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.

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 <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol> 2. Pattern Definition <ol><li> 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). </li><li> Pattern Generation - schaffen die Exposition Dateien (gds-Format im Allgemeinen) und die Nähe Fehlerkorrektur mittels geeigneter Software 30. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol> 3. Patten Übertragung <ol><li> 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. </li><li> Photonic Crystal Etching - laden Sie die Probe in die RIE Hauptkammer und pumpt das System auf einem Hintergrund Druck von &lt;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 <sup&gt; -2 mbar; damit die Gase um mindestens 10 min fließen. Nach Vorkonditionierung, die RF-Leistung auf etwa 20 W und Zünden eines Plasmas; Ätzen der Probe für etwa 2 min (die Ätzrate von Silicium für diesen Ätzparameter beträgt ca. 150 nm / min), während sichergestellt wird, dass ein Kammerdruck von 5 × 10 -2 mbar gehalten wird. Ein DC-Bias zwischen 200-220 V sollte während der Ätzung Zeitraum erreicht werden. </li><li> 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). </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol> 4. Photonic Crystal Slow-Lichtwellenleiter Charakterisierung <ol><li> 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. </li><li> 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 (&gt; ~ 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. </li><li> 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. </li><li> Langsames Licht Datenerfassung - ausführen und aufnehmen drei Spektren wie in Schritt 4.3 für jeden photonischen Kristall-Wellenleiter auf dem Chip. </li><li> 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. </li></ol><ol start="6"><li> Transmissionskurve - Berechnung der Transmissionskurve durch Normieren des Probenspektrums eines photonischen Kristall-Wellenleiter zu der des Rohlings Wellenleiters. </li></ol> 5. Photonic Crystal Cavity Charakterisierung <ol><li> 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. </li><li> 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. </li></ol>

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F., Houdr&#233;, R., Oesterle, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Finely+resolved+transmission+spectra+and+band+structure+of+two-dimensional+photonic+crystals+using+emission+from+InAs+quantum+dots.">Finely resolved transmission spectra and band structure of two-dimensional photonic crystals using emission from InAs quantum dots.</a> Phys. Rev. B. 59 (3), 1649-1652 (1999).</li><li>Inan&#231; Tarhan, I., Zinkin, M. P., Watson, G. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interferometric+technique+for+the+measurement+of+photonic+band+structure+in+colloidal+crystals.">Interferometric technique for the measurement of photonic band structure in colloidal crystals.</a> Opt. 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F., McNab, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Active+control+of+slow+light+on+a+chip+with+photonic+crystal+waveguides.">Active control of slow light on a chip with photonic crystal waveguides.</a> Nature. 438, 65-69 (2005).</li><li>Gomez-Iglesias, A., O'Brien, D., O'Faolain, L., Miller, A., Krauss, T. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+measurement+of+the+group+index+of+photonic+crystal+waveguide+via+Fourier+transform+spectral+interferometry.">Direct measurement of the group index of photonic crystal waveguide via Fourier transform spectral interferometry.</a> Appl. Phys. Lett. 90 (26), 261107 (2007).</li><li>Akahane, Y., Asano, T., Song, B. -. S., Noda, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-Q+photonic+nanocavity+in+a+two-dimensional+photonic+crystal.">High-Q photonic nanocavity in a two-dimensional photonic crystal.</a> Nature. 425, 944-947 (2003).</li><li>McCutcheon, M. W., Rieger, G. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Resonant+scattering+and+second-harmonic+spectroscopy+of+planar+photonic+crystal+microcavities.">Resonant scattering and second-harmonic spectroscopy of planar photonic crystal microcavities.</a> Appl. Phys. Lett. 87 (22), 221110 (2005).</li><li>Galli, M., Portalupi, S. L., Belotti, M., Andreani, L. C., O'Faolain, L., Krauss, T. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light+scattering+and+Fano+resonances+in+high-Q+photonic+crystal+nanocavities.">Light scattering and Fano resonances in high-Q photonic crystal nanocavities.</a> Appl. Phys. Lett. 94 (7), 71101 (2009).</li><li>W&#195;est, R., Strasser, P., Jungo, M., Robin, F., Erni, D., J&#252;ckel, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+efficient+proximity-effect+correction+method+for+electron-beam+patterning+of+photonic-crystal+devices.">An efficient proximity-effect correction method for electron-beam patterning of photonic-crystal devices.</a> Microelectron Eng. 67-68, 182-188 (2003).</li><li>Tanaka, Y., Asano, T., Akahane, Y., Song, B. -. S., Noda, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theoretical+investigation+of+a+two-dimensional+photonic+crystal+slab+with+truncated+cone+air+holes.">Theoretical investigation of a two-dimensional photonic crystal slab with truncated cone air holes.</a> Appl. Phys. Lett. 82 (11), 1661 (2003).</li><li>Asano, T., Song, B. -. S., Noda, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+the+experimental+Q+factors+(~+1+million)+of+photonic+crystal+nanocavities.">Analysis of the experimental Q factors (~ 1 million) of photonic crystal nanocavities.</a> Opt. Express. 14 (5), 1996-2002 (2006).</li><li>O'Faolain, L., Schulz, S. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Loss+engineered+slow+light+waveguides.">Loss engineered slow light waveguides.</a> Opt. Express. 18 (26), 27627-27638 (2010).</li><li>Joannopoulos, J. D., Johnson, S. G., Winn, J. N., Meade, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Photonic crystals, molding the flow of light. , (2008).</li><li>Li, J., White, T. P., O'Faolain, L., Gomez-Iglesias, A., Krauss, T. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Systematic+design+of+flat+band+slow+light+in+photonic+crystal+waveguides.">Systematic design of flat band slow light in photonic crystal waveguides.</a> Opt. Express. 16 (9), 6227-6232 (2008).</li><li>Takeda, M., Ina, H., Kobayashi, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fourier-transform+method+of+fringe-pattern+analysis+for+computer-based+topography+and+interferometry.">Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry.</a> J. Opt. Soc. Am. 72 (1), 156-160 (1982).</li></ol>

Keine Interessenskonflikte erklärt.

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 Ausse...

<table><tbody><tr><td>Acetone</td><td>Fisher Scientific</td><td>A/0520/17</td><td>&lt;strong&gt;CAUTION: flammable, use good ventilation and avoid all ignition sources.&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Isopropanol</td><td>Fisher Scientific</td><td>P/7500/15</td><td>&lt;strong&gt;CAUTION: flammable, use good ventilation and avoid all ignition sources.&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Electron Beam resist</td><td>Marubeni Europe plc.</td><td>ZEP520A</td><td>&lt;strong&gt;CAUTION: flammable, harmful by inhalation, avoid contact with skin and eyes.&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Xylene</td><td>Fisher Scientific</td><td>X/0100/17</td><td>&lt;strong&gt;CAUTION: flammable and highly toxic, use good ventilation, avoid all ignition sources, avoid contact with skin and eyes.&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Microposit S1818 G2</td><td>Chestech Ltd.</td><td>10277866</td><td>&lt;strong&gt;CAUTION: flammable and causes irritation to eyes, nose and respiratory tract.&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Microposit Developer MF-319</td><td>Chestech Ltd.</td><td>10058721</td><td>&lt;strong&gt;CAUTION: alkaline liquid and can cause irritation to eyes, nose and respiratory tract.&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Hydrofluoric Acid</td><td>Fisher Scientific</td><td>22333-5000</td><td>&lt;strong&gt;CAUTION: extremely corrosive, readily destroys tissue; handle with full personal protective equipment rated for HF.&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Microposit 1165 Remover</td><td>Chestech Ltd.</td><td>10058734</td><td>&lt;strong&gt;CAUTION: flammable and causes irritation to eyes, nose and respiratory tract.&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Sulphuric Acid</td><td>Fisher Scientific</td><td>S/9120/PB17</td><td>&lt;strong&gt;CAUTION: corrosive and very toxic; handle with personal protective equipment and avoid inhalation of vapours or mists.&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Hydrogen Peroxide</td><td>Fisher Scientific</td><td>BPE2633-500</td><td>&lt;strong&gt;CAUTION: very hazardous in case of skin and eye contact; handle with personal protective equipment.&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Equipment&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Silicon-on-Insulator wafer</td><td>Soitec</td><td>G8P-110-01</td><td></td></tr><tr><td>Diamond Scribe</td><td>J M Diamond Tool Inc.</td><td>HS-415</td><td></td></tr><tr><td>Microscope slides</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB58622</td><td></td></tr><tr><td>Beakers</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB33109</td><td></td></tr><tr><td>Tweezers</td><td>SPI Supplies</td><td>PT006-AB</td><td></td></tr><tr><td>Ultrasonic Bath</td><td>Camlab</td><td>1161436</td><td></td></tr><tr><td>Spin-Coater</td><td>Electronic Micro Systems Ltd.</td><td>EMS 4000</td><td></td></tr><tr><td>Pipette</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB55343</td><td></td></tr><tr><td>E-beam Lithography System</td><td>Raith Gmbh</td><td>Raith 150</td><td></td></tr><tr><td>Reactive Ion Etching System</td><td>Proprietary In-house Designed</td><td>--</td><td></td></tr><tr><td>UV Mask Aligner</td><td>Karl Suss</td><td>MJB-3</td><td></td></tr><tr><td>ASE source</td><td>Amonics</td><td>ALS-CL-15-B-FA</td><td>&lt;strong&gt;CAUTION: invisible IR radiation.&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Single mode fibers</td><td>Thorlabs</td><td>P1-SMF28E-FC-2</td><td></td></tr><tr><td>3 dB fiber splitters</td><td>Thorlabs</td><td>C-WD-AL-50-H-2210-35-FC/FC</td><td></td></tr><tr><td>Aspheric lenses</td><td>New Focus</td><td>5720-C</td><td></td></tr><tr><td>XYZ stages</td><td>Melles Griot</td><td>17AMB003/MD</td><td></td></tr><tr><td>Polarizing beamsplitter cube</td><td>Thorlabs</td><td>PBS104</td><td></td></tr><tr><td>IR detector</td><td>New Focus</td><td>2033</td><td></td></tr><tr><td>100&amp;#215; Objective</td><td>Nikon</td><td>BD Plan 100x</td><td></td></tr><tr><td>Oscilloscope</td><td>Tektronix</td><td>TDS1001B</td><td></td></tr><tr><td>Optical Spectrum Analyzer</td><td>Advantest</td><td>Q8384</td><td></td></tr><tr><td>IR sensor card</td><td>Newport</td><td>F-IRC2</td><td></td></tr><tr><td>TLS source</td><td>Agilent</td><td>81940A</td><td>&lt;strong&gt;CAUTION: invisible IR radiation.&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>IR Camera</td><td>Electrophysics</td><td>7290A</td><td></td></tr><tr><td>IR Detector</td><td>New Focus</td><td>2153</td><td></td></tr><tr><td>Digital Multimeter</td><td>Agilent</td><td>34401A</td><td></td></tr><tr><td>Illumination</td><td>Stocker Yale</td><td>Lite Mite</td><td></td></tr><tr><td>Monochromator</td><td>Spectral Products</td><td>DK480</td><td></td></tr><tr><td>Array Detector</td><td>Andor</td><td>DU490A-1.7</td><td></td></tr><tr><td>GIF Fiber</td><td>Thorlabs</td><td>31L02</td><td></td></tr></tbody></table>

fabrication and characterization of photonic crystal slow light waveguides and cavities

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

Fabricated samples
Figure 1 shows a scanning electron microscope (SEM) image of an exposed and developed pattern in electron beam resist - it is evident from the "clean" edge between the resist and the silicon substrate that complete exposure/development has been accomplished. Exposure of dose test patterns, consisting of simple repeated shapes (in our case 50 &times; 50 &mu;m squares), each with a differing base dose, are used to determine the correct dose factor and developmen...

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Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

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).

Herstellung und Charakterisierung von Photonic Crystal Langsam Lichtwellenleitern und Hohlräume

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view ...

fabrication-characterization-photonic-crystal-slow-light-waveguides

Research

JoVE Journal

Engineering

18.8K Aufrufe.  University of St Andrews. 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).

Serie: Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the quality factor (Q) of the cavity, can be in excess of 500ns for cavities with Q factors above 100 million. As a result of their low material losses, silica microcavities have demonstrated some of the longest photon lifetimes to date1-2. Since a portion of the circulating light extends outside the resonator, these devices can also be used to probe the surroundings. This interaction has enabled numerous experiments in biology, such as single molecule biodetection and antibody-antigen kinetics, as well as discoveries in other fields, such as development of ultra-low-threshold microlasers, characterization of thin films, and cavity quantum electrodynamics studies.3-7
The two primary silica resonant cavity geometries are the microsphere and the microtoroid. Both devices rely on a carbon dioxide laser reflow step to achieve their ultra-high-Q factors (Q&gt;100 million).1-2,8-9 However, there are several notable differences between the two structures. Silica microspheres are free-standing, supported by a single optical fiber, whereas silica microtoroids can be fabricated on a silicon wafer in large arrays using a combination of lithography and etching steps. These differences influence which device is optimal for a given experiment.
Here, we present detailed fabrication protocols for both types of resonant cavities. While the fabrication of microsphere resonant cavities is fairly straightforward, the fabrication of microtoroid resonant cavities requires additional specialized equipment and facilities (cleanroom). Therefore, this additional requirement may also influence which device is selected for a given experiment.
Introduction
An optical resonator efficiently confines light at specific wavelengths, known as the resonant wavelengths of the device. 1-2 The common figure of merit for these optical resonators is the quality factor or Q. This term describes the photon lifetime (&tau;o) within the resonator, which is directly related to the resonator's optical losses. Therefore, an optical resonator with a high Q factor has low optical losses, long photon lifetimes, and very low photon decay rates (1/&tau;o). As a result of the long photon lifetimes, it is possible to build-up extremely large circulating optical field intensities in these devices. This very unique property has allowed these devices to be used as laser sources and integrated biosensors.10
A unique sub-class of resonators is the whispering gallery mode optical microcavity. In these devices, the light is confined in circular orbits at the periphery. Therefore, the field is not completely confined within the device, but evanesces into the environment. Whispering gallery mode optical cavities have demonstrated some of the highest quality factors of any optical resonant cavity to date.9,11 Therefore, these devices are used throughout science and engineering, including in fundamental physics studies and in telecommunications as well as in biodetection experiments. 3-7,12
Optical microcavities can be fabricated from a wide range of materials and in a wide variety of geometries. A few examples include silica and silicon microtoroids, silicon, silicon nitride, and silica microdisks, micropillars, and silica and polymer microrings.13-17 The range in quality factor (Q) varies as dramatically as the geometry. Although both geometry and high Q are important considerations in any field, in many applications, there is far greater leverage in boosting device performance through Q enhancement. Among the numerous options detailed previously, the silica microsphere and the silica microtoroid resonator have achieved some of the highest Q factors to date.1,9 Additionally, as a result of the extremely low optical loss of silica from the visible through the near-IR, both microspheres and microtoroids are able to maintain their Q factors over a wide range of testing wavelengths.18 Finally, because silica is inherently biocompatible, it is routinely used in biodetection experiments.
In addition to high material absorption, there are several other potential loss mechanisms, including surface roughness, radiation loss, and contamination loss.2 Through an optimization of the device size, it is possible to eliminate radiation losses, which arise from poor optical field confinement within the device. Similarly, by storing a device in an appropriately clean environment, contamination of the surface can be minimized. Therefore, in addition to material loss, surface scattering is the primary loss mechanism of concern.2,8
In silica devices, surface scattering is minimized by using a laser reflow technique, which melts the silica through surface tension induced reflow. While spherical optical resonators have been studied for many years, it is only with recent advances in fabrication technologies that researchers been able to fabricate high quality silica optical toroidal microresonators (Q&gt;100 million) on a silicon substrate, thus paving the way for integration with microfluidics.1
The present series of protocols details how to fabricate both silica microsphere and microtoroid resonant cavities. While silica microsphere resonant cavities are well-established, microtoroid resonant cavities were only recently invented.1 As many of the fundamental methods used to fabricate the microsphere are also used in the more complex microtoroid fabrication procedure, by including both in a single protocol it will enable researchers to more easily trouble-shoot their experiments.

We describe the use of a carbon dioxide laser reflow technique to fabricate silica resonant cavities, including free-standing microspheres and on-chip microtoroids. The reflow method removes surface imperfections, allowing long photon lifetimes within both devices. The resulting devices have ultra high quality factors, enabling applications ranging from telecommunications to biodetection.

Herstellung von Silica Ultra High Quality Factor Mikroresonatoren

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the ...

Forschung

Ingenieurwesen

Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators

Microwave photonics systems rely fundamentally on the interaction between microwave and optical signals. These systems are extremely promising for various areas of technology and applied science, such as aerospace and communication engineering, sensing, metrology, nonlinear photonics, and quantum optics. In this article, we present the principal techniques used in our lab to build microwave photonics systems based on ultra-high Q whispering gallery mode resonators. First detailed in this article is the protocol for resonator polishing, which is based on a grind-and-polish technique close to the ones used to polish optical components such as lenses or telescope mirrors. Then, a white light interferometric profilometer measures surface roughness, which is a key parameter to characterize the quality of the polishing. In order to launch light in the resonator, a tapered silica fiber with diameter in the micrometer range is used. To reach such small diameters, we adopt the "flame-brushing" technique, using simultaneously computer-controlled motors to pull the fiber apart, and a blowtorch to heat the fiber area to be tapered. The resonator and the tapered fiber are later approached to one another to visualize the resonance signal of the whispering gallery modes using a wavelength-scanning laser. By increasing the optical power in the resonator, nonlinear phenomena are triggered until the formation of a Kerr optical frequency comb is observed with a spectrum made of equidistant spectral lines. These Kerr comb spectra have exceptional characteristics that are suitable for several applications in science and technology. We consider the application related to ultra-stable microwave frequency synthesis and demonstrate the generation of a Kerr comb with GHz intermodal frequency.

The customized techniques developed in our lab to build microwave photonics systems based on ultra-high Q whispering gallery mode resonators are presented. The protocols to obtain and characterize these resonators are detailed, and an explanation of some of their applications in microwave photonics is given.

Mikrowelle Photonics Systems on Whispering-Gallery-Mode-Resonatoren Grundlage

Microwave photonics systems rely fundamentally on the interaction between microwave and optical signals. These systems are extremely promising for various ...

Quasi-light Storage for Optical Data Packets

Today's telecommunication is based on optical packets which transmit the information in optical fiber networks around the world. Currently, the processing of the signals is done in the electrical domain. Direct storage in the optical domain would avoid the transfer of the packets to the electrical and back to the optical domain in every network node and, therefore, increase the speed and possibly reduce the energy consumption of telecommunications. However, light consists of photons which propagate with the speed of light in vacuum. Thus, the storage of light is a big challenge. There exist some methods to slow down the speed of the light, or to store it in excitations of a medium. However, these methods cannot be used for the storage of optical data packets used in telecommunications networks. Here we show how the time-frequency-coherence, which holds for every signal and therefore for optical packets as well, can be exploited to build an optical memory. We will review the background and show in detail and through examples, how a frequency comb can be used for the copying of an optical packet which enters the memory. One of these time domain copies is then extracted from the memory by a time domain switch. We will show this method for intensity as well as for phase modulated signals.

The article describes a procedure to store optical data packets with an arbitrary modulation, wavelength, and data rate. These packets are the basis of modern telecommunications.

Quasi-Lichtraum für optische Datenpakete

Today's telecommunication is based on optical packets which transmit the information in optical fiber networks around the world. Currently, the processing ...

Fabrication and Characterization of Disordered Polymer Optical Fibers for Transverse Anderson Localization of Light

We develop and characterize a disordered polymer optical fiber that uses transverse Anderson localization as a novel waveguiding mechanism. The developed polymer optical fiber is composed of 80,000 strands of poly (methyl methacrylate) (PMMA) and polystyrene (PS) that are randomly mixed and drawn into a square cross section optical fiber with a side width of 250 &mu;m. Initially, each strand is 200 &mu;m in diameter and 8-inches long. During the mixing process of the original fiber strands, the fibers cross over each other; however, a large draw ratio guarantees that the refractive index profile is invariant along the length of the fiber for several tens of centimeters. The large refractive index difference of 0.1 between the disordered sites results in a small localized beam radius that is comparable to the beam radius of conventional optical fibers. The input light is launched from a standard single mode optical fiber using the butt-coupling method and the near-field output beam from the disordered fiber is imaged using a 40X objective and a CCD camera. The output beam diameter agrees well with the expected results from the numerical simulations. The disordered optical fiber presented in this work is the first device-level implementation of 2D Anderson localization, and can potentially be used for image transport and short-haul optical communication systems.

We develop and characterize a disordered polymer optical fiber that uses transverse Anderson localization as a novel waveguiding mechanism. This microstructured fiber can transport a small localized beam with a radius that is comparable to the beam radius of conventional optical fibers.

Herstellung und Charakterisierung von Disordered Optische Polymerfasern für Quer Anderson Localization of Light

We develop and characterize a disordered polymer optical fiber that uses transverse Anderson localization as a novel waveguiding mechanism. The developed ...

Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including microresonators. However, because of the increased acoustic radiative losses during direct liquid immersion of optomechanical devices, almost all published optomechanical experiments have been performed in solid phase. This paper discusses a recently introduced hollow microfluidic optomechanical resonator. Detailed methodology is provided to fabricate these ultra-high-Q microfluidic resonators, perform optomechanical testing, and measure radiation pressure-driven breathing mode and SBS-driven whispering gallery mode parametric vibrations. By confining liquids inside the capillary resonator, high mechanical- and optical- quality factors are simultaneously maintained.

Parametric optomechanical excitations have recently been experimentally demonstrated in microfluidic optomechanical resonators by means of optical radiation pressure and stimulated Brillouin scattering. This paper describes the fabrication of these microfluidic resonators along with methodologies for generating and verifying optomechanical oscillations.

Herstellung und Prüfung von Mikrofluidik-Optomechanische Oszillatoren

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including ...

Using Microwave and Macroscopic Samples of Dielectric Solids to Study the Photonic Properties of Disordered Photonic Bandgap Materials

Recently, disordered photonic materials have been suggested as an alternative to periodic crystals for the formation of a complete photonic bandgap (PBG). In this article we will describe the methods for constructing and characterizing macroscopic disordered photonic structures using microwaves. The microwave regime offers the most convenient experimental sample size to build and test PBG media. Easily manipulated dielectric lattice components extend flexibility in building various 2D structures on top of pre-printed plastic templates. Once built, the structures could be quickly modified with point and line defects to make freeform waveguides and filters. Testing is done using a widely available Vector Network Analyzer and pairs of microwave horn antennas. Due to the scale invariance property of electromagnetic fields, the results we obtained in the microwave region can be directly applied to infrared and optical regions. Our approach is simple but delivers exciting new insight into the nature of light and disordered matter interaction.

Our representative results include the first experimental demonstration of the existence of a complete and isotropic PBG in a two-dimensional (2D) hyperuniform disordered dielectric structure. Additionally we demonstrate experimentally the ability of this novel photonic structure to guide electromagnetic waves (EM) through freeform waveguides of arbitrary shape.

Disordered structures offer new mechanisms for forming photonic bandgaps and unprecedented freedom in functional-defect designs. To circumvent the computational challenges of disordered systems, we construct modular macroscopic samples of the new class of PBG materials and use microwaves to characterize their scale-invariant photonic properties, in an easy and inexpensive manner.

Mit Mikrowelle und makroskopischen Proben der Dielektrische Festkörper, um die photonischen Eigenschaften ungeordneter photonische Bandlückenmaterialien Studieren

Recently, disordered photonic materials have been suggested as an alternative to periodic crystals for the formation of a complete photonic bandgap (PBG). ...

Fabrication of 1-D Photonic Crystal Cavity on a Nanofiber Using Femtosecond Laser-induced Ablation

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using femtosecond laser-induced ablation. We show that thousands of periodic nano-craters are fabricated on an optical nanofiber by irradiating with just a single femtosecond laser pulse. For a typical sample, periodic nano-craters with a period of 350 nm and with diameter gradually varying from 50 - 250 nm over a length of 1 mm are fabricated on a nanofiber with diameter around 450 - 550 nm. A key aspect of such a nanofabrication is that the nanofiber itself acts as a cylindrical lens and focuses the femtosecond laser beam on its shadow surface. Moreover, the single-shot fabrication makes it immune to mechanical instabilities and other fabrication imperfections. Such periodic nano-craters on nanofiber, act as a 1-D PhC and enable strong and broadband reflection while maintaining the high transmission out of the stopband. We also present a method to control the profile of the nano-crater array to fabricate apodized and defect-induced PhC cavities on the nanofiber. The strong confinement of the field, both transverse and longitudinal, in the nanofiber-based PhC cavities and the efficient integration to the fiber networks, may open new possibilities for nanophotonic applications and quantum information science.

We present a protocol for fabricating 1-D photonic crystal cavities on subwavelength diameter silica fibers (optical nanofibers) using femtosecond laser-induced ablation.

Die Herstellung von 1-D Photonic Kristallhöhle auf einer Nanofaser Mit Femtosekunden-Laser-induzierte Ablation

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using ...

Fabrication of Polymer Microspheres for Optical Resonator and Laser Applications

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, interface precipitation, and mini-emulsion. In all methods, well-defined, micrometer-sized spheres are obtained from a self-assembling process in solution. The vapor diffusion method can result in spheres with the highest sphericity and surface smoothness, yet the types of the polymers able to form these spheres are limited. On the other hand, in the mini-emulsion method, microspheres can be made from various types of polymers, even from highly crystalline polymers with coplanar, &#960;-conjugated backbones. The photoluminescent (PL) properties from single isolated microspheres are unusual: the PL is confined inside the spheres, propagates at the circumference of the spheres via the total internal reflection at the polymer/air interface, and self-interferes to show sharp and periodic resonant PL lines. These resonating modes are so-called "whispering gallery modes" (WGMs). This work demonstrates how to measure WGM PL from single isolated spheres using the micro-photoluminescence (&#181;-PL) technique. In this technique, a focused laser beam irradiates a single microsphere, and the luminescence is detected by a spectrometer. A micromanipulation technique is then used to connect the microspheres one by one and to demonstrate the intersphere PL propagation and color conversion from coupled microspheres upon excitation at the perimeter of one sphere and detection of PL from the other microsphere. These techniques, &#181;-PL and micromanipulation, are useful for experiments on micro-optic application using polymer materials.

Protocols for the synthesis of microspheres from polymers, the manipulation of microspheres, and micro-photoluminescence measurements are presented.

Herstellung von Polymer-Mikrosphären für optische Resonator- und Laseranwendungen

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, ...

Spectral and Angle-Resolved Magneto-Optical Characterization of Photonic Nanostructures

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by local enhancement of electric field intensity that strengthens light-matter interactions, enabling applications such as surface-enhanced Raman scattering (SERS) and surface plasmon enhanced sensing. In the presence of magneto-optically active materials, the local field enhancement gives rise to anomalous magneto-optical activity. Typically, the confined modes of a given photonic crystal depend strongly on the wavelength and incidence angle of the incident electromagnetic radiation. Thus, spectral and angular-resolved measurements are needed to fully identify them as well as to establish their relationship with the magneto-optical activity of the crystal. In this article, we describe how to use a Fourier-plane (back focal plane) microscope to characterize magneto-optically active samples. As a model system, here we use a plasmonic grating built out of magneto-optically active Au/Co/Au multilayer. In the experiments, we apply a magnetic field on the grating in situ and measure its reciprocal space response, obtaining the magneto-optical response of the grating over a range of wavelengths and incident angles. This information enables us to build a complete map of the plasmonic band structure of the grating and the angle and wavelength dependent magneto-optical activity. These two images allow us to pinpoint the effect that the plasmon resonances have on the magneto-optical response of the grating. The relatively small magnitude of magneto-optical effects requires a careful treatment of the acquired optical signals. To this end, an image processing protocol for obtaining magneto-optical response from the acquired raw data is laid out.

Photonic band structure enables understanding how confined electromagnetic modes propagate within a photonic crystal. In photonic crystals that incorporate magnetic elements, such confined and resonant optical modes are accompanied by enhanced and modified magneto-optical activity. We describe a measurement procedure to extract the magneto-optical band structure by Fourier space microscopy.

Spektrale und winkelaufgelöste magneto-optische Charakterisierung photoischer Nanostrukturen

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by ...

Fabrication and Characterization of Optical Tissue Phantoms Containing Macrostructure

The rapid development of new optical imaging techniques is dependent on the availability of low-cost, customizable, and easily reproducible standards. By replicating the imaging environment, costly animal experiments to validate a technique may be circumvented. Predicting and optimizing the performance of in vivo and ex vivo imaging techniques requires testing on samples that are optically similar to tissues of interest. Tissue-mimicking optical phantoms provide a standard for evaluation, characterization, or calibration of an optical system. Homogenous polymer optical tissue phantoms are widely used to mimic the optical properties of a specific tissue type within a narrow spectral range. Layered tissues, such as the epidermis and dermis, can be mimicked by simply stacking these homogenous slab phantoms. However, many in vivo imaging techniques are applied to more spatially complex tissue where three dimensional structures, such as blood vessels, airways, or tissue defects, can affect the performance of the imaging system. 
This protocol describes the fabrication of a tissue-mimicking phantom that incorporates three-dimensional structural complexity using material with optical properties of tissue. Look-up tables provide India ink and titanium dioxide recipes for optical absorption and scattering targets. Methods to characterize and tune the material optical properties are described. The phantom fabrication detailed in this article has an internal branching mock airway void; however, the technique can be broadly applied to other tissue or organ structures.

Optical tissue phantoms are essential tools for calibration and characterization of optical imaging systems and validation of theoretical models. This article details a method for phantom fabrication that includes replication of tissue optical properties and three-dimensional tissue structure.

Herstellung und Charakterisierung von optischen Gewebe Phantome, die Makrostruktur enthalten

The rapid development of new optical imaging techniques is dependent on the availability of low-cost, customizable, and easily reproducible standards. By ...