저자는 미국 항공 우주국 (NASA)의 장미와 APRA 프로그램의 자금 지원을 인정합니다. GC는 NASA에서 자신의 약속을 관리하기위한 대학 우주 연구 협회을 인정합니다.

1. 마이크로 스트립 라인 공진기 제작 (14) (그림 3) <ol><li> H 2 O 2 (3 : 1) 10 분 동안 혼합 갓 H 2 SO 4, 0.45 μm의 두께의 실리콘 소자 층을 갖는 실리콘 - 온 - 인슐레이터 (SOI) 웨이퍼, 청소. 그런 다음 질소 총 10 분 건조를위한 탈 이온수에서 웨이퍼를 씻어. HF (10 : 1) 이후에 처리하기 직전, H 2 O의 웨이퍼를 찍어 10 초, 5 분 동안 탈 이온수에 헹군다. </li><li> 게르마늄 (창) 등 S-1811 등 / 긍정적 인 포토 레지스트로 구성되어 리프트 오프 마스크를 제작. (15) <ol><li> 스핀 코트 박형화 포지티브 포토 레지스트 이중층 (2 부 신나-P : 1 부 포지티브 포토 레지스트)와 웨이퍼 (30) 초 후 전자빔 입금 게르마늄 4,000 rpm에서. </li><li> 제 1 분간 웨이퍼 상에 헥사 메틸 디 실라 잔을 (HMDS)을인가 한 후 30 초 동안 3000 rpm에서 과잉 스핀 오프하여 포토 리소그래피를 이용하여 패턴 창. </li><li> SPI30 초 동안 2,000 rpm에서 110 ℃에서 1 분 동안 핫 플레이트에 구워 : N에 긍정적 인 포토 레지스트 (1 부 긍정적 인 포토 레지스트 2 부 얇은-P)를 얇게. 포토 레지스트를 노광하고, 테트라 메틸 암모늄 히드 록 시드 계 용액으로 레지스트 개발할 스프레이 마스크 얼 라이너를 사용한다. </li><li> 반응성 이온은 포토 레지스트의 언더컷 달성하기 위해 O 2 플라즈마와 포토 레지스트를 기본 70 W. 애쉬에서 SF 6 / O 2 플라즈마로 게르마늄을 에칭. </li><li> 500 W, 4 시간 동안 아세톤 가득한 비커 내부의 웨이퍼를 배치하여 들어 올립니다에서 아르곤 3.7 만 T (AR)와 DC 마그네트론 스퍼터 - 예금 니오븀 (Nb를) 접지면. </li></ol></li><li> 스핀 코트 bisbenzocyclobutene (BCB)이 SOI 웨이퍼의 NB-코팅 표면에 30 초간 4000 rpm에서 다른 실리콘 웨이퍼의 한쪽면에 관한 것이다. 200 ℃에서 3 바의 압력과 함께 두 BCB 코팅 표면 접합. </li><li> 수동으로 거꾸로 플립 웨이퍼 스택은 SOI 웨이퍼의 뒷면을 처리하기 시작합니다. </li><li>보쉬 공정을 사용하여 딥 반응성 이온 에칭에 이어 알 2 O 3 슬러리를 사용하여 기계적 래핑에 의해 실리콘 핸들 웨이퍼 식각 16 엣지 H 2 O로 매립의 SiO2 층 :. HF (10 : 1)을 20 분 동안. </li><li> 입금 몰리브덴 질화물 W 3.3 mT 내지 700에서 DC 마그네트론 반응성 스퍼터링을 이용한 MO (2 N) (AR : N 2 분압 = 7 : 1). 30 초 동안 2,000 rpm에서 30 초 동안 2,000 rpm으로 회전하고 회전 한 다음 2 분 동안 180 ℃로 소성하여 패턴 공진기는 긍정적 인 포토 레지스트 (1 부 긍정적 인 포토 레지스트 2 부 얇은-P)를 얇게. 반응성 이온 에칭에 테트라 메틸 암모늄 히드 록 시드 계 용액 재에 포토 레지스트를 개발한다. 인산 계 용액을 몰리브덴이 N 에칭. </li><li> 2 분 전자빔 증착 한 다음, 30 초 동안 5000 rpm에서 폴리 메틸 메타 크릴 레이트 (PMMA)에 회전 및 180 ℃로 소성함으로써 게르마늄 / PMMA 이중층으로 구성된 리프트 - 오프 마스크를 제조게르마늄의 osition. Nb를 전송선 입금 스퍼터 아세톤으로 리프트 오프 (포지티브 포토 레지스트 PMMA로 치환 된 것을 제외하고는 단계 1.2 참조). </li><li> 일부 실시 예, 무선 주파수 (RF)에서 긍정적 인 포토 레지스트로 회전시켜 SiO2로, 패턴을 예금 스퍼터과 불화 산 기반 솔루션에 에칭. 단계 120에 설명 된대로 그리고, 게르마늄 / 포지티브 포토 레지스트 리프트 오프 용 마스크를 사용하여 스퍼터 증착 된 박막 Nb를 리프트 오프. </li></ol> 테스트 패키지 마이크로 웨이브 공진기 칩의 설치 2. 절차 <ol><li> 시스템 설계 및 금으로 이루어진 테스트 패키지 (호주) 코팅 된 구리 공동 공진기 칩 치수 급전선 입출력 위치와 일치 (베이스 및 뚜껑). 주 : 상기 하우징의 공극 크기는 관심있는 대역에 걸친 최소 기생 커플 링 단일 모드 동작을 지원하도록 지정한다. </li><li> 설계 및 제어 임피던스 전자 팬 OU를 제작이 항공사는 t 기판 (17) 칩과 서브 미니어처 버전 A (SMA) 커넥터 사이의 신호. </li><li> 중심 도체 핀 대응하는 팬 아웃 보드 접촉 패드 위에 정렬되도록 테스트 패키지의 입력 및 출력에 SMA 커넥터를 삽입한다. 단락을 방지하고, 중심 도체 핀의 영역에 땜납을 적용하는 솔더 마스크를 적용한다. 땜납을 용융 ~ 5 분 동안 200 ° C에 핫 플레이트 열에서 패키지를 놓습니다. 식지 후 솔더 마스크를 제거합니다. </li><li> 아프리카 연합 코팅 된 구리 패키지 공동 같은 온 - 칩 급전선 출력 및 입력 패드는 해당 팬 아웃 보드 동일 평면 도파관에 가까운 정렬되었는지 (CPW) 라인으로 공진기 칩을 탑재합니다. 칩의 모서리의 가장자리에 접촉 구리 클립 칩을 고정합니다. </li><li> 접촉 패드 팬 아웃 보드 사이에 칩 알루미늄 와이어 본드 초전도 놓습니다. 여기서 제시하는 경우의 최대 수 (~ 4 플레이스 - 참조 <str옹&gt; ~ 500-600 μm의 긴 ~ 250 μm의에서 높이 와이어 본드, 그림 4)는 SMA 커넥터 입력과 출력 및 온 - 칩 CPW의 급전선 사이의 임피던스 일치를 제공합니다. </li><li> 와이어 본딩 후, 멀티 미터로 입력 및 출력 커넥터의 중앙 핀 사이의 DC 저항을 확인하고, 중심 핀과 그라운드 사이에, 확인을 위해 두 개의 센터 핀 사이의 전기적 접속과 중심 사이의 개방 연결이 라인 및 접지. </li></ol> 극저온 헬륨 3 마이크로 웨이브 테스트 베드에서 마이크로 웨이브 공진기의 설치를위한 3. 지원 절차 <ol><li> SMA 케이블의 시리즈는 장치가 장착되는 0.3 K 콜드 스테이지 RT에서 전달되는도 2에 도시 된 구성에서와 같이 테스트 베드를 조립한다. </li><li> 에, 낮은 전자 레인지 손실을 제공하기 위해 그림 2와 같이 구리 (Cu) 및 초전도 니오븀 - 티타늄 (NBTI) 케이블을 설치하고NBTI 케이블, 낮은 열 전도성의 경우. 2-K 및 0.3-K 단계 사이의 열 차단으로 NBTI 케이블을 사용합니다. </li><li> 공진기 장치의 대역 저잡음 증폭 용 출력 선에 K 2 단계에서 저온 고 전자 이동도 트랜지스터 (HEMT) 앰프를 탑재하고, 서큘 레이터를 설치한다. </li><li> 이 앰프의 입력에서 출력 라인에 저온 순환 장치를 삽입합니다. </li><li> 0.3-K 감기 단계에 볼트로 고정 브라켓에 포장 된 공진기 장치를 탑재합니다. </li><li> 정합 종단을 제공하고이 감쇠기 입력 및 출력 패키지에 적절한 SMA 케이블을 연결하기 위해 패키지의 입력측에 마이크로파 감쇠기를 연결한다. 이러한 제어 임피던스 종단이 잘 일치하고 가능한 테스트 대상 장치에 가까이 있는지 확인 - 그들은 &quot;장치 교정 평면을&quot;정의 (그림 2 참조). </li><li> 그라 이오 스탯을 닫습니다. 장치를 냉각하는 표준 절차를 따르십시오0.3 K.에의 </li></ol> 마이크로 웨이브 공진기 측정 4. 절차 <ol><li> 장치 피 시험 설계 주파수 - (여기서 고려 장치, 8 GHz의 10 메가 헤르츠) 넓은 주파수 대역에 걸쳐 스캔 할 VNA를 설정한다. 시험 장치에 적합한 수준으로 VNA의 전력 레벨을 조정 (~ -30 dBm으로, 여기에서 고려되는 디바이스). 주 : 초전도 마이크로파 공진기 초전도 급전선의 임계 전류를 초과하지 않도록 상기 입력 RF 전력 레벨이 충분히 낮은 것을 확인. 전력 레벨이 충분한 신호 대 노이즈 비를 제공하기에 충분히 높다는 것을 보장한다. </li><li> VNA 설명서에있는 VNA 소프트웨어 지침에 따라, 표준 짧은 오픈로드 - 스루 (SOLT) 절차에 따라 유연한 RF 케이블을 보정합니다. 이후 상기 입력에 연결되는 벡터 네트워크 분석기에서 경로 및 플렉시블 케이블의 각각의 출력에서​​ 종료, 단락 및 개방 표준을 통해 삽입측정을위한 저온 유지 장치의. 이 교정은 &quot;악기 기준면&quot;를 정의 (예를 들어,도 2 참조). </li><li> 이 SOLT 보정 후, 스루 선 투과, S (21)은 VNA로 측정하여 연결된 확인하여 보정의 정확도를 확인 낮은 잔류 에러를 갖는다 (즉, 응답 ~ 0dB 레벨 S 11, S에있을 22) ≤ -50 dB, 예를 들어, 낮습니다. </li><li> 그라 이오 스탯의 입력 및 출력 라인에 유연한 케이블을 연결합니다. </li><li> 마이크로파 증폭기 회사가 제공하는 문서에 지정된 필요한 DC 바이어스 전압을인가함으로써, 극저온 전자 증폭기를 켜고. </li><li> 첫째, VNA의 광대역 스캔 (10 메가 헤르츠 - 8 GHz의, 여기서 고려 장치에 대한) 완료 S (21) 기본 구조를 관찰하고 날카로운 높은 Q 검색을 &lt;/ EM&gt; 마이크로파 공진기를 나타내는 구조. </li><li> 그리고, 주파수 범위 (~ 2 - 4 GHz의 여기를 고려 장치) 좁히 공진 주파수 대역에 걸쳐 스캐닝하도록 VNA의 (여기에서 고려되는 디바이스 ~ 30000) 데이터 포인트의 수를 조정한다. 원위치 보정을 수행하는 기준이 나중에 끼워 위해 적절한 기준 범위를 제공하기 위하여 충분히 넓은 주파수 대역을 사용 (개요에 대한 설명을 참조). 주 : 잡음 레벨에 따라서 평균의 수를 증가 또는 신호 - 대 - 잡음을 개선하기 위해 IF 대역폭을 감소시킨다. </li><li> 후 측정 현장 교정 및 분석 및 품질 요인과 공진 주파수의 추출 파일로 복잡한 전송 데이터의 이러한 VNA 데이터 스캔을 저장합니다. (11) </li></ol>

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저자는 더 경쟁 재정적 이해 관계가 없음을 선언합니다.

단일 플립 제조 공정은 0.45 μm의 박막 단결정 Si 기판의 양면에 초전도 공진기를 실현하기위한 수단을 제공한다. 하나는 1 × 10 4.0-6.5 GHz의 범위 &lt;손실 탄젠트와 (예시 3 N 4)을 증착 유전체보다 크기 낮은 손실의 순서 이상을 가지고 있기 때문에 단결정 실리콘 유전체를 사용하도록 동기를 부여 할 수있다 - 이 기판은 하나의 빛과 낮은 공진에 공진 크로스 토크를 이탈하는 ...

천체 물리학 기기의 발전은 최근 적외선의 검출을 위해 초전도 마이크로파 공진기를 도입 한 -. 4 초전도 공진기는 에너지 E의 적외선에 반응 = HV&gt; 2Δ은 (Δ이며, h는 플랑크 상수, V는 방사 주파수이고 곳 초전도 갭 에너지). 공진기는 또한 초전도 임계 온도 이하로 냉각 될 때,이 입사 방사선 공진 체적 쿠퍼 쌍 끊어 준 입자 음원 정보를 생성한다. 기진 준 입자의 밀도 증가는 따라서 초전도체의 복잡한 표면 임피던스 운동 인덕턴스를 변경하며. 이 광 반응은 더 낮은 주파수의 공진 주파수의 변화와 공진기의 품질 인자의 감소로서 관찰된다. 전자 kine를위한 표준 판독 방식에서TIC 인덕턴스 검출기 (MKID) 공진기는 마이크로파 급전선에 연결되고 다른 하나는 단일 공진 마이크로파 주파수 톤에이 급전선을 통해 복잡한 송신을 모니터링한다. 여기서, 광학 응답의 진폭 및 변속기 (5) (도 1)의 두 위상의 변화로서 관찰된다. 주파수 영역 다중화 방식은 공진기의 수천의 어레이를 판독 할 수있다. 6-7 성공적으로 설계 및 초전도 공진 기반 장비를 구현하기 위해, 이러한 공진 구조의 특성을 정확하고 효율적으로 특징 지어 질 필요가있다. 예를 들어, 잡음 특성의 정밀 측정, 품질 MKID 장치 물리학 8 양자 컴퓨팅, (9)의 컨텍스트와 저 결정에 요구되는 Q (그 온도 의존성 포함)의 공진 주파수와 초전도 공진기의 광학 응답 특성 요인 테mperature 재료 특성. (10) 이러한 모든 경우에서, 송신 회로의 복잡한 산란 파라미터의 측정이 요구된다. 이 작업은, 공진기의 복잡한 전달 계수의 결정에 집중 진폭 및 위상 벡터 네트워크 애널라이저 (VNA)로 측정 할 수있다 (21), 에스. 이상적으로, VNA 기준면 (또는 테스트 포트)이 직접 테스트 대상 장치 (DUT)에 접​​속 될 수 있지만, 극저온 설정이 정상적으로 RT 사이의 열 차단 (~ 300 K)를 실현하기위한 추가 전송 라인 구조의 사용을 필요로하며 추운 단계 (이 작품에서 ~ 0.3 K는 도면의 URE 2 참조). 이러한 방향성 결합기, 서큘 레이터, 아이솔레이터, 증폭기, 감쇠기 및 연관된 상호 접속 케이블과 같은 추가의 전자 부품은 적절히 준비 자극, 주목 장치를 판독하는데 필요한 바이어스 될 수있다. 그만큼극저온 실온에서 냉각시의 위상 속도 및 이들 구성 요소의 크기는 다르며, 따라서 그들은 장치 교정면에서 관찰 된 반응에 영향을 미친다. 장비 및 장치 교정 평면 영향 복소 이득 및 이들 사이에 개재 구성 요소를 적절하게 측정 된 응답의 해석에 설명 될 필요가있다. (11) 이론에서, 방식은 DUT의 교정시 이용 하나, 동일한 측정 기준 평면을 설정하는 것을 필요로한다. 이 목표에 도달하기 위해, 하나는 여러 쿨 다운을 통해 교정 표준을 측정 할 수; 그러나, 이것은 달성하기 곤란하다 VNA의 안정성 및 저온 기기의 반복성에 대한 제약을 야기. 이러한 문제를 완화하기 위해, 하나의 냉각 된 테스트 환경에 필요한 기준을 배치하고 그 사이를 전환 할 수있다. 전자 레인지 프로브 스테이션에서 발견 된 내용이 유사한 예를 들면,샘플 및 보정 기준 (12)이 방법은 서브 켈빈 온도에서 입증되었다. 연속 액체 헬륨 류 또는 폐쇄 - 사이클 냉동 시스템에 의해 4 K로 냉각하지만의 저전력, 고성능의 전자 스위치가 요구되는 곳 테스트 관심의 밴드. (13) 인 - 시튜 교정 절차 따라서 VNA 기준면 전술 한 방법의 한계를 극복 장치 교정 평면 (도를 URE 2)의 계기 송신 응답을 차지하고있는 것이 바람직하다. 이 극저온 교정 방법, 표시 및 카탈 외.도 11에서 자세히 설명은 하나의 폭 ~ 1 %의 정확도로 공진 선폭 간 공진 간격에 비해 주파수 범위에 걸쳐 다수의 공진을 특성화 할 수있다. 이 논문은 샘플 제작 및 준비의 세부 사항에 초점을 맞출 것이다aration 공정 실험 테스트 셋업 및 측정 절차는 평탄한 선 형상으로 초전도 마이크로파 공진기를 특성화하기 위해 사용된다. (11)

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="715">
	<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

초전도 마이크로파 공진기 희미한 천체 물리학 서명의 검출을위한 마이크로 웨이브 운동 인덕턴스 검출기 (MKIDs)로서의 사용을 포함 대해서뿐만 아니라 양자 컴퓨팅 애플리케이션과 재료 특성, 다양한 애플리케이션을 위해 관심이다. 본 논문에서는 절차는 박막 초전도 마이크로파 공진기의 제조 및 특성에 대해 제공됩니다. 제조 방법은 아주 매끄러운 단결정 실리콘 유전체의 양쪽 기능 전송선 초전도 공진기의 실현을 허용한다. 이 작업은 극저온 전자 시험대으로 초전도 전이 온도 이하로 냉각 용 진동 장치를 설치하는 절차를 설명한다. 극저온 전자 시험대의 셋업은 PR의 추출을 가능하게 한 다음 진동 장치의 복잡한 전자 전송에주의를 측정 할 수 있도록장치 설계와 성능에 중요한 초전도 선 및 유전체 기판 (예를 들어, 내부 품질 요인 손실 인덕턴스 운동 분획)의 operties.

0.45 μm의 단결정 실리콘 유전체 상에 제조 반파 모 N 2 공진기 (도 5)의 반응은이 방법으로 검증 하였다. 이 경우에있어서, Nb를 동일 평면 도파관에 커플 링 (CPW) 급전선에 대한 판독은 상기 공진기의 개방 단부 중 한 영역 형상은 &quot;H&quot;의 스퍼터 증착 된 SiO2를 유전체층을 통해 용량 성 결합을 통해 달성된다 (참조 : 프로토콜 1.6 절). 다른 예?...

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Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

초전도 마이크로파 공진기는 빛, 양자 컴퓨팅 애플리케이션 및 재료 특성의 검출에 대한 관심이다. 이 작품은 제조 및 초전도 전자 레인지 공진 산란 매개 변수의 특성에 대한 자세한 절차를 제공합니다.

초전도 공진기의 제조 및 특성

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 조회수.  NASA Goddard Space Flight Center.  초전도 마이크로파 공진기는 빛, 양자 컴퓨팅 애플리케이션 및 재료 특성의 검출에 대한 관심이다. 이 작품은 제조 및 초전도 전자 레인지 공진 산란 매개 변수의 특성에 대한 자세한 절차를 제공합니다. 

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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.

THz Metamaterial Absorbers 시뮬레이션, 제조 및 특성

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

연구

공학

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).

광자 크리스탈 느린 경 Waveguides 그리고 안의 공간의 제조 및 특성

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.

마이크로 웨이브 포토닉스 시스템 속삭이는 - 갤러리 모드 공진기를 기반으로

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.

Plasmonic의 광전 테라 헤르츠 터의 설계, 제작 및 실험 특성

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.

빛의 통과 앤더슨 현지화 무질서 폴리머 광섬유의 제조 및 특성

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.

제작 및 미세 유체 광​​ 기계 발진기의 테스트

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.

광학 가포 전환을 통해 패터닝 - 제조 및 특성

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.

오믹 접촉 제조 집중 이온 빔 기술 및 전기 특성 계층 반도체 나노 구조를 위해 사용

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.

벌크 이종 접합 태양 전지의 인쇄 제작 및<em&gt; 현장에서</em&gt; 형태학 특성

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).

Microspherical 위스퍼 링 갤러리 모드 공진기에 자극 스톡스와 Antistokes 라만 산란

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