Les auteurs reconnaissent le soutien financier de ROSES la National Aeronautics and Space Administration (NASA) s &#39;et des programmes APRA. GC reconnaît également l&#39;Association de recherche spatiale Universités pour administrer sa nomination à la NASA.

1. Microstrip ligne Resonator Fabrication 14 (Figure 3) <ol><li> Nettoyer un (SOI) plaquette de silicium sur isolant, qui comporte une couche de dispositif en silicium de 0,45 um d&#39;épaisseur, fraîchement mélangé avec du H 2 SO 4: H 2 O 2 (3: 1) pendant 10 min. Ensuite, rincer la plaquette dans de l&#39;eau déminéralisée pendant 10 min et sec avec un pistolet d&#39;azote. Immédiatement avant le traitement ultérieur, plonger la plaquette dans H 2 O: HF (10: 1) pendant 10 secondes et rincer à l&#39; eau déminéralisée pendant 5 min. </li><li> Fabriquez un masque lift-off, qui se compose d&#39;un germanium (Ge) / photorésist positif telles que S-1811. 15 <ol><li> Spin-coat la tranche avec amincie bicouche de résine photosensible positive (2 parties de diluant-P: 1 partie photorésist positif) à 4000 rpm pendant 30 secondes, puis dépôt par faisceau d&#39;électrons Ge. </li><li> Ge motif en utilisant la photolithographie en appliquant d&#39;abord l&#39;hexaméthyldisilazane (HMDS) sur la plaquette pendant 1 min, puis essorer l&#39;excès à 3000 tpm pendant 30 secondes. </li><li> Spin sur amincie photorésist positif (2 parties de diluant-P: 1 partie photorésist positif) à 2.000 tours par minute pendant 30 secondes et le faire cuire sur une plaque chauffante pendant 1 min à 110 ° C. Utilisez un aligneur de masque pour exposer photoresist et pulvériser développent résister avec une solution à base d&#39;hydroxyde de tétraméthylammonium. </li><li> Réactif-ion graver la Ge avec un SF 6 / O 2 plasma à 70 W. Ash sous - jacente photoresist avec plasma O 2 pour obtenir contre - dépouille de résine photosensible. </li><li> DC-magnétron plan par pulvérisation cathodique dépôt de niobium (Nb) sol avec 3,7 mT d&#39;argon (Ar) à 500 W et soulevez-le en plaçant la plaquette à l&#39;intérieur d&#39;un bêcher d&#39;acétone rempli pendant 4 heures. </li></ol></li><li> Spin-coat bisbenzocyclobutène (BCB) à 4000 tpm pendant 30 secondes sur la surface revêtue de Nb de la plaquette SOI et à une surface d&#39;une autre plaquette de silicium. Lier les deux surfaces de BCB revêtues avec 3 bars de pression à 200 ° C. </li><li> Manuellement bascule pile à l&#39;envers de la plaquette pour commencer le traitement de la face arrière de la plaquette SOI. </li><li>Graver la plaquette de manipulation en silicium par rodage mécanique à l&#39; aide d&#39; Al 2 O 3 en suspension, suivie d&#39; une gravure ionique réactive profonde en utilisant le procédé Bosch 16 graver la couche de SiO 2 enfouie avec du H 2 O:. HF (10: 1) pendant 20 min. </li><li> Dépôt de molybdène nitrure (Mo 2 N) en utilisant magnétron DC pulvérisation réactive à 700 W et 3,3 mT (Ar: N 2 pression partielle = 7: 1). Motif résonateurs en tournant à 2000 tours par minute pendant 30 secondes et le faire cuire à 180 ° C pendant 2 min, suivie par filage amincies photorésist positif (2 parties de diluant-P: 1 partie photorésist positif) à 2.000 tours par minute pendant 30 secondes. Développer dans une solution de résine photosensible à base d&#39;hydroxyde de tétraméthylammonium et de cendres dans un graveur ionique réactif. Etch Mo 2 N avec une solution à base d&#39;acide phosphorique. </li><li> Fabriquer un masque de décollement constitué par une double couche de Ge / PMMA en faisant tourner le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) à 5000 tpm pendant 30 secondes et cuire au four à 180 ° C pendant 2 min suivi par un faisceau d&#39;électrons déposition de Ge. SPUTTER-dépôt Nb lignes de transport et décoller dans de l&#39;acétone (voir l&#39;étape 1.2, à l&#39;exception que la résine photosensible positive est substitué par un PMMA). </li><li> Dans certains modes de réalisation, la radio-fréquence (RF) par pulvérisation cathodique dépôt de SiO 2, motif par filage avec photoresist positif et graver dans une solution à base fluorhydrique-acide. Ensuite, soulever un Nb film mince déposée par pulvérisation en utilisant un germanium / positif masque photorésistant de décollage comme détaillé dans l&#39;étape 1.2. </li></ol> 2. Procédure d&#39;installation des micro-ondes Resonator Chip dans le paquet d&#39;essai <ol><li> Conception et machine à un paquet d&#39;essai constitué d&#39;or (Au) cavité de cuivre revêtu de (avec une base et le couvercle), qui correspond à des dimensions de la puce de résonateur, entrée feedline et lieux de sortie. NOTE: La taille de la cavité du boîtier doit être spécifié pour soutenir une opération mono-mode avec couplage parasite minimal sur la bande d&#39;intérêt. </li><li> Conception et fabrication d&#39;une impédance micro-ondes fan-ou contrôléet bord 17 pour acheminer les signaux entre la puce et la version Sub-Miniature A (SMA) connecteurs. </li><li> Insérez les connecteurs SMA dans l&#39;entrée et la sortie du paquet d&#39;essai de telle sorte que l&#39;axe du conducteur central est aligné sur le tampon de contact de carte fan-out correspondant. Appliquer un masque de soudure pour protéger contre les courts-circuits, et appliquer la soudure dans la zone de la broche de conducteur central. Placez le paquet sur une plaque chaude et de la chaleur à 200 ° C pendant 5 min ~ pour faire fondre la soudure. Laisser refroidir puis retirer le masque de soudure. </li><li> Monter la pastille de résonateur dans la cavité de l&#39;emballage de cuivre Au-enduit tels que les plots de sortie et d&#39;entrée sur puce feedline sont proches et alignées sur la carte guide d&#39;ondes coplanaire de fan-out correspondant (CPW) lignes. Fixer la puce avec des pinces de cuivre qui entrent en contact sur les bords des coins de la puce. </li><li> Placez liaisons filaires Al supraconductrice entre le conseil fan-out et sur puce plots de contact. Placez un nombre maximum (~ 4 dans le cas présenté ici - voir <strong&gt; Figure 4) ~, ~ liaisons par fil 500-600-um-longues de 250 um-en-hauteur, pour fournir correspondance d&#39; impédance entre l&#39;entrée de connecteur SMA et les sorties et la CPW feedline sur puce. </li><li> Après wire-bonding, avec un multimètre vérifier la résistance en courant continu entre les broches centrales des connecteurs d&#39;entrée et de sortie, et entre une broche centrale et la masse, pour confirmer il y a une connexion électrique entre les deux broches centrales et une connexion ouverte entre le centre ligne et la terre. </li></ol> 3. Procédure pour l&#39;installation des micro-ondes Resonator dans un four micro-ondes Testbed Cryogenic Hélium-3 <ol><li> Assembler le banc d&#39; essai comme dans la configuration représentée sur la figure 2, dans laquelle une série de câbles SMA sont acheminés à partir de la température ambiante à l&#39;étage froid 0,3-K , où le dispositif sera monté. </li><li> Installer le cuivre (Cu) et supraconductrices en niobium-titane (NbTi) des câbles , comme illustré sur la figure 2 pour fournir une faible perte de micro - ondes et, dans lecas des câbles NbTi, une faible conductivité thermique. Utilisez les câbles NbTi comme une rupture thermique entre le 2-K et 0,3 K-étapes. </li><li> Monter un amplificateur transistor à haute mobilité d&#39;électrons cryogénique (HEMT) au stade 2-K sur la ligne de sortie à faible amplification du bruit dans la bande du dispositif de résonateur et installer un circulateur. </li><li> Insérez un circulateur cryogénique sur la ligne de sortie à l&#39;entrée de cet amplificateur. </li><li> Monter les dispositifs résonateurs emballés sur un support boulonné à l&#39;étage froid 0,3-K. </li><li> Branchez un atténuateur de micro-ondes sur le côté d&#39;entrée de l&#39;emballage pour assurer la terminaison adaptée et branchez les câbles SMA appropriés à cette entrée de l&#39;atténuateur et de sortie de l&#39;emballage. Assurez -vous que ces terminaisons d&#39;impédance contrôlée sont bien assortis et sont aussi proches de l&#39;appareil sous test que possible - ils définissent le «plan d&#39;étalonnage de l&#39; appareil&quot; (voir la figure 2). </li><li> Fermez le cryostat. Suivez la procédure standard pour refroidir le dispositifs à 0,3 K. </li></ol> 4. Procédure de mesures micro-ondes à résonateur <ol><li> Réglez le VNA pour numériser sur une large bande de fréquences (10 MHz - 8 GHz, pour le dispositif considéré ici) aux fréquences dispositif sous test conception. Réglez les niveaux de puissance sur le VNA à des niveaux appropriés pour le dispositif sous test (~ -30 dBm, pour le dispositif considéré ici). REMARQUE: Veiller à ce que le niveau de puissance RF d&#39;entrée est suffisamment faible pour ne pas dépasser le courant critique du résonateur supraconducteur à micro-ondes et supraconducteur feedline. Assurez-vous que le niveau de puissance est suffisamment élevée pour fournir un rapport adéquat signal-bruit. </li><li> Calibrer les câbles RF flexibles suivant la procédure standard à court ouvert Load-Thru (SOLT), suivant les instructions du logiciel VNA dans le manuel VNA. Insérer en court-circuit, ouvert, terminé par et à travers des normes à la sortie de chacun des câbles flexibles, qui route de l&#39;analyseur de réseau vectoriel et qui sera ensuite connectée à l&#39;entréedu cryostat pour des mesures. Cet étalonnage définit le &quot;plan de référence de l&#39; instrument&quot; (par exemple, voir la figure 2). </li><li> Suite à cette calibration SOLT, vérifier la fidélité de l&#39;étalonnage en confirmant que la transmission, S 21, avec la ligne à travers connecté mesurée avec le VNA, comporte des erreurs résiduelles faibles (ie, la réponse est à ~ 0 dB et S 11 et S 22 sont faibles, par exemple, ≤ -50 dB). </li><li> Branchez les câbles flexibles aux lignes du cryostat entrée et de sortie. </li><li> Allumez l&#39;amplificateur hyperfréquence cryogénique en appliquant la tension de polarisation requis tel que spécifié dans la documentation fourni par la compagnie pour l&#39;amplificateur à micro-ondes. </li><li> Tout d&#39; abord, compléter un balayage à large bande de VNA (10 MHz - 8 GHz, pour le dispositif considéré ici) pour observer la structure de référence S 21 et de regarder pour tout Q haute forte &lt;/ Em&gt; structures indicatives de résonateurs à micro-ondes. </li><li> Ensuite, réduire la gamme de fréquences (à ~ 2-4 GHz, pour le dispositif considéré ici) et ajuster le nombre de points de données (~ 30 000 pour le dispositif considéré ici) de la VNA pour numériser sur la bande de résonateur. Utilisez une bande de fréquence assez large pour offrir une durée de base adéquate pour des crises ultérieures à cette ligne de base pour réaliser un étalonnage in situ (voir la discussion dans l&#39; introduction). REMARQUE: En fonction du niveau de bruit, augmenter le nombre de moyennes, ou de réduire la bande passante IF pour améliorer le signal sur bruit. </li><li> Conservez ces analyses de données VNA des données de transmission complexes à déposer pour la post-mesure d&#39;étalonnage in situ, et l&#39; analyse et l&#39; extraction des facteurs de qualité et des fréquences de résonance. 11 </li></ol>

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Les auteurs déclarent qu&#39;ils ont aucun intérêt financier concurrents.

Le procédé de fabrication simple bascule fournit un moyen pour réaliser des résonateurs supraconducteurs des deux côtés d&#39;un substrat en silicium monocristallin 0,45 um mince. On peut être motivé à utiliser un Si monocristallin diélectrique , car il a plus d&#39;un ordre de grandeur inférieure à la perte diélectriques déposées (tels que Si 3 N 4) avec tangentes de perte dans la gamme 4,0-6,5 GHz &lt;1 x 10 - . La capacité 23 au 24 mai le modèle ...

Les progrès de l&#39; instrumentation astrophysiques ont récemment introduit supraconducteurs résonateurs à micro - ondes pour la détection de la lumière infrarouge 1 - 4. Un supraconducteur résonateur répondra à un rayonnement infrarouge de l&#39; énergie E = hv&gt; 2Δ (où h est constante, v de Planck est la fréquence de rayonnement et Δ est l&#39;énergie de gap supraconducteur). Lorsque le résonateur est refroidi à une température bien inférieure à la température critique du supraconducteur, ce rayonnement incident rompt les paires de Cooper dans le volume du résonateur et génère des excitations quasiparticules. L&#39;augmentation de la densité des quasi-particules excitations modifie l&#39;inductance cinétique et donc l&#39;impédance complexe de la surface du supraconducteur. Cette réponse optique est observée comme un changement dans la fréquence de résonance à basse fréquence et une réduction du facteur de qualité du résonateur. Dans le schéma canonique de lecture pour un kine à micro-ondesDétecteur d&#39;inductance tic (mKid), le résonateur est couplé à une ligne d&#39;alimentation à micro-ondes et une transmission surveille le complexe à travers cette ligne d&#39;alimentation à une seule tonalité de fréquence micro-onde sur la résonance. Ici, la réponse optique est observée comme un changement dans l&#39;amplitude et la phase de transmission 5 (figure 1). Les systèmes de multiplexage dans le domaine fréquentiel sont capables de lire les tableaux de milliers de résonateurs. 6-7 Pour concevoir et mettre en œuvre des instruments à base de supraconducteurs résonateur avec succès, les propriétés de ces structures résonnantes doivent être caractérisés avec précision et efficacité. Par exemple, des mesures de précision sur les propriétés du bruit, les facteurs de qualité Q, les fréquences de résonance (y compris la dépendance de la température) et les propriétés de réponse optique des résonateurs supraconducteurs sont souhaités dans le cadre de mKid physique du dispositif, 8 informatique quantique, 9 et la détermination de faibles tematériaux de mpérature propriétés. 10 Dans tous ces cas, la mesure de la complexité des paramètres de diffusion de la transmission du circuit est souhaitée. Ce travail se concentre sur la détermination du coefficient de transmission complexe du résonateur, S 21, dont l&#39; amplitude et la phase peut être mesurée avec un analyseur de réseau vectoriel (VNA). Idéalement, le plan de référence VNA (ou port d&#39;essai) serait relié directement au dispositif sous test (DUT), mais un réglage cryogénique nécessite normalement l&#39;utilisation de structures de lignes de transmission supplémentaires pour réaliser une rupture thermique entre RT (~ 300 K) et la phase froide (~ 0,3 K dans ce travail; voir Fig ure 2). composants hyperfréquences supplémentaires tels que des coupleurs directionnels, des circulateurs, des isolateurs, des amplificateurs, atténuateurs, et les câbles d&#39;interconnexion associés peuvent être nécessaires pour préparer de manière appropriée, exciter, lire et le biais du dispositif d&#39;intérêt. leles vitesses et les dimensions de ces éléments varient en phase lors du refroidissement de la pièce à des températures cryogéniques, et par conséquent, ils affectent la réponse observée au niveau du plan d&#39;étalonnage de l&#39;appareil. Ces composants intermédiaires entre l&#39;instrument et l&#39;influence dispositif d&#39; étalonnage de plan le gain complexe et doivent être pris en compte de manière appropriée dans l&#39;interprétation de la réponse mesurée. 11 En théorie, un dispositif est nécessaire qui définit le plan de référence de mesure, identique à celui employé lors de l&#39;étalonnage, à l&#39;objet à tester. Pour atteindre cet objectif, on pourrait mesurer les normes d&#39;étalonnage sur plusieurs cool-bas; Cependant, cela pose des contraintes sur la stabilité du VNA et la reproductibilité de l&#39;instrument cryogénique, qui sont difficiles à atteindre. Pour atténuer ces préoccupations, on pourrait placer les normes nécessaires dans l&#39;environnement de test refroidi et basculer entre eux. Ceci est, par exemple, similaire à ce qu&#39;on trouve dans les stations de sonde à micro-ondes, Où les normes d&#39;échantillonnage et d&#39; étalonnage sont refroidis à 4 K par un flux d&#39;hélium liquide continu ou un système de réfrigération fermé de cycle. 12 Cette méthode a été démontrée à des températures sous-kelvin , mais nécessite une faible puissance, haute performance commutateur de micro - ondes dans le test de bande d&#39;intérêt. 13 Une procédure d&#39; étalonnage in-situ est donc souhaité qui représente la réponse instrumentale de transmission entre le plan de référence VNA et le plan d&#39;étalonnage de l&#39; appareil (fig ure 2) , et qui surmonte les limitations des méthodes décrites ci - dessus. Cette méthode d&#39;étalonnage cryogénique, présenté et discuté en détail dans Cataldo et al. 11, permet de caractériser plusieurs résonateurs sur une large gamme de fréquences par rapport à la largeur de la ligne de résonateur et l&#39; espacement inter-résonateur avec une précision de ~ 1%. Ce document mettra l&#39;accent sur les détails de la fabrication d&#39;échantillons et de préparationprocessus de paratifs, des procédures Test set-up et de mesure expérimentales utilisées pour caractériser résonateurs supraconducteur à micro - ondes avec des géométries de ligne plane. 11

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	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Microposit S-1811 Photoresist</td>
			<td style="width:111px;">Shipley</td>
			<td style="width:187px;"></td>
			<td style="width:201px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">BCB</td>
			<td style="width:111px;">Dow</td>
			<td style="width:187px;"></td>
			<td style="width:201px;">3022-35</td>
		</tr>
		<tr height="45">
			<td height="45" style="height:45px;width:216px;">SOI wafers</td>
			<td style="width:111px;">SOITec</td>
			<td style="width:187px;"></td>
			<td style="width:201px;">Fabricated with SmartCutTM process</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Mo</td>
			<td style="width:111px;">Kamis</td>
			<td style="width:187px;"></td>
			<td style="width:201px;">99.99%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Nb</td>
			<td style="width:111px;">Kamis</td>
			<td style="width:187px;"></td>
			<td style="width:201px;">99.95% (excludes Ta)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">E-6 metal etch w/AES</td>
			<td style="width:111px;">Fujifilm</td>
			<td style="width:187px;"></td>
			<td style="width:201px;">CPG Grade</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Acetone</td>
			<td style="width:111px;">JT Baker</td>
			<td style="width:187px;">9005-05</td>
			<td style="width:201px;">CMOS Grade</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">HF dip (1:10)</td>
			<td style="width:111px;">JT Baker</td>
			<td style="width:187px;">5397-03</td>
			<td style="width:201px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">PMMA</td>
			<td style="width:111px;">Microchem</td>
			<td style="width:187px;"></td>
			<td style="width:201px;">950 PMMA A2</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">GE 7031</td>
			<td style="width:111px;">General Electric</td>
			<td style="width:187px;"></td>
			<td style="width:201px;">Low-temperature adhesive</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Cryogenic Microwave Amplifier</td>
			<td style="width:111px;">MITEQ</td>
			<td>AF S3-02000400-08-CR-4</td>
			<td style="width:201px;">2-4 GHz, gain ~30dB</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">NbTi Semi-rigid SMA cables</td>
			<td style="width:111px;">Coax. Co.</td>
			<td style="width:187px;">SC-086/50-NbTi-NbTi</td>
			<td style="width:201px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Circulator</td>
			<td>PamTech</td>
			<td>CTD1229K</td>
			<td style="width:201px;">return loss &#62; -20 dB from 2-4 GHz</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">RF attenuator</td>
			<td>Weinschel</td>
			<td>Model-4M</td>
			<td style="width:201px;">7 dB attenuation</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Flexible SMA cables</td>
			<td style="width:111px;">Teledyne-Storm</td>
			<td>R94-240</td>
			<td style="width:201px;">ACCU-TEST</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Vector Network Analyzer</td>
			<td style="width:111px;">Agilent</td>
			<td>N5242A PNA-X</td>
			<td style="width:201px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Liquid He-4 cryogen</td>
			<td>Praxair&#160;</td>
			<td style="width:187px;"></td>
			<td style="width:201px;"></td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:216px;">Liquid N2 cryogen</td>
			<td style="width:111px;">Praxair&#160;</td>
			<td style="width:187px;"></td>
			<td style="width:201px;"></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fabrication and characterization of superconducting resonators

Supraconductrices résonateurs à micro-ondes sont d&#39;intérêt pour un large éventail d&#39;applications, y compris pour leur utilisation comme détecteurs à micro-inductance cinétique (MKIDs) pour la détection de signatures astrophysiques faibles, ainsi que pour les applications de calcul quantique et la caractérisation des matériaux. Dans cet article, les procédures sont présentées pour la fabrication et la caractérisation de couches minces supraconducteurs micro-ondes résonateurs. La méthode de fabrication permet la réalisation de résonateurs de ligne de transmission supraconducteurs avec des caractéristiques sur les deux côtés d&#39;un monocristal de silicium diélectrique atomiquement lisse. Ce travail décrit la procédure pour l&#39;installation de dispositifs résonateurs dans un four micro-ondes testbed cryogénique et de refroidissement en dessous de la température de transition supraconductrice. La mise en place du micro-ondes testbed cryogénique permet de faire des mesures précises de la transmission par micro-ondes complexe de ces dispositifs résonateurs, permettant l&#39;extraction de la properties des lignes supraconductrices et de substrat diélectrique (par exemple, des facteurs de qualité internes, les pertes et les fractions d&#39;inductance cinétique), qui sont importantes pour la conception et la performance appareil.

La réponse d&#39;une demi-onde de Mo 2 N résonateur (figure 5) fabriqué sur un monocristal de silicium diélectrique de 0,45 um a été validé avec cette méthode. Dans ce cas, le couplage à un guide d&#39; ondes Nb coplanaire (CPW) , la ligne d&#39; alimentation pour lecture est réalisée par l&#39; intermédiaire d&#39;un couplage capacitif à travers un rapport SiO 2 diélectrique déposée par pulvérisation cathodique, dans le &quot;H&quo...

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Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

Supraconductrices résonateurs à micro-ondes présentent un intérêt pour la détection des applications de calcul quantique et la caractérisation des matériaux légers. Ce travail présente une procédure détaillée pour la fabrication et la caractérisation des micro-ondes supraconducteur paramètres de diffusion de résonateur.

Fabrication et caractérisation de supraconductrices Resonators

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors ...

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10.3K vues.  NASA Goddard Space Flight Center.  Supraconductrices résonateurs à micro-ondes présentent un intérêt pour la détection des applications de calcul quantique et la caractérisation des matériaux légers. Ce travail présente une procédure détaillée pour la fabrication et la caractérisation des micro-ondes supraconducteur paramètres de diffusion de résonateur. 

Vidéo: Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

Simulation, Fabrication and Characterization of THz Metamaterial Absorbers

Metamaterials (MM), artificial materials engineered to have properties that may not be found in nature, have been widely explored since the first theoretical1 and experimental demonstration2 of their unique properties. MMs can provide a highly controllable electromagnetic response, and to date have been demonstrated in every technologically relevant spectral range including the optical3, near IR4, mid IR5 , THz6 , mm-wave7 , microwave8 and radio9 bands. Applications include perfect lenses10, sensors11, telecommunications12, invisibility cloaks13 and filters14,15. We have recently developed single band16, dual band17 and broadband18 THz metamaterial absorber devices capable of greater than 80% absorption at the resonance peak. The concept of a MM absorber is especially important at THz frequencies where it is difficult to find strong frequency selective THz absorbers19. In our MM absorber the THz radiation is absorbed in a thickness of ~ &lambda;/20, overcoming the thickness limitation of traditional quarter wavelength absorbers. MM absorbers naturally lend themselves to THz detection applications, such as thermal sensors, and if integrated with suitable THz sources (e.g. QCLs), could lead to compact, highly sensitive, low cost, real time THz imaging systems.

This protocol outlines the simulation, fabrication and characterization of THz metamaterial absorbers. Such absorbers, when coupled with an appropriate sensor, have applications in THz imaging and spectroscopy.

Simulation, fabrication et caractérisation de THz Absorbeurs métamatériaux

Metamaterials (MM),  artificial materials engineered to have properties that may not be found in  nature, have been widely explored since the first ...

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Ingénierie

Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

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 and for its considerable potential for practical applications. Slow light photonic crystal waveguides, in particular, have played a major part and have been successfully employed for delaying optical signals1-4 and the enhancement of both linear5-7 and nonlinear devices.8-11
Photonic crystal cavities achieve similar effects to that of slow light waveguides, but over a reduced band-width. These cavities offer high Q-factor/volume ratio, for the realization of optically12 and electrically13 pumped ultra-low threshold lasers and the enhancement of nonlinear effects.14-16 Furthermore, passive filters17 and modulators18-19 have been demonstrated, exhibiting ultra-narrow line-width, high free-spectral range and record values of low energy consumption.
To attain these exciting results, a robust repeatable fabrication protocol must be developed. In this paper we take an in-depth look at our fabrication protocol which employs electron-beam lithography for the definition of photonic crystal patterns and uses wet and dry etching techniques. Our optimised fabrication recipe results in photonic crystals that do not suffer from vertical asymmetry and exhibit very good edge-wall roughness. We discuss the results of varying the etching parameters and the detrimental effects that they can have on a device, leading to a diagnostic route that can be taken to identify and eliminate similar issues.
The key to evaluating slow light waveguides is the passive characterization of transmission and group index spectra. Various methods have been reported, most notably resolving the Fabry-Perot fringes of the transmission spectrum20-21 and interferometric techniques.22-25 Here, we describe a direct, broadband measurement technique combining spectral interferometry with Fourier transform analysis.26 Our method stands out for its simplicity and power, as we can characterise a bare photonic crystal with access waveguides, without need for on-chip interference components, and the setup only consists of a Mach-Zehnder interferometer, with no need for moving parts and delay scans.
When characterising photonic crystal cavities, techniques involving internal sources21 or external waveguides directly coupled to the cavity27 impact on the performance of the cavity itself, thereby distorting the measurement. Here, we describe a novel and non-intrusive technique that makes use of a cross-polarised probe beam and is known as resonant scattering (RS), where the probe is coupled out-of plane into the cavity through an objective. The technique was first demonstrated by McCutcheon et al.28 and further developed by Galli et al.29

Use of photonic crystal slow light waveguides and cavities has been widely adopted by the photonics community in many differing applications. Therefore fabrication and characterization of these devices are of great interest. This paper outlines our fabrication technique and two optical characterization methods, namely: interferometric (waveguides) and resonant scattering (cavities).

Fabrication et caractérisation de guides d&#39;ondes à cristal photonique lumière lente et les cavités

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 ...

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.

Les systèmes photoniques à micro-ondes Basé sur des résonateurs-galerie-mode de chuchotement

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

Design, Fabrication, and Experimental Characterization of Plasmonic Photoconductive Terahertz Emitters

In this video article we present a detailed demonstration of a highly efficient method for generating terahertz waves. Our technique is based on photoconduction, which has been one of the most commonly used techniques for terahertz generation 1-8. Terahertz generation in a photoconductive emitter is achieved by pumping an ultrafast photoconductor with a pulsed or heterodyned laser illumination. The induced photocurrent, which follows the envelope of the pump laser, is routed to a terahertz radiating antenna connected to the photoconductor contact electrodes to generate terahertz radiation. Although the quantum efficiency of a photoconductive emitter can theoretically reach 100%, the relatively long transport path lengths of photo-generated carriers to the contact electrodes of conventional photoconductors have severely limited their quantum efficiency. Additionally, the carrier screening effect and thermal breakdown strictly limit the maximum output power of conventional photoconductive terahertz sources. To address the quantum efficiency limitations of conventional photoconductive terahertz emitters, we have developed a new photoconductive emitter concept which incorporates a plasmonic contact electrode configuration to offer high quantum-efficiency and ultrafast operation simultaneously. By using nano-scale plasmonic contact electrodes, we significantly reduce the average photo-generated carrier transport path to photoconductor contact electrodes compared to conventional photoconductors 9. Our method also allows increasing photoconductor active area without a considerable increase in the capacitive loading to the antenna, boosting the maximum terahertz radiation power by preventing the carrier screening effect and thermal breakdown at high optical pump powers. By incorporating plasmonic contact electrodes, we demonstrate enhancing the optical-to-terahertz power conversion efficiency of a conventional photoconductive terahertz emitter by a factor of 50 10.

We describe methods for the design, fabrication, and experimental characterization of plasmonic photoconductive emitters, which offer two orders of magnitude higher terahertz power levels compared to conventional photoconductive emitters.

Conception, fabrication et expérimentale Caractérisation des plasmoniques émetteurs térahertz Photoconductive

In this video article we present a detailed demonstration of a highly efficient method for generating terahertz waves. Our technique is based on ...

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.

Fabrication et caractérisation des polymères désordonnés fibres optiques pour Transverse localisation d&#39;Anderson de la lumière

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.

Fabrication et les essais de microfluidiques opto oscillateurs

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

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical Saturable Transitions (POST). In this technique the chemical properties of organic photochromic molecules that undergo single-photon reactions are exploited, enabling rapid top-down nanopatterning over large areas at low light intensities, thereby, allowing for the circumvention of the far-field diffraction barrier.4 Simple, cost-effective, high throughput and resolution alternatives to nanopatterning are being explored, such as, two-photon polymerization5,6, beam pen lithography (BPL)7, scanning electron beam lithography (SEBL), and focused ion beam (FIB) patterning. However, multi-photon approaches require high light intensities, which limit their potential for high throughput and offer low image contrast. Although, electron and ion beam lithographic processes offer increased resolution, the serial nature of the process is limited to slow writing speeds, which also prevents patterning of features over large areas. Beam-pen lithography is an approach towards parallel near-field optical lithography. However, the gap between the source of the beam and the surface of the photoresist needs to be controlled extremely precisely for good pattern uniformity and this is very challenging to accomplish for large arrays of beams. Patterning via Optical Saturable Transitions (POST) is an alternative optical nanopatterning technique for patterning sub-wavelength features1-3. Since this technique uses single photons instead of electrons, it is extremely fast and does not require high light intensities1-3, opening the door to massive parallelization.

We report that the diffraction limit of conventional optical lithography can be overcome by exploiting the transitions of organic photochromic derivatives induced by their photoisomerization at low light intensities.1-3 This paper outlines our fabrication technique and two locking mechanisms, namely: dissolution of one photoisomer and electrochemical oxidation.

Patterning par Transitions Optical saturable - Fabrication et caractérisation

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical ...

Ohmic Contact Fabrication Using a Focused-ion Beam Technique and Electrical Characterization for Layer Semiconductor Nanostructures

Layer semiconductors with easily processed two-dimensional (2D) structures exhibit indirect-to-direct bandgap transitions and superior transistor performance, which suggest a new direction for the development of next-generation ultrathin and flexible photonic and electronic devices. Enhanced luminescence quantum efficiency has been widely observed in these atomically thin 2D crystals. However, dimension effects beyond quantum confinement thicknesses or even at the micrometer scale are not expected and have rarely been observed. In this study, molybdenum diselenide (MoSe2) layer crystals with a thickness range of 6-2,700 nm were fabricated as two- or four-terminal devices. Ohmic contact formation was successfully achieved by the focused-ion beam (FIB) deposition method using platinum (Pt) as a contact metal. Layer crystals with various thicknesses were prepared through simple mechanical exfoliation by using dicing tape. Current-voltage curve measurements were performed to determine the conductivity value of the layer nanocrystals. In addition, high-resolution transmission electron microscopy, selected-area electron diffractometry, and energy-dispersive X-ray spectroscopy were used to characterize the interface of the metal&#8211;semiconductor contact of the FIB-fabricated MoSe2 devices. After applying the approaches, the substantial thickness-dependent electrical conductivity in a wide thickness range for the MoSe2-layer semiconductor was observed. The conductivity increased by over two orders of magnitude from 4.6 to 1,500 &#937;&#8722;1 cm&#8722;1, with a decrease in the thickness from 2,700 to 6 nm. In addition, the temperature-dependent conductivity indicated that the thin MoSe2 multilayers exhibited considerably weak semiconducting behavior with activation energies of 3.5-8.5 meV, which are considerably smaller than those (36-38 meV) of the bulk. Probable surface-dominant transport properties and the presence of a high surface electron concentration in MoSe2 are proposed. Similar results can be obtained for other layer semiconductor materials such as MoS2 and WS2.

We describe the approaches for the device fabrication and electrical characterization of molybdenum diselenide (MoSe2) layer semiconductor nanostructures with different thicknesses. In addition, the fabrication of ohmic contacts for MoSe2-layer nanocrystals by the focused-ion beam deposition method using platinum (Pt) as a contact metal is described.

Contact ohmique fabrication utilisant une technique Focused Ion Beam-et caractérisation électrique pour la couche semi-conducteurs Nanostructures

Layer semiconductors with easily processed two-dimensional (2D) structures exhibit indirect-to-direct bandgap transitions and superior transistor ...

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices have used devices prepared by spin coating, a process that is not amenable to large-scale fabrication. This mismatch in device fabrication makes it difficult to translate quantitative results obtained in the laboratory to the commercial level, making optimization difficult. Using a mini-slot die coater, this mismatch can be resolved by translating the commercial process to the laboratory and characterizing the structure formation in the active layer of the device in real time and in situ as films are coated onto a substrate. The evolution of the morphology was characterized under different conditions, allowing us to propose a mechanism by which the structures form and grow. This mini-slot die coater offers a simple, convenient, material efficient route by which the morphology in the active layer can be optimized under industrially relevant conditions. The goal of this protocol is to show experimental details of how a solar cell device is fabricated using a mini-slot die coater and technical details of running in situ structure characterization using the mini-slot die coater.

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Here, we present a protocol to fabricate organic thin film solar cells using a mini-slot die coater and related in-line structure characterizations using synchrotron scattering techniques.

Fabrication d&#39;impression de gros hétérojonction cellules solaires et<em&gt; In Situ</em&gt; Morphologie Caractérisation

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Stimulated Stokes and Antistokes Raman Scattering in Microspherical Whispering Gallery Mode Resonators

Dielectric microspheres can confine light and sound for a length of time through high quality factor whispering gallery modes (WGM). Glass microspheres can be thought as a store of energy with a huge variety of applications: compact laser sources, highly sensitive biochemical sensors and nonlinear phenomena. A protocol for the fabrication of both the microspheres and coupling system is given. The couplers described here are tapered fibers. Efficient generation of nonlinear phenomena related to third order optical non-linear susceptibility &#935;(3) interactions in triply resonant silica microspheres is presented in this paper. The interactions here reported are: Stimulated Raman Scattering (SRS), and four wave mixing processes comprising Stimulated Anti-stokes Raman Scattering (SARS). A proof of the cavity-enhanced phenomenon is given by the lack of correlation among the pump, signal and idler: a resonant mode has to exist in order to obtain the pair of signal and idler. In the case of hyperparametric oscillations (four wave mixing and stimulated anti-stokes Raman scattering), the modes must fulfill the energy and momentum conservation and, last but not least, have a good spatial overlap.

Efficient generation of nonlinear phenomena related to third order optical non-linear susceptibility &#935;(3) interactions in triply resonant silica microspheres is presented in this paper. The interactions here reported are: Stimulated Raman Scattering (SRS), and four wave mixing processes comprising Stimulated Anti-stokes Raman Scattering (SARS).

Stimulé Stokes et antistokes Raman Scattering dans microsphériques Galerie Whispering mode Resonators

Dielectric microspheres can confine light and sound for a length of time through high quality factor whispering gallery modes (WGM). Glass microspheres ...