לא ברמת הרקע, כדי לשחזר את השיא.

שים לב שההגדרה שלנו (איור 14) מיועדת לאפיון חלל רב שימושי, ובנוסף לRS-photoluminescence כולל מייקרו והדור השניים ושלישיים תדרים הרמוניים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין ניגודי האינטרסים הכריזו.

Acknowledgments

החוקרים מכירים תודה ד"ר התאו גאלי, ד"ר סימון L. Portalupi ופרופ 'לוסיו ג Andreani מאוניברסיטת פביה לדיונים מועילים הקשורים לטכניקת RS וביצוע המדידות.

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

פיסיקה גיליון 69 אופטיקה ופוטוניקה אסטרונומיה פיזור אור העברת אור גלבו האופטי Photonics גבישים פוטוניים איטית קלה עששת מנחי גלים הסיליקון SOI ייצור אפיון
ייצור ואפיון של מנחי גלים פוטוניים Crystal להאט את האור וחללים
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