Fabricação e caracterização de guias de onda de luz de cristal fotônico lentas e cavidades

Resumo

O uso de guias de onda de luz de cristal fotônico lentos e cavidades tem sido amplamente adotado pela comunidade fotônica em muitas aplicações diferentes. Portanto fabricação e caracterização destes dispositivos são de grande interesse. Este artigo descreve a nossa técnica de fabricação e dois métodos de caracterização óptica, a saber: a dispersão interferométrica (guias de onda) e ressonância (cavidades).

Resumo

Luz lenta tem sido um dos temas quentes na comunidade fotônica na última década, gerando grande interesse, tanto do ponto de vista fundamental e para o seu considerável potencial para aplicações práticas. Lentas luz guias de cristal fotônico, em particular, têm desempenhado um papel importante e tem sido empregada com sucesso para retardar sinais ópticos ^1-4 e o reforço de ambos os dispositivos lineares e não-lineares ^{5-7. 8-11}

Cavidades de cristal fotônico obter efeitos semelhantes ao de guias de onda de luz lenta, mas mais de uma reduzida largura de banda. Estas cavidades oferecer Q-factor/volume proporção elevada, para a realização de ¹² e opticamente electricamente ¹³ bombeou lasers ultra-baixo limiar eo acessório de efeitos não lineares. ^14-16 Por outro lado, os filtros passivos ¹⁷ e moduladores ^18-19 foram demonstrados, exibindo ultra-estreito linha de largura, r livre-espectralange e gravar valores de baixo consumo de energia.

Para atingir estes resultados animadores, um protocolo de fabricação robusta repetitivo deve ser desenvolvida. Neste trabalho, dar uma olhada em profundidade no nosso protocolo de fabricação que utiliza litografia por feixe de elétrons para a definição de padrões de cristal fotônico e usa técnicas de gravura secos e molhados. Nossos resultados otimizados de fabricação receita em cristais fotônicos que não sofrem assimetria vertical e exibem muito bom aspereza da borda da parede. Discutem-se os resultados da variação dos parâmetros de corrosão e os efeitos nocivos que podem ter sobre um dispositivo, que conduz a uma via de diagnóstico que podem ser tomadas para identificar e eliminar os problemas semelhantes.

A chave para a avaliação de guias de onda de luz lentos é a caracterização de transmissão passiva e espectros de índice do grupo. Vários métodos têm sido relatados, principalmente resolver as franjas de Fabry-Perot de o espectro de transmissão de ^20-21 umtécnicas d interferométricos. ^22-25 Aqui, descrevemos um direto, técnica de medição de banda larga combinando interferometria espectral com análise de Fourier de transformação. Nosso método ²⁶ se destaca por sua simplicidade e poder, como podemos caracterizar um cristal fotônico nua com guias de acesso, sem necessidade para os componentes on-chip de interferência, ea instalação consiste apenas de um interferômetro de Mach-Zehnder, sem a necessidade de peças móveis e digitalizações de atraso.

Quando caracterização fotónicas cavidades de cristal, que envolvem técnicas de fontes internas ²¹ ou externas guias de onda directamente acoplados à cavidade ²⁷ no impacto do desempenho da própria cavidade, distorcendo assim a medição. Aqui, descrevemos uma nova técnica e não intrusivo que faz uso de uma sonda de feixe de polarização cruzada e é conhecida como espalhamento ressonante (RS), em que a sonda é acoplada fora do plano no interior da cavidade por meio de um objectivo. A técnica foi a primeira demonstraçãoted em ^28. McCutcheon et al e desenvolvido por Galli et al. ²⁹

Protocolo

Disclaimer: O protocolo a seguir dá um fluxo de processo geral que abrange as técnicas de fabricação e caracterização de guias de onda de cristal fotônico e cavidades. O fluxo do processo é otimizado para o equipamento específico disponível em nosso laboratório, e os parâmetros podem ser diferentes se outros reagentes ou equipamento é utilizado.

1. Preparação da Amostra

1. Clivagem de amostra - levar o silício sobre isolante wafer (SOI), e use um estilete de diamante para riscar uma linha de aproximadamente 1-2 mm de comprimento a partir da aresta da superfície de silício, assegurando que o zero se estende ao longo da borda da pastilha. Alinhar a zero para uma aresta recta (por exemplo a de uma lâmina de microscópio), e aplica-se mesmo com pressão positiva de ambos os lados do zero: a bolacha clivará ao longo do plano de cristal no local do zero. Repetir este procedimento para definir o chip inteiro.
2. Lavagem da amostra - Coloque a amostra no acetona CUIDADO usando uma pinça umnd limpar num banho de ultra-sons durante 1-2 min. Retirar a amostra a partir da acetona; enxaguar qualquer acetona remanescente a partir da amostra utilizando CUIDADO isopropanol (30 seg) (ambos acetona e isopropanol são inflamáveis: utilizar uma boa ventilação e evitar todas as fontes de ignição). Seca-se a amostra utilizando uma pistola de azoto seco e limpo.
3. Girar resistir - colocar a amostra sobre o spin coater. Pipeta eletrônica sensível resistir CUIDADO ZEP520A (ZEP520A é inflamável, nocivo por inalação e contato com a pele e olhos deve ser evitado) sobre a amostra - use o suficiente resistir para cobrir completamente a amostra sem a resistir a fluir sobre a borda. Girar a amostra, de modo a dar uma aprox. 350 nm de espessura de filme e cozer numa placa de aquecimento a 180 ° C durante 10 min. Encontramos esta espessura para ser a espessura ideal que equilibra resolução e resistência etch (ver adiante).

2. Definição de padrão

1. Design - usando um software apropriado, simular o padrão de cristal fotônico necessária. Um dormenteer de pacotes de software úteis estão disponíveis, incluindo, mas não limitados a: o MIT Bandas fotônicos (MPB), fullwave (RSoft), MIT propagação eletromagnética Equação (MEEP).
2. Geração padrão - criar os arquivos de exposição (GDS formato em geral) e de erro proximidade correta utilizando software apropriado ^30.
3. Exposição padrão - carregar a amostra na câmara do sistema de litografia por feixe de elétrons (LEO 1530 / Raith Elphy) e bombear para baixo. Uma vez que tenha sido alcançada a vácuo, ligar a fonte de EHT e ajustado para 30 kV. Deixar o sistema nesse estado durante 1 hora para permitir que a amostra de fase, e a câmara de atingir uma temperatura de equilíbrio. Definir-se o risco como indicado no manual do usuário de seu sistema específico de litografia por feixe de elétrons. Expor a amostra, utilizando um tamanho de passo básico adequado (por exemplo, 2 nm) (sendo este o tamanho de pixel mínimo que o sistema possa expor), um tempo de repouso de, pelo menos, 1 ms (sendo este o tempo que o sistema espera entre o movimento do feixe e expondoa porção particular do padrão), e uma dose de área de 55 μAcm ^-2.
4. Desenvolvimento amostra - usando Xileno CUIDADO (xileno é tanto trabalho inflamável e altamente tóxico em uma área bem ventilada e longe de fontes de ignição e evitar o contato com a pele e olhos) a uma temperatura de 23 ° C a desenvolver a amostra para 45 seg. Enxágüe em isopropanol.

3. Patten Transferência

1. RIE Lavagem Câmara - Definir as taxas de fluxo de argônio e hidrogênio a 200 sccm. Acelerador para baixo da bomba, através de uma válvula borboleta, para alcançar a câmara de pressão de 1 x 10 ^-1 mbar. Ajustar a potência de RF a 100 W, inflamar o plasma e para executar, pelo menos, 10 min - uma polarização DC de cerca de 700 V devem ser observadas. Depois de desligar a Ar / H ₂ plasma, permitir que a câmara da bomba durante cerca de 1 min. Definir a velocidade de fluxo de oxigénio para dentro da câmara a 200 sccm e mais uma vez a pressão na câmara do acelerador para baixo para 1 × 10 ^-1 mbar. Acenda um plasma segundode oxigênio com uma potência de 100 W e correr por 5 min. Após estes procedimentos, a câmara irá estar isentos de contaminantes, tais como resíduos de polímeros, a partir de qualquer etch anterior seco. Nós realizamos este procedimento antes de cada mudança em receita etch para assegurar o máximo de repetibilidade. Este processo foi optimizado para o nosso sistema, que consiste de uma placa paralela, cátodo carregado, RIE, com uma câmara principal de 12 centímetros de diâmetro por 14 cm de altura, incluindo uma porta de 12 polegadas com uma válvula de estrangulamento e turbo-bomba molecular ligado.
2. Etching cristal fotônico - carregar a amostra na câmara principal RIE e bombear o sistema até uma pressão de fundo de <3 x 10 ^-6 mBar para assegurar a câmara está livre de vapor de água. Comece a etch por pré-condicionamento da câmara com os gases de decapagem (ou seja CHF ₃ e SF _6): definir a taxa de fluxo de ambos os gases a 100 sccm (ou seja, uma razão de gás definida de 1:1) e utilizando o regulador de pressão na câmara de trazer pressão de 5 x 10 -2 mbar; permitir que os gases fluam para, pelo menos, 10 min. Depois de pré-condicionamento, ajustar a potência de RF para cerca de 20 W e inflamar um plasma; amostra a etch para cerca de 2 min (a taxa de corrosão de silício para estes parâmetros etch é de aproximadamente 150 nm / min), assegurando ao mesmo tempo que a pressão numa câmara de 5 × 10 ^-2 mbar é mantida. A polarização DC entre 200-220 V deve ser alcançado durante o período de gravação.
3. Amostra de limpeza para remover o remanescente de electrões sensível resistir - após decapagem a seco, limpar a amostra por lavagem em 1165 CUIDADO removedor (1165 é inflamável e pode provocar irritação nos olhos, nariz e vias respiratórias), com agitação ultra-sons durante 1-2 min, seguido por acetona e isopropanol como descrito acima (passo 1.2).
4. Isolamento membrana - spin-coat a amostra com foto sensível UV resistir CUIDADO Microposit S1818 G2 (S1818 G2 é inflamáveis ​​e provoca irritação nos olhos, nariz e trato respiratório) (ver passo 1.3). Usando um APLICÁVELe fotomáscara, definem janelas na resistir acima dos padrões de cristal fotônico usando o alinhador de máscara UV. Exponha a amostra para cerca de 30-45 seg. Desenvolver a resistir em CUIDADO Microposit desenvolvedor MF-319 (MF-319 é ​​um líquido alcalino e pode causar irritação nos olhos, nariz e trato respiratório) por 30-45 segundos, enxaguando depois em água desionizada. Prepara-se uma proveta de plástico com uma mistura de ácido fluorídrico CUIDADO 01:05 (1,1499 g / ml de HF 48-51%) (HF é extremamente corrosivo e facilmente destrói o tecido, quando o tratamento usa equipamento de protecção completo classificado para HF) para desionizada água. Note-se que por razões de segurança apenas copos de plástico e pinças devem ser utilizados com ácido fluorídrico. Submergir a amostra na mistura de ácido fluorídrico, durante 15 min. Após o condicionamento, lavar cuidadosamente a amostra em água desionizada. Remover o fotorresistente utilizando acetona e isopropanol (ver passo 1.2) remanescente - agitação a partir desta fase de ultra-sons e em diante, não podem ser usados. Para assegurar que a amostraé tão limpo quanto possível, a acetona e isopropanol lavagem com um enxágüe em solução CUIDADO Piranha (Piranha solução é muito enérgico, potencialmente explosiva e ataca materiais orgânicos, quando a manipulação usar equipamento pessoal de protecção total) (3:1 CUIDADO ácido sulfúrico (sulfúrico ácido é corrosivo e muito tóxico, quando a manipulação de equipamentos de proteção pessoal e evitar a inalação de vapores ou névoas) para CUIDADO peróxido de hidrogênio (água oxigenada é muito perigoso em caso de contato com a pele e olhos, quando a manipulação uso de equipamentos de proteção individual)) por 5 min , em seguida, lavar a amostra em água desionizada, acetona e isopropanol. Note-se que por razões de segurança béqueres de vidro e apenas uma pinça de metal deve ser utilizado com a solução de Piranha. Como solução Piranha podem explodir em contacto com acetona ou isopropanol, que deve ser manuseado a partir desses reagentes.
5. Clivagem faceta - se preparar um cristal fotônico guia de ondas de baixa luz, a exemplo requer clivagem faceta. Cleave a sample seguindo o mesmo procedimento como descrito na etapa 1.1, com excepção de que, como um arranhão pequeno quanto possível, deve ser utilizado. Um chip SOI com ~ 700 mM substrato de espessura pode ser confiavelmente clivada até 4-5 amostras mm de comprimento.

4. Caracterização Waveguide cristal fotônico Slow-luz

1. Preparação preliminar do setup - conectar a saída de uma banda larga CUIDADO emissão espontânea amplificada (ASE) fonte de luz (radiação infravermelha invisível: evitar desnecessários altas potências, cobrir caminho do feixe se possível) para um divisor de fibra de 3 dB e usar cada uma das saídas para luz par em dois braços de um espaço livre de Mach-Zehnder interferometeter (MZI), como mostrado na Figura 9. Usar lentes asféricas para colimar a saída de luz das fibras. Em um dos braços do interferómetro, utilizar duas lentes asféricas adicionais para acoplar o feixe de luz para dentro e para fora do chip amostra. Coloque um divisor de feixe de polarização (PBS) no braço de amostra para o ligh TE-polarizet introdução da amostra. Usar lentes asféricas para acoplar os feixes de saída colimada a partir de ambos os braços de volta para uma segunda fibra divisor 3 dB, onde irão recombinar. Conectar uma das saídas para um detector de infravermelhos e utilizar a leitura do detector de maximizar o acoplamento de luz na amostra, ligar a saída para um analisador de espectro óptico (OSA). Os dois ramos da MZI deverá ter aproximadamente o mesmo comprimento óptico quando na presença da amostra: certifique-se de que as fibras dos dois ramos da MZI têm o mesmo comprimento nominal e prevê uma fase de atraso ajustável no braço de referência para permitir para o ajuste fino do seu comprimento. No braço de amostra, montar as lentes asféricas em fases de precisão xyz para obter o melhor acoplamento na amostra.
2. Ajustar o comprimento do braço de referência - acoplar o feixe de luz a um guia de ondas de crista em branco (isto é, sem cristal fotônico) (do mesmo tipo que o acesso de guias de onda de luz que se alimentam no interior dos cristais fotônicos) wifluidificar o mesmo chip no braço de amostra. Executar uma varredura contínua no OSA e observar os espectros de onda medido. Se os dois ramos da MZI têm aproximadamente o mesmo comprimento óptico, as franjas de espectros de exposição devido à interferência construtiva e destrutiva; estas franjas não aparecerá se os braços do MZI ter muito diferentes comprimentos ópticos (> ~ cm). O espaçamento franja é inversamente proporcional à diferença no comprimento do percurso óptico entre os dois braços. Mover a fase de atraso de tornar o braço mais curto referência e observar as franjas da OSA: se eles se tornarem mais densa (sparser), o braço de referência é menor (mais) do que o braço de amostra. Definir a fase de atraso para certificar-se de que o braço de referência é menor do que o braço de amostra e os resultados no espaçamento franja de aproximadamente 5 a 10 franjas em uma gama de comprimento de onda de 10 nm (ver Figura 10a). Finalmente, executar esta otimização no dispositivo que fornece o atraso máximo e depois manter o atraso fixo ao longo da mediçãode toda a amostra.
3. Calibração de correr - enquanto ainda alinhado na guia de ondas em branco, executar três verificações sobre o OSA: uma verificação para o espectro de interferência e uma verificação para cada um dos dois braços em separado (obtido através do bloqueio do outro braço). Use uma resolução de 0,05-0,1 nm. Registre cada espectro medido.
4. Lento de aquisição de dados de luz - executar e gravar três espectros como no passo 4,3 para cada guia de ondas de cristal fotônico no chip.
5. A análise de Fourier dos dados - o espectro de interferência (interferograma) I (ω) é expresso matematicamente por:
   I (ω) = S (ω) + R (ω) + sqrt [S (ω) R (ω)] {exp [iΦ (ω) - iωτ] + cc}
   onde S (ω) e R (ω) são as densidades espectrais medidos separadamente a partir da amostra e os braços de referência, respectivamente. O atraso τ é definido pela posição da fase de atraso no braço de referência. A informação sobre a dispersão do guia de ondas de cristal fotônico está contido na fase deprazo, o que nós temos que extrair a partir dos dados medidos.
   Subtraia a não interferir fundo S (ω) + R (ω) a partir do interferograma para isolar apenas o termo interferente. Calcular a transformada de Fourier do termo interferindo: o termo sqrt (SR) exp [i (Φ-ωτ)] e seu conjugado complexo correspondem aos picos centrados em t = τ e t =-τ, respectivamente. Filtrar numericamente um dos dois termos e transformar de novo para o domínio da frequência. Diferenciar a fase Φ (ω) - ωτ dos dados resultantes relativamente à ω obter Δτ _g, a diferença no atraso de grupo entre os dois braços. O grupo de índice n _g = c / v _g, com velocidade v _g o grupo, é dada por:
   n = _{g (g} Δτ ^PhC - Δτ _g ^cal) c / L + n _cal,
   onde Δτ _g ^cal é obtida a partir dos dados de calibração tomadas from o guia de ondas em branco, L é o comprimento do guia de ondas de cristal fotônico e n = 2,7 _cal é o índice efectivo do guia de ondas cume referência. O contributo para o atraso de vários elementos ópticos do configuração é tido em conta na perspectiva de calibração, e, por conseguinte, é subtraído neste passo.

6. Curva de transmissão - calcular a curva de transmissão através da normalização do espectro da amostra de um guia de ondas de cristal fotônico ao do condutor de ondas em branco.

5. Caracterização Cavidade de cristal fotônico

1. Setup - a preparação da configuração (Figura 14) para RS inclui: de comutação do elemento de troca para o divisor de feixe de polarização; inserção de um polarizador no braço de entrada, bem como um analisador no braço de saída; inverter um espelho no braço sonda para permitir a utilização de uma fonte de infravermelho próximo; permitem a iluminação da amostra. Monte da amostra na vertical, com uma orientação de 45 ° em relação ao eixodo polarizador (Figura 18) sobre um diferencial accionado xyz micro-bloquear e ajustar o bloco de micro-, de modo que a amostra está no foco e uma cavidade pode ser visto com a câmara, como na Figura 15 (esquerda). Usando uma emissão espontânea amplificada (ASE) fonte, alinhar o feixe com o centro da cavidade Figura 15 (direita). Virar distância do espelho de iluminação e permitem que o braço de saída para introduzir o espectrómetro (monocromador com detector de arranjo em anexo). Iniciar uma verificação geral com baixa a moderada resolução, a fim de identificar os picos da cavidade. Obter o comprimento de onda da ressonância grosseiro na verificação ASE (figura 16a), com uma precisão de 1 nm. Também é possível obter a verificação amplo com uma fonte de laser sintonizável CUIDADO (TLS) (Figura 16-B) (radiação IR invisível: evitar a desnecessária potências elevadas, cobrir caminho do feixe, se possível). Um tem que ter cuidado para que a resolução está definida para o valor mais alto, a fim deprovar os line-larguras de cada pico.
2. Realizar exames de alta resolução sobre os picos identificados - conectar as TLS para o braço de entrada e de atenuar o feixe a um nível mW. Prepare-se para a varredura de alta resolução, permitindo que o braço de saída a ser recolhido pelo fotodetector e criação de uma varredura varredura contínua com uma resolução de 01:00 para uma ampla nm 2 centrada no comprimento de onda de ressonância anteriormente encontrado. A importância deste passo é o de melhorar a relação sinal-ruído (SNR), com o objectivo de obter uma linha de ressonância em forma de Lorentz: alterar a posição do bloco de xyz micro e voltar a executar a verificação até que a SNR é maximizada e a linha-forma é próximo do de uma Lorentziana, como mostrado na secção 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...

Discussão

Fabricação Amostra

Nossa escolha de feixe de elétrons resistir (ou seja ZEP 520A) é devido a sua resolução simultaneamente alta e resistência à corrosão. Acreditamos que ZEP 520A pode ser afectada pela luz UV emitida das luzes do laboratório gerais, como tal é recomendável colocar spin-revestidos amostras em recipientes opacos UV enquanto movendo-os a partir de um laboratório para outro.

Passando para a definição do padrão de cristal fotôni...

Materiais

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