Os autores reconhecem apoio financeiro das rosas e dos programas APRA Aeronautics and Space Administration (NASA) &#39;s. GC também reconhece a Universidades Espaço Research Association para administrar sua nomeação na NASA.

1. Microstrip Linha ressonador Fabrication 14 (Figura 3) <ol><li> Limpar uma bolacha de silício sobre isolante (SOI), que tem uma camada do dispositivo de silício de 0,45 um de espessura, com H acabado de misturar 2 SO 4: H 2 O 2 (3: 1) durante 10 min. Em seguida, lavar o wafer em água deionizada por 10 minutos e seque com uma arma de azoto. Imediatamente antes do processamento, posteriormente, mergulhar a bolacha em H 2 O: HF (10: 1) durante 10 seg e de enxaguar em água desionizada, durante 5 min. </li><li> Fabricar uma máscara de lift-off, que consiste de um germânio (Ge) / fotorresistente positivo tal como S-1811. 15 <ol><li> Spin-coat o wafer com diluído bicamada fotorresiste positivo (2 partes mais finas-P: 1 parte fotorresiste positivo) a 4.000 rpm por 30 segundos e, em seguida, depósito por feixe de elétrons Ge. </li><li> Padrão Ge usando a foto-litografia aplicando primeiro hexametildissilazano (HMDS) na bolacha durante 1 min e, em seguida, fiar o excesso a 3000 rpm durante 30 segundos. </li><li> Spin on diluído fotorresiste positivo (2 partes mais finas-P: 1 parte fotorresiste positivo) a 2.000 rpm durante 30 segundos e cozê-lo em uma placa quente para 1 min a 110 ° C. Use um alinhador de máscara para expor fotorresiste e spray desenvolvem resistir com uma solução à base de hidróxido de tetrametilamónio. </li><li> Reativa-ion gravar o Ge com um SF 6 / O 2 plasma a 70 W. Ash subjacente fotorresiste com O2 plasma para alcançar rebaixo de fotorresiste. </li><li> DC-magnetron plano borrifamento de depósito de nióbio (Nb) térreo, com 3,7 milhões de toneladas de argônio (Ar) em 500 W e retire-a, colocando a bolacha dentro de um copo cheio de acetona, durante 4 h. </li></ol></li><li> bisbenzocyclobutene spin-revestimento (BCB) a 4000 rpm durante 30 seg sobre a superfície de Nb-revestido da bolacha SOI e a uma superfície de outra pastilha de silício. Ligar as duas superfícies revestidas com BCB juntamente com 3 bar de pressão a 200 ° C. </li><li> Manualmente aleta pilha wafer de cabeça para baixo para começar a processar parte de trás do wafer SOI. </li><li>Etch a bolacha de silício por punho de polimento mecânico usando o Al 2 O 3 de pasta, seguido por gravação iónica reactiva profunda usando o processo Bosch 16 Etch do enterrado camada SiO 2 com H 2 O:. HF (10: 1) durante 20 min. </li><li> Depósito de molibdénio nitreto (Mo 2 N), utilizando DC pulverização catódica reactiva em 700 W e 3,3 mT (Ar: N2 pressão parcial = 7: 1). ressonadores teste padrão por centrifugação a 2000 rpm durante 30 seg e cozedura a 180 ° C durante 2 min, seguido por fiação diluído fotorresistente positivo (2 partes mais finas-P: 1 parte fotorresistente positiva) a 2.000 rpm durante 30 segundos. Desenvolver fotorresistente em uma solução à base de hidróxido de tetrametil amónio e de cinzas num etcher iões reactivos. Etch Mo 2 N, com uma solução à base de ácido fosfórico. </li><li> Fabricar uma máscara de lift-off consistindo de uma bicamada de Ge / PMMA, girando sobre o polimetilmetacrilato (PMMA) a 5000 rpm durante 30 seg e cozedura a 180 ° C durante 2 min, seguido por dep por feixe de elétronsOSIÇÃO de Ge. Por borrifamento de depósito N ° de linhas de transmissão e levante em acetona (consulte a etapa 1.2, com a excepção de que o fotorresistente positivo é substituído com PMMA). </li><li> Em algumas formas de realização, de rádio-frequência (RF) por pulverização catódica-depósito de SiO2, padrão que por fiação com fotorresiste positivo e gravar em uma solução baseada fluorídrico-ácido. Em seguida, tire uma fina película Nb depositados por borrifamento usando a / máscara fotorresistivo decolagem germânio positiva conforme detalhado na etapa 1.2. </li></ol> 2. Procedimento para Instalação de Microondas ressonador Chip no pacote de teste <ol><li> Concepção e máquina de um conjunto de ensaios que consiste em ouro (Au) cavidade cobre -Revestido (com uma base e tampa) que coincide com dimensões de chips ressonador, entrada de linha de alimentação e locais de saída. NOTA: O tamanho da cavidade da carcaça deve ser especificado para apoiar uma operação de modo único com acoplamento parasita mínima sobre a banda de interesse. </li><li> Projetar e fabricar uma impedância de microondas fã-ou controladat bordo 17 para encaminhar os sinais entre o chip e conectores versão Sub-Miniature A (SMA). </li><li> Inserir os conectores SMA para a entrada e saída do pacote de teste para que o pino condutor central está alinhada sobre a almofada de contacto bordo fan-out correspondente. Aplicar uma máscara para soldar para proteger contra o curto-circuito, e aplicar a solda na região do pino condutor central. Colocar o pacote numa placa de aquecimento e aquecer a 200 ° C durante ~ 5 min para derreter a solda. Deixe esfriar e, em seguida, remover a máscara de solda. </li><li> Montar o chip ressonador na cavidade pacote cobre Au revestido de tal forma que as pastilhas de saída e entrada feedline on-chip estão próximos e alinhado com o correspondente guia de onda coplanar bordo fan-out linhas (CPW). Fixar o chip com os grampos de cobre que fazem contacto com os bordos dos cantos do chip. </li><li> Coloque supercondutores laços de fio de Al entre a placa de fan-out e on-chip de contato. Coloque um número máximo (~ 4 no caso aqui apresentado - veja <strong&gt; Figura 4) de ~ 500-600 mícrons de comprimento, ~ laços de arame 250 mícrons-em-altura, para fornecer jogo de impedância entre a entrada do conector SMA e saídas eo feedline CPW on-chip. </li><li> Depois de fio-ligação, com um multímetro verificar a resistência DC entre os pinos centrais dos conectores de entrada e saída, e entre um pino central e do solo, para confirmar que há uma conexão elétrica entre os dois pinos centrais e de uma conexão aberta entre o centro line e solo. </li></ol> 3. Procedimento para a instalação de micro-ondas ressonador em um criogênico Hélio-3 Testbed Microondas <ol><li> Montar o banco de ensaio, como na configuração mostrada na Figura 2, em que uma série de cabos de SMA são encaminhadas de RT para a fase fria 0,3-K em que o dispositivo vai ser montado. </li><li> Instalação de cobre (Cu) e cabos de supercondutores de nióbio e titânio (NbTi) como mostrado na Figura 2 para proporcionar baixa perda de microondas e, nocaso dos cabos NBTI, uma condutividade térmica baixa. Use os cabos NBTI como uma ruptura térmica entre o 0,3-K fases 2-K e. </li><li> Montar um amplificador criogênico de elétrons de alta mobilidade transistor (HEMT) na fase 2-K na linha de saída para a amplificação de baixo ruído na banda do dispositivo ressonador e instalar um circulador. </li><li> Insira um circulador criogénico na linha de saída na entrada para este amplificador. </li><li> Montar os dispositivos ressonador embalados em um suporte aparafusado à fase fria 0,3-K. </li><li> Conectar um atenuador de microondas no lado de entrada do pacote de prever o termo combinados e ligar os cabos SMA adequadas para esta entrada e de saída do atenuador pacote. Garantir que essas terminações de impedância controlados são bem entrosados ​​e são o mais próximo do dispositivo em teste quanto possível - eles definem o &quot;plano de calibração do dispositivo&quot; (ver Figura 2). </li><li> Feche o criostato. Siga o procedimento padrão para resfriar o dispositivos a 0,3 K. </li></ol> 4. Procedimento para Medidas Microondas ressonador <ol><li> Defina o VNA para digitalizar em uma banda de frequências de largura (10 MHz - 8 GHz, para o dispositivo aqui considerados) às frequências de design do dispositivo em teste. Ajustar os níveis de energia no VNA em níveis adequados para o dispositivo em teste (~ -30 dBm, para o dispositivo considerado aqui). NOTA: Certifique-se de que o nível de potência de RF de entrada é suficientemente baixo de modo a não exceder a corrente crítica do ressonador supercondutor microondas e feedline supercondutor. Certifique-se de que o nível de potência é alta o suficiente para fornecer uma relação adequada entre o sinal e o ruído. </li><li> Calibrar os cabos de RF flexíveis seguindo procedimento padrão Short-Open-Load-Thru (SOLT), seguindo as instruções de software VNA encontrados no manual VNA. Inserção em curto-circuito, aberta, e terminada através de padrões na saída de cada um dos cabos flexíveis, que rota a partir do analisador de rede vector e que mais tarde irá ser ligada à entrada dedo criostato para as medições. Esta calibração define o &quot;plano de referência instrumento&quot; (por exemplo, ver Figura 2). </li><li> Seguindo essa calibração SOLT, verificar a fidelidade da calibração, confirmando que a transmissão, S 21, com o através da linha conectada medido com o VNA, tem erros residuais baixos (ou seja, a resposta é no ~ nível 0 dB e S 11 e S 22 são baixos, por exemplo, ≤ -50 dB). </li><li> Conecte os cabos flexíveis para as linhas de entrada e saída do criostato. </li><li> Ligue o amplificador de microondas criogênico, aplicando a tensão de polarização DC exigido como especificado na documentação fornecida pela empresa para o amplificador de microondas. </li><li> Em primeiro lugar, completar uma varredura de banda larga de VNA (10 MHz - 8 GHz, para o dispositivo considerado aqui) para observar a estrutura de base S 21 e olhar para qualquer Q alta acentuada &lt;/ Em&gt; estruturas indicativas de ressonadores de microondas. </li><li> Em seguida, limitar a gama de frequências (de ~ 2-4 GHz, para o dispositivo considerado aqui) e ajustar o número de pontos de dados (~ 30.000 para o dispositivo considerado aqui) do VNA para fazer a varredura através da banda ressoador. Use uma faixa de frequência ampla o suficiente para fornecer uma extensão de linha de base adequada para ajustes posteriores a esta linha de base para realizar uma calibração in-situ (ver discussão na Introdução). NOTA: Dependendo do nível de ruído, aumentar o número de médias, ou reduzir a largura de banda IF para melhorar a relação sinal-ruído. </li><li> Guarde estas verificações de dados VNA dos dados complexos de transmissão de arquivo para a pós-medição de calibragem in-situ, e análise e extracção de factores de qualidade e frequências de ressonância. 11 </li></ol>

<ol>
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Instrum. 84 (3), 034704 (2013).</li><li>Patel, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+MKIDS+for+the+MicroSpec+Spectrometer.">Fabrication of MKIDS for the MicroSpec Spectrometer.</a> IEEE Trans. Appl. 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H., Vijay, R., Siddiqi, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single+Crystal+Silicon+Capacitor+with+Low+Microwave+Loss+in+the+Single+Photon+Regime.">Single Crystal Silicon Capacitor with Low Microwave Loss in the Single Photon Regime.</a> Appl. Phys. Lett. 98 (17), 172510 (2011).</li><li>Cataldo, G., Hsieh, W. T., Huang, W. C., Moseley, S. H., Stevenson, T. R., Wollack, E. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro-Spec:+an+ultracompact,+high-sensitivity+spectrometer+for+far-infrared+and+submillimeter+astronomy.">Micro-Spec: an ultracompact, high-sensitivity spectrometer for far-infrared and submillimeter astronomy.</a> Appl. Opt. 53 (6), 1094-1102 (2014).</li></ol>

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

O processo de fabricação-flip única fornece um meio para a realização de ressonadores supercondutores em ambos os lados de uma 0,45 mm substrato fina Si monocristalino. Uma pode ser motivado a usar um único cristal de Si dieléctrico porque tem mais do que uma ordem de grandeza menor do que a perda de dieléctricos depositados (tais como Si 3 N 4) com tangentes perda na gama de 4,0-6,5 GHz &lt;1 x 10 - 5. 23-24 a capacidade de padrão apresenta em ambos os lados deste su...

Os avanços na instrumentação astrophysical introduziram recentemente ressonadores de microondas supercondutores para a detecção de luz infravermelha 1 -. 4 Um supercondutor ressonador irá responder à radiação infravermelha de energia E = hv&gt; 2Δ (em que h é a constante de Planck, v é a frequência de radiação e Δ é a energia gap supercondutor). Quando o ressonador é arrefecida para uma temperatura bem abaixo da temperatura crítica supercondutor, esta radiação incidente quebra pares de Cooper no volume ressonador e gera excitações quasiparticle. O aumento na densidade das excitações quasiparticle muda a indutância cinética e, portanto, a impedância complexa superfície do supercondutor. Esta resposta óptica é observada como uma mudança na frequência de ressonância para frequência mais baixa e uma redução no factor de qualidade do ressonador. No canônica esquema de leitura para um vacas microondasdetector de indutância tic (MKID), o ressonador é acoplado a uma linha de alimentação de microondas e um monitoriza a transmissão complexo através desta linha de alimentação de um único tom de frequência de microondas em ressonância. Aqui, a resposta óptica é observada como uma mudança, tanto na amplitude e fase de transmissão de velocidades 5 (Figura 1). Esquemas de multiplexação no domínio da frequência são capazes de ler as matrizes de milhares de ressonadores 6-7. Para conceber e implementar a instrumentação baseada em supercondutor-ressonador com sucesso, as propriedades destas estruturas ressonantes precisam ser caracterizados com precisão e eficiência. Por exemplo, medições de precisão das propriedades de ruído, factores de qualidade Q, as frequências de ressonância (incluindo a sua dependência da temperatura) e propriedades de resposta ópticos ressonadores de supercondutores são desejados no contexto da MKID física do dispositivo, 8 computação de quantum, 9 e a determinação de baixa temateriais mperatura propriedades. 10 Em todos estes casos, é desejável a medição de parâmetros de difusão complexos de transmissão do circuito. Este trabalho concentra-se na determinação do coeficiente de transmissão do complexo do ressonador, S 21, cuja amplitude e de fase pode ser medido com um analisador de rede vector (VNA). Idealmente, o plano de referência VNA (ou porta de teste) seria ligado directamente ao dispositivo sob teste (DUT), mas uma configuração criogénico requer normalmente a utilização de estruturas de linha de transmissão adicional para realizar um corte térmico entre RT (~ 300 K) e a fase fria (~ 0,3 K neste trabalho, ver Fig ure 2). microondas componentes adicionais, tais como acopladores direcionais, circuladores, isoladores, amplificadores, atenuadores, e cabos de interconexão associados podem ser necessários para preparar adequadamente, excite, lidos e bias o dispositivo de interesse. oAs velocidades de fase e as dimensões destes componentes variam quando o arrefecimento da sala a temperaturas criogénicas, e, portanto, afectar a resposta observada no plano de calibração do dispositivo. Estes componentes intermediários entre o instrumento ea influência dispositivo plano de calibração do ganho complexo e precisa ser devidamente contabilizados na interpretação da resposta medida 11. Em teoria, um esquema é necessário que define o plano de referência de medição, idêntico ao utilizado durante a calibração, no DUT. Para alcançar este objectivo, pode-se medir os padrões de calibração ao longo de vários cool-baixos; No entanto, isto coloca restrições sobre a estabilidade do VNA e a repetibilidade do instrumento criogénico, que são difíceis de atingir. Para atenuar estas preocupações, pode-se colocar os padrões necessários no ambiente de teste arrefecidos e alternar entre elas. Este é, por exemplo, similar ao que é encontrado nas estações de sonda de microondas, Onde os padrões de amostra e de calibragem são arrefecidos a 4 K por um fluxo de hélio líquido contínua ou um sistema de ciclo fechado de refrigeração. 12 Este método foi demonstrada em temperaturas sub-kelvin, mas requer um baixo consumo de energia, interruptor de microondas de alta performance na teste de banda de interesse. 13 Um procedimento de calibração in situ, por conseguinte, é desejado que responde pela transmissão de resposta instrumental entre o plano de referência VNA e o plano de calibração do dispositivo (Fig ure 2) e que ultrapasse as limitações dos métodos acima descritos. Este método de calibração criogénico, apresentados e discutidos em detalhe em Cataldo et al. 11, permite que um para caracterizar vários ressoadores sobre uma vasta gama de frequências em comparação com a largura da linha do ressonador e o espaçamento inter-ressonador com uma precisão de aproximadamente 1%. Este artigo incidirá sobre os detalhes da fabricação de amostra e prepprocessos prepara-, teste de set-up e medição procedimentos experimentais utilizados para caracterizar ressonadores supercondutores de microondas com geometrias linha planar. 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

Supercondutores ressonadores de microondas são de interesse para uma larga gama de aplicações, incluindo para a sua utilização como detectores de microondas cinética de indução (MKIDs) para a detecção de assinaturas astrofísicas leves, bem como para aplicações de computação quântica e caracterização de materiais. Neste trabalho, os procedimentos são apresentados para a fabricação e caracterização de thin-film ressonadores supercondutores de microondas. A metodologia de fabricação permite a realização de supercondutores ressonadores de linha de transmissão com características de ambos os lados de um dielétrico único cristal de silício atomicamente lisa. Este trabalho descreve o procedimento para a instalação de dispositivos de ressonador em um testbed microondas criogênico e de arrefecimento abaixo da temperatura de transição supercondutora. O set-up do testbed microondas criogênico permite fazer medidas cuidadosas da transmissão de microondas complexo destes dispositivos ressonador, permitindo a extração do properties das linhas supercondutoras e substrato dielétrico (por exemplo, fatores internos de qualidade, perda e frações de indutância cinética), que são importantes para o projeto de dispositivos e desempenho.

A resposta de uma meia-onda Mo ressonador N 2 (Figura 5) fabricado em um dielétrico de silício de cristal único de 0,45 uM foi validado com esta metodologia. Neste exemplo, o acoplamento a uma guia de onda Nb complanar (CPW) linha de alimentação para leitura para fora é conseguido através de acoplamento capacitivo através de uma SiO2 dieléctrico depositado por borrifamento, no &quot;H&quot; região em forma de uma das extremidades abertas d...

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Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

Supercondutores ressonadores de microondas são de interesse para a detecção de, aplicações de computação quântica leves e caracterização de materiais. Este trabalho apresenta um procedimento detalhado para a fabricação e caracterização de parâmetros ressonador supercondutor de espalhamento de microondas.

Fabricação e caracterização de supercondutores 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 visualizações.  NASA Goddard Space Flight Center.  Supercondutores ressonadores de microondas são de interesse para a detecção de, aplicações de computação quântica leves e caracterização de materiais. Este trabalho apresenta um procedimento detalhado para a fabricação e caracterização de parâmetros ressonador supercondutor de espalhamento de microondas. 

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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.

Fabricação de simulação, e Caracterização de THz Absorvedores de metamateriais

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

Engenharia

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).

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

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.

Microwave Systems Fotônica Baseado Ressonadores-gallery de modo Whispering

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.

Projeto, fabricação e Experimental Caracterização de plasmônicos Emissores Terahertz 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.

Fabricação e caracterização de polímeros desordenados fibras ópticas para Transverse Anderson localização da Luz

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.

Fabricação e Teste de microfluídicos optomechanical osciladores

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 via ópticos de saturação Transitions - Fabricação e caracterização

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.

Ohmic Contato Fabrication usando uma técnica Focused-ion Beam e caracterização elétrica para camada semicondutora Nanoestruturas

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.

Impressão Fabricação de massa Heterojunction células solares e<em&gt; In Situ</em&gt; Morfologia Caracterização

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).

Estimulada Stokes e Antistokes Raman Scattering em microparticulas Whispering Gallery Modo Resonators

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