Fabricación y caracterización de guías de onda de cristal fotónico luz lenta y cavidades

Resumen

El uso de guías de ondas de luz de cristal fotónico lentos y cavidades ha sido ampliamente adoptado por la comunidad fotónica en muchas aplicaciones diferentes. Por lo tanto la fabricación y caracterización de estos dispositivos son de gran interés. En este trabajo se describe nuestra técnica de fabricación y dos métodos de caracterización óptica, a saber: la dispersión interferométrica (guías de onda) y resonancia (cavidades).

Resumen

Slow luz ha sido uno de los temas candentes en la comunidad fotónica en la última década, generando un gran interés tanto desde el punto de vista fundamental y por su considerable potencial para aplicaciones prácticas. Slow guías de ondas de luz de cristal fotónico, en particular, han jugado un papel importante y se han empleado con éxito para retrasar las señales ópticas ^1-4 y ^8-11 la mejora de ambos dispositivos lineales y no lineales ^5.7.

Cavidades de cristal fotónico lograr efectos similares a los de guías de ondas de luz lenta, pero en un menor ancho de banda. Estas cavidades ofrecen un alto ratio de Q-factor/volume, para la realización de óptica ¹² y ¹³ eléctricamente bombeado láser ultra-bajos de umbral y la mejora de los efectos no lineales. ^14-16 Además, los filtros pasivos ¹⁷ y moduladores ^18-19 se ha demostrado, exhibiendo ultra-estrecho ancho de línea de alta free-espectral range y registrar los valores de consumo de energía baja.

Para lograr estos resultados emocionantes, un protocolo robusto fabricación repetitiva debe ser desarrollado. En este artículo, echamos un vistazo en profundidad a nuestro protocolo de fabricación que utiliza la litografía por haz de electrones para la definición de los patrones de cristal fotónico y utiliza técnicas de grabado húmedo y seco. Nuestros resultados optimizados receta de fabricación de cristales fotónicos que no sufren de asimetría vertical y exhiben muy buena borde de pared rugosidad. Se discuten los resultados de la variación de los parámetros de grabado y los efectos perjudiciales que pueden tener en un dispositivo, que conduce a una ruta de diagnóstico que se pueden tomar para identificar y eliminar problemas similares.

La clave para la evaluación de guías de ondas lentas de luz es la caracterización pasiva de transmisión y los espectros de índice de grupo. Varios métodos han sido reportados, lo más notablemente la resolución de las franjas de Fabry-Perot del espectro de transmisión de un ^20-21técnicas de interferometría. ^22-25 d A continuación, describimos una técnica directa, la medición de banda ancha combinando la interferometría espectral con el análisis de Fourier transform. ²⁶ Nuestro método destaca por su sencillez y potencia, como se puede caracterizar un cristal fotónico desnudo con guías de ondas de acceso, sin necesidad para los componentes de interferencia en el chip, y la configuración de la única consiste en un interferómetro de Mach-Zehnder, sin necesidad de partes móviles y escáneres de retardo.

En la caracterización de las cavidades de cristal fotónico, las técnicas que implican fuentes internas ²¹ o guías de onda externos acoplados directamente a la cavidad ²⁷ impacto en el rendimiento de la propia cavidad, distorsionando así la medición. Aquí se describe una técnica novedosa y no intrusivo que hace uso de un haz de sonda de polarización cruzada y se conoce como dispersión resonante (RS), donde la sonda se acopla fuera del plano en la cavidad a través de un objetivo. La técnica fue la primera demostracióndo por McCutcheon et al. ²⁸ y desarrollado por Galli et al ^29.

Protocolo

Descargo de responsabilidad: La siguiente protocolo proporciona un flujo de proceso general que abarca las técnicas de fabricación y caracterización de guías de onda cristalina fotónica y cavidades. El flujo de proceso está optimizado para el equipo específico disponible en nuestro laboratorio, y los parámetros pueden ser diferentes si otros reactivos o equipo se utiliza.

1. Preparación de la muestra

1. La escisión de la muestra - la toma de silicio sobre aislante (SOI) de la oblea y utilice una punta trazadora de diamante para rayar una línea de aproximadamente 1-2 mm de largo desde el borde de la superficie de silicio, asegurando que el cero se extiende sobre el borde de la oblea. Alinear el cero a un borde recto (por ejemplo, la de un portaobjetos de microscopio) y aplicar una presión positiva a ambos lados del cero: la oblea se adherirá a lo largo del plano de cristal en la posición cero. Repita este procedimiento para definir todo el chip.
2. Servicio de limpieza de la muestra - Colocar la muestra en la acetona PRECAUCIÓN con unas pinzas unnd limpiar en un baño de ultrasonidos durante 1-2 min. Retire la muestra de la acetona, enjuague toda la acetona restante de la muestra usando PRECAUCIÓN isopropanol (30 seg) (ambos acetona e isopropanol son inflamables: utilizar una buena ventilación y evitar toda fuente de ignición). Se seca la muestra usando una pistola de nitrógeno seco limpio.
3. Haga girar resistir - colocar la muestra en el spin-revestidor. Pipeta electrónica sensible resistir PRECAUCIÓN ZEP520A (ZEP520A es inflamable, nocivo por inhalación y por contacto con la piel y ojos debe ser evitado) sobre la muestra - use suficiente resisten a cubrir por completo la muestra sin la capa protectora que fluye sobre el borde. Girar la muestra a fin de dar un aprox. 350 nm de espesor de película y hornear en una placa caliente a 180 ° C durante 10 min. Nos pareció que este espesor que el espesor óptimo que equilibra la resolución y la resistencia a la corrosión (ver más adelante).

2. Patrón Definición

1. Diseño - usando el software apropiado, simular el patrón requerido de cristal fotónico. A entumecidoer de paquetes de software útiles están disponibles, incluyendo pero no limitado a: MIT banda fotónica (MPB), de onda completa (RSoft), MIT propagación electromagnética Ecuación (MEEP).
2. Generación del patrón - crear los archivos de formato de exposición (GDS en general) y el error proximidad correcta utilizando el software apropiado ^30.
3. La exposición Patrón - cargar la muestra en la cámara del sistema de litografía por haz de electrones (LEO 1530 / Elphy Raith) y bombear hacia abajo. Una vez vacío, se ha logrado conectar la tensión EHT y se puso a 30 kV. Deje el sistema en este estado durante 1 hora para permitir que la muestra, y la cámara de etapa para alcanzar una temperatura de equilibrio. Puesta en marcha de la exposición, como se indica en el manual de usuario de su sistema de litografía por haz de electrones específico. Exponer la muestra usando un tamaño adecuado paso básico (por ejemplo, 2 nm) (siendo este el tamaño de píxel mínimo que el sistema puede exponer), un tiempo de establecimiento de al menos 1 ms (siendo este el tiempo que el sistema espera entre el movimiento de la viga y exponiendola porción particular de la figura), y una dosis por área de 55 μAcm ^-2.
4. Desarrollo de la muestra - con Xileno PRECAUCIÓN (xileno es tanto el trabajo inflamable y altamente tóxico en un área bien ventilada, lejos de fuentes de ignición y evite el contacto con la piel y los ojos) a una temperatura de 23 ° C desarrollan la muestra durante 45 segundos. Enjuague con isopropanol.

3. Transferencia de Patten

1. RIE limpieza de Cámara - Establecer las tasas de flujo de argón e hidrógeno a 200 sccm. Del acelerador hacia abajo de la bomba, a través de una válvula de mariposa, para alcanzar la presión de cámara de 1 × 10 ^-1 mbar. Establecer la potencia de RF a 100 W, encender el plasma y duración de al menos 10 min - una polarización de corriente continua de aproximadamente 700 V debe ser observada. Después de desconectar el Ar / H ₂ plasma, permitir que la cámara de la bomba durante aproximadamente 1 min. Ajuste el caudal de oxígeno en la cámara a 200 sccm y de nuevo estrangular la presión de la cámara a 1 × 10 ^-1 mBar. Ignite un plasma segundosde oxígeno con una potencia de 100 W y una duración de 5 min. Después de estos procedimientos, la cámara será libre de contaminantes, tales como residuos de polímeros, de cualquier ataque químico seco anterior. Llevamos a cabo este procedimiento antes de cada cambio en la receta de grabado para garantizar la máxima repetibilidad. Este procedimiento se optimiza para nuestro sistema que consiste en una placa paralela, el cátodo cargado, RIE; con una cámara principal 12 pulgadas de diámetro por 14 pulgadas de altura, incluyendo un puerto 12 pulgadas con tanto la válvula de estrangulamiento y turbo-molecular bomba adjunta.
2. Grabado de cristal fotónico - cargar la muestra en la cámara principal RIE y bombear el sistema hasta una presión de fondo de <3 × 10 ^-6 mbar para asegurar la cámara está libre de vapor de agua. Comience la etch por pre-acondicionamiento de la cámara con los gases de grabado (es decir, CHF ₃ y SF _6): ajustar la velocidad de flujo de ambos gases a 100 sccm (es decir, establecer una relación de gas de 1:1) y utilizando el acelerador llevar la cámara la presión a 5 × 10 -2 mbar; permitir que los gases fluyan por lo menos durante 10 min. Después de pre-acondicionamiento, establecer la potencia de RF a aproximadamente 20 W y encender un plasma; etch la muestra durante aproximadamente 2 min (la velocidad de grabado de silicio para estos parámetros de grabado es de aproximadamente 150 nm / min), asegurando al mismo tiempo que una presión de la cámara de 5 × 10 ^-2 mbar se mantiene. Un sesgo DC entre 200-220 V debe lograrse durante el período de grabado.
3. Muestra de limpieza para retirar los restos de electrones sensible resistir - después de ataque químico en seco, limpiar la muestra por enjuague en 1165 PRECAUCIÓN Remover (1165 es inflamable y puede causar irritación en los ojos, nariz y tracto respiratorio) con agitación ultrasónica durante 1-2 min, seguido de acetona e isopropanol como se describe anteriormente (paso 1,2).
4. El aislamiento de membrana - spin-coat la muestra por la foto sensible UV resistir PRECAUCIÓN Microposit S1818 G2 (G2 S1818 es a la vez inflamable y causa irritación en los ojos, las vías respiratorias y la nariz) (véase el paso 1.3). El uso de un CRÉDITOSe fotomáscara, definir ventanas en la capa protectora por encima de los patrones de cristal fotónico utilizando el alineador de máscara UV. Exponer la muestra durante aproximadamente 30-45 segundos. Desarrollar el resistir PRECAUCIÓN Microposit desarrollador MF-319 (MF-319 es un líquido alcalino y puede causar irritación en los ojos, las vías respiratorias y la nariz) durante 30-45 segundos, enjuague después en agua desionizada. Preparar un vaso de precipitados de plástico con una mezcla de ácido PRECAUCIÓN 01:05 fluorhídrico (1,1499 g / ml 48-51% HF) (HF es extremadamente corrosivo y fácilmente destruye el tejido, cuando se utilice el manejo completo de equipo de protección personal para clasificar HF) a desionizada agua. Tenga en cuenta que por razones de seguridad sólo vasos de plástico y pinzas deben usarse con ácido fluorhídrico. Sumergir la muestra en la mezcla de ácido fluorhídrico durante 15 min. Después del grabado, enjuague completamente la muestra en agua desionizada. Eliminar el restante fotoresistente usando acetona e isopropanol (ver paso 1,2) - a partir de esta etapa y en adelante agitación ultrasónica no puede ser utilizado. Para asegurar que la muestraes tan limpio como sea posible, seguir la acetona y el lavado de isopropanol con un enjuague con solución PRECAUCIÓN Piranha (solución Piranha es muy enérgico, lo que potencialmente explosivo y ataca a los materiales orgánicos, cuando se utilice el manejo completo equipo de protección personal) (3:1 PRECAUCIÓN ácido sulfúrico (sulfúrico ácido es corrosivo y muy tóxico, cuando el manejo usar equipo de protección personal y evitar la inhalación de vapores o nieblas) Advertir a peróxido de hidrógeno (agua oxigenada es muy peligroso en caso de contacto con la piel y los ojos, cuando el manejo usar equipo de protección personal)) durante 5 minutos , luego enjuagar la muestra en agua desionizada, acetona e isopropanol. Tenga en cuenta que por razones de seguridad sólo vasos de precipitados de vidrio y pinzas metálicas se debe utilizar con la solución Piranha. Como solución Piranha puede explotar en contacto con acetona o isopropanol, que debe ser manejado lejos de estos reactivos.
5. La escisión Facet - si la preparación de un cristal fotónico lenta luz de guía de ondas, la muestra requiere escisión faceta. Cleave la sample siguiendo el mismo procedimiento descrito en el paso 1,1, excepto que como un rasguño pequeño como sea posible se debe utilizar. Un chip con sustrato SOI ~ 700 micras de espesor puede ser fiable escinde a las muestras 4-5 mm de largo.

4. Photonic Crystal lenta luz de guía de ondas Caracterización

1. Preparación preliminar de la instalación - conecte la salida de una banda ancha de emisión espontánea amplificada PRECAUCIÓN (ASE) fuente de luz (invisible radiación IR: evitar innecesarios altos poderes, cubra trayectoria del haz si es posible) para un divisor de 3 dB de fibra y usar cada una de las salidas a Pareja luz en los dos brazos de un espacio libre de Mach-Zehnder interferometeter (MZI), como se muestra en la Figura 9. Utilizar lentes asféricas para colimar la salida de luz de las fibras. En uno de los brazos del interferómetro, utilizar dos lentes asféricas adicionales para acoplar el haz de luz dentro y fuera de la viruta de la muestra. Coloque un divisor de haz de polarización (PBS) en el brazo de la muestra con TE-polarizar el light introducir la muestra. Utilizar lentes asféricas para acoplar los rayos de salida colimados de ambos brazos de nuevo en un segundo divisor de 3 dB de fibra, donde se recombinan. Conectar una de las salidas de un detector de infrarrojos y el uso de la lectura del detector para maximizar el acoplamiento de luz en la muestra; conectar la otra salida a un analizador de espectro óptico (OSA). Las dos ramas de la MZI debería tener aproximadamente la misma longitud óptica cuando está en presencia de la muestra: asegurarse de que las fibras en las dos ramas de la MZI tienen la misma longitud nominal e incluyen una etapa de retardo ajustable en el brazo de referencia para permitir para el ajuste fino de su longitud. En el brazo de muestra, montar las lentes asféricas en fases de precisión xyz para obtener el mejor acoplamiento en la muestra.
2. Ajuste el largo brazo de referencia - par el haz de luz a una guía de onda cresta en blanco (es decir, sin cristal fotónico) (del mismo tipo que el acceso a guías de onda que la luz de alimentación en el interior de los cristales fotónicos) wiadelgazar el mismo chip en el brazo de muestra. Ejecutar un análisis continuo de la OSA y observar los espectros de longitud de onda medida. Si los dos brazos de la MZI tienen aproximadamente la misma longitud óptica, las franjas exhiben espectros debido a la interferencia constructiva y destructiva; estas franjas no aparecerá si los brazos del MZI tienen longitudes ópticas muy diferentes (> ~ cm). La separación de franjas es inversamente proporcional a la diferencia de longitud de camino óptico entre los dos brazos. Mueva la etapa de retardo para que el brazo de referencia más cortos y observar las franjas de la OSA: si llegan a ser más densa (menos densa), el brazo de referencia es menor (mayor) que el brazo de la muestra. Establecer la etapa de retardo para asegurarse de que el brazo de referencia es más corto que el brazo de muestra y los resultados en un espaciamiento franja de unos 5 a 10 franjas en un rango de longitud de onda de 10 nm (véase la Figura 10a). Por último, realizar esta optimización en el dispositivo que proporciona el retardo máximo y luego mantener el retardo fijo durante toda la mediciónde toda la muestra.
3. Calibración funcionar - al mismo tiempo alineados en la guía de ondas en blanco, ejecute tres exploraciones en la OSA: una exploración para el espectro de interferencia y una exploración para cada uno de los dos brazos por separado (obtenido por bloqueo del otro brazo). Utilice una resolución de 0.05-0.1 nm. Registre cada espectro medido.
4. Adquisición de datos lenta luz - ejecutar y registrar tres espectros como en el paso 4,3 para cada guía de cristal fotónico en el chip.
5. El análisis de Fourier de datos - el espectro de interferencia (interferograma) I (ω) se expresa matemáticamente por:
   I (ω) = S (ω) + R (ω) + sqrt [S (ω) R (ω)] {exp [iΦ (ω) - iωτ] + cc},
   donde S (ω) y R (ω) son las densidades espectrales medidos por separado de la muestra y los brazos de referencia, respectivamente. El retardo τ es fijada por la posición de la etapa de retardo en el brazo de referencia. La información sobre la dispersión de la guía de cristal fotónico está contenido en la faseplazo, lo que debemos extraer de los datos medidos.
   Reste la no interferencia de fondo S (ω) + R (ω) del interferograma para aislar sólo el término de interferencia. Cálculo de la transformada de Fourier del término interferente: el término sqrt (SR) exp [i (Φ-ωτ)] y su complejo conjugado corresponden a los picos centrados en t = τ y t =-τ, respectivamente. Filtrar numéricamente uno de los dos términos y transformar de nuevo al dominio de la frecuencia. Diferenciar la fase Φ (ω) - ωτ de los datos resultantes con respecto a ω para obtener Δτ _g, la diferencia en el retardo de grupo entre los dos brazos. El grupo de índices n _g = c / v _g, con _g v la velocidad de grupo, está dada por:
   n = _{g (g} Δτ ^PhC - Δτ _g ^cal) c / L + n _cal,
   donde Δτ _g ^cal se obtiene de los datos de calibración tomadas from la guía de ondas en blanco, L es la longitud de la guía de ondas de cristal fotónico y n _cal = 2,7 es el índice efectivo de la guía de ondas de cresta de referencia. La contribución a la demora de los diversos elementos ópticos de la configuración se tiene en cuenta en la fase de calibración, y por lo tanto se resta en este paso.

6. Curva de transmisión - el cálculo de la curva de transmisión mediante la normalización del espectro de la muestra de una guía de cristal fotónico a la de la guía de ondas en blanco.

5. Cristal fotónico Caracterización Cavidad

1. Configuración - la preparación de la configuración (Figura 14) para RS incluye: conmutación del elemento intercambiable para el divisor de haz polarizante; insertando un polarizador en el brazo de entrada, así como un analizador en el brazo de salida; voltear un espejo en el brazo de la sonda para permitir el uso de una fuente de infrarrojo cercano; permitir la iluminación de la muestra. Montar la muestra en posición vertical con una orientación de 45 ° al ejedel polarizador (Figura 18) en un diferencial accionado xyz micro-bloquear y ajustar el bloque de micro-de modo que la muestra está en el foco y una cavidad se puede ver con la cámara, como en la Figura 15 (izquierda). Uso de una emisión espontánea amplificada (ASE) fuente, alinear el haz con el centro de la cavidad de la figura 15 (derecha). Voltear de distancia del espejo de iluminación y permiten que el brazo de salida para entrar en el espectrómetro (monocromador con detector de matriz adjunta). Ejecutar un análisis amplio con una resolución baja a moderada con el fin de identificar los picos de la cavidad. Obtener la longitud de onda aproximada de la resonancia en la exploración ASE (Figura 16a) con una precisión de 1 nm. También es posible adquirir la exploración amplia con una fuente láser sintonizable PRECAUCIÓN (TLS) (Figura 16b) (invisible radiación IR: evitar innecesarias altas potencias, cubrir trayectoria del haz, si es posible). Uno tiene que tener cuidado de que la resolución se ajusta al valor más alto con el fin deprobar los anchos de línea de cada pico.
2. Realizar exploraciones de alta resolución sobre los picos identificados - conectar los TLS con el brazo de entrada y atenuar el haz a un nivel mW. Preparación para el escaneo de alta resolución, permitiendo el brazo de salida para ser recogidos por el fotodetector y la creación de una exploración de barrido continuo con una resolución de 1 pm para una amplia nm 2 centrado en la longitud de onda de resonancia encontrado previamente. La importancia de este paso es el de mejorar la relación señal-ruido (SNR) con el objetivo de obtener una línea de Lorentzian forma de resonancia: cambiar la posición xyz del bloque de micro-y volver a ejecutar la exploración hasta que la SNR se maximiza y la línea de la forma es similar a la de un Lorentzian, como se muestra en la sección resultado representativo.

Resultados

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 × 50 μm squares), each with a differing base dose, are used to determine the correct dose factor and developmen...

Discusión

Ejemplo de fabricación

Nuestra elección de haz de electrones resistir (es decir ZEP 520A) se debe a su alta resolución simultáneamente y resistencia a la corrosión. Creemos que 520A ZEP puede verse afectada por la luz UV emitida por las luces de laboratorio generales; como tal se recomienda colocar recubiertos spin-muestras en recipientes opacos UV mientras que se muevan de un laboratorio a otro.

Pasando a definir el patrón de cristal fotónico, antes...

Materiales

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