Изготовление и характеристика фотонного кристалла медленно волноводы Света и полостей

Резюме

Использование фотонных кристаллов медленный волноводы света и полости была широко принята сообществом фотоники во многих различных приложениях. Поэтому изготовления и характеристики этих устройств представляют большой интерес. В настоящем документе излагается наша техника изготовления и два оптических методов характеристику, а именно: интерферометрических (волноводы) и резонансное рассеяние (полостей).

Аннотация

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 signals^1-4 and the enhancement of both linear^5-7 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 modulators^18-19 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 spectrum^20-21 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

протокол

Предупреждение: следующий протокол дает общий поток процесса, охватывающего производство и характеристика методов для фотонных кристаллов волноводов и резонаторов. Процесс потока оптимизирована для конкретного оборудования, имеющегося в нашей лаборатории, и параметры могут отличаться, если другие реагенты или оборудование.

1. Подготовка проб

1. Пример Раскалывание - принимать кремний-на-изоляторе (SOI) пластины и использовать алмаз писца, чтобы поцарапать линии приблизительно 1-2 мм длиной от края поверхности кремния, что обеспечивает нуля проходит по краю пластины. Совместите нуля, чтобы прямые края (например, что стекло микроскопа) и применить даже положительное давление по обе стороны от нуля: пластина будет расщеплять вдоль плоскости кристалла на царапины месте. Повторите эту процедуру, чтобы определить весь чип.
2. Пример очистки - место образца в ВНИМАНИЕ ацетона с помощью пинцетаой очистки в ультразвуковой ванне в течение 1-2 мин. Удаление образца с ацетоном, промыть оставшийся ацетон из примера с использованием ВНИМАНИЕ изопропанол (30 сек) (оба ацетон и изопропанол являются легковоспламеняющимися: использовать хорошую вентиляцию и избежать всех источников воспламенения). Высушите образца с помощью чистой сухой пистолет азота.
3. Побочные сопротивляться - поместить образец на спин-для нанесения покрытий. Внесите электронных чувствительных противостоять ВНИМАНИЕ ZEP520A (ZEP520A легко воспламеняется, вредные при вдыхании и попадании на кожу и глаза, следует избегать) на образец - использовать достаточно сопротивляться, чтобы полностью покрыть образца без сопротивления течет через край. Побочные образца, чтобы дать ок. 350 нм пленки толщиной и выпекать на плите при температуре 180 ° С в течение 10 мин. Мы нашли такой толщины, чтобы быть оптимальной толщины, которая уравновешивает резолюции и травления сопротивления (см. ниже).

2. План определение

1. Дизайн - с помощью соответствующего программного обеспечения, моделирования необходимых фотонных кристаллов картина. Онемелаэ полезных пакетов программного обеспечения, в том числе, но не ограничиваясь: MIT фотонных зон (МПБ), FullWAVE (RSoft), MIT Электромагнитные Уравнение распространения (MEEP).
2. Pattern Generation - создать экспозицию файлов (GDS формат в целом) и близость ошибки правильное использование соответствующего программного обеспечения ^30.
3. План экспозиции - загрузить образец в камеру электронной системы лучевой литографии (LEO 1530 / Райт Elphy) и откачивают. После вакуум был достигнут, включите EHT питания и установить до 30 кВ. Оставьте систему в таком состоянии в течение 1 часа, чтобы позволить образца, сцены и камеры для достижения равновесной температуры. Установки экспозиции, как указано в руководстве пользователя вашей конкретной системы лучевой литографии электрона. Expose примера с использованием соответствующего базового размера шага (например, 2 нм) (что является минимальным размером пикселя, что система может подвергнуть), время установления не менее 1 мс (что является время ожидания системы между движущимися пучка и подвергаяопределенной части картины), а площадь доза из 55 μAcm ^-2.
4. Пример развития - с помощью ВНИМАНИЕ Ксилол (ксилол и легковоспламеняющимися и высокотоксичными работы в хорошо проветриваемом помещении, вдали от источников огня и избегать контакта с кожей и глазами) при температуре 23 ° C разработке образца в течение 45 сек. Промыть в изопропанол.

3. Паттен передачи

1. RIE очистки камеры - Установить расход аргона и водорода до 200 SCCM. Дроссель вниз насос, с помощью дроссельной заслонки, чтобы достичь давления в камере 1 × 10 ^-1 мбар. Установить ВЧ мощность до 100 Вт, зажечь плазму и работать по крайней мере 10 минут - смещения постоянного тока приблизительно 700 V должны быть соблюдены. После выключения Ar / H ₂ плазмы, позволяет камере для перекачки в течение примерно 1 мин. Установить расход кислорода в камере до 200 SCCM и снова душить давление в камере до 1 × 10 ^-1 мбар. Ignite второй плазмыкислорода с мощностью 100 Вт и работают в течение 5 мин. После этих процедур, камера будет свободна от загрязнений, таких как остатки полимера, из любой предыдущей сухого травления. Мы выполняем эту процедуру перед каждым изменением травления рецепт, чтобы обеспечить максимальную повторяемость. Эта процедура оптимизирована для нашей системы, которая состоит из параллельных пластин, катод загружен, RIE, с основной камерой диаметром 12 дюймов на 14 дюймов в высоту, в том числе 12-дюймовый порт с обеих дроссельный клапан и турбо-молекулярный насос прилагается.
2. Фотонных кристаллов Офорт - загрузить образец в RIE основной камеры и насос системы до фонового давления <3 × 10 ^-6 мбар для обеспечения камеры бесплатно водяного пара. Начало травления по предварительной подготовки камеру с травлением газов (а именно CHF ₃ и SF _6): установите скорость потока и газов до 100 SCCM (т.е. установить газа соотношении 1:1) и с помощью дроссельной заслонки принести камеру давлением до 5 × 10 -2 мбар; позволяет газов течь по крайней мере 10 мин. После предварительного кондиционирования, установить ВЧ мощность около 20 Вт и зажечь плазму; травления образца в течение примерно 2 мин (скорость травления кремния для этих параметров травления составляет около 150 нм / мин), обеспечивая при этом давлении в камере 5 × 10 ^-2 мбар сохраняется. Смещения постоянного тока между 200-220 V должно быть достигнуто по всему травления период.
3. Пример очистки для удаления оставшихся электронов чувствительны сопротивляться - после сухого травления, очистки образца, промыв в 1165 ВНИМАНИЕ Remover (1165 легко воспламеняется и может вызвать раздражение глаз, носа и дыхательных путей) с ультразвуковым перемешиванием в течение 1-2 мин, а затем ацетоном и изопропанол, как описано выше (шаг 1,2).
4. Мембранные Изоляция - спин-пальто образца с УФ-чувствительных фоторезиста ВНИМАНИЕ Microposit S1818 G2 (G2 S1818 является как легковоспламеняющиеся и вызывает раздражение глаз, носа и дыхательных путей) (см. п. 1.3). Использование appropriatэлектронной фотошаблонов, определить окна в пределах сопротивляться над фотонной модели кристалла с помощью УФ-выравниватель маски. Expose образца в течение примерно 30-45 сек. Разработка сопротивляться ВНИМАНИЕ Microposit разработчика MF-319 (MF-319 является щелочной жидкостью и может вызвать раздражение глаз, носа и дыхательных путей) в течение 30-45 сек, после промывки в деионизированной воде. Подготовка пластмассовых стаканчиков смесью ВНИМАНИЕ 1:05 плавиковой кислоты (1,1499 г / мл 48-51% HF) (HF крайне агрессивные и легко разрушает ткани, при обработке использовать полный индивидуальной защиты рассчитаны на HF) в деионизированной воды. Обратите внимание, что из соображений безопасности только пластиковые стаканы и пинцет должны использоваться с плавиковой кислотой. Погрузитесь образца в плавиковой кислоте смесь в течение 15 мин. После травления, промывки образца тщательно деионизированной воды. Удалите оставшийся фоторезист с использованием ацетона и изопропанола (см. п. 1.2) - с этого этапа и далее ультразвуковой агитации не может быть использована. Для обеспечения образцачиста, как это возможно, следовать ацетон и изопропанол промыть промыть в ВНИМАНИЕ Piranha решение (Piranha решение очень энергичный, взрывоопасных и нападает на органических материалов, при обработке использовать полный индивидуальной защиты) (3:1 ВНИМАНИЕ серной кислоты (серная кислота вызывает коррозию и очень токсичны, при работе использовать средства индивидуальной защиты и избегать вдыхания паров или тумана), чтобы предостеречь перекиси водорода (перекись водорода является очень опасным в случае контакта с кожей и глазами, когда обработка использовать средства индивидуальной защиты)) в течение 5 мин , затем смойте образца в деионизированной водой, ацетоном и изопропанол. Обратите внимание, что из соображений безопасности только стеклянные стаканы и металлические щипчики должны использоваться с Piranha решение. Как Piranha решение может взорваться при контакте с ацетоном или изопропанол, с ним следует обращаться в стороне от этих реагентов.
5. Facet Раскалывание - если подготовка фотонного кристалла медленного света волновода, образец требует грань расщепление. Cleave SAmple, следуя той же процедуре, как указано в пункте 1.1, за исключением того, как небольшая царапина возможности должны быть использованы. Чип SOI с ~ 700 мкм подложки может быть надежно расщепляются до 4-5 мм в длину образцов.

4. Фотонного кристалла медленного света волновода характеристика

1. Предварительная подготовка установки - подключить выход ВНИМАНИЕ широкополосного усиленного спонтанного излучения (ASE) источник света (невидимый ИК-излучения: избежать ненужной высокой мощности, покрытия луча если это возможно) на 3 дБ сплиттер волокна и использовать каждый из выходов пара света в две руки свободного пространства Маха-Цандера interferometeter (ИМЦ), как показано на рисунке 9. Использование асферических линз для коллимации света, выходящего из волокна. В одном из плеч интерферометра, используют два дополнительных асферических линз в паре луч света в и из образца чипа. Поместите поляризации светоделителя (PBS) в образце руку, чтобы TE-поляризуют Бордовыйт ввода образца. Использование асферических линз, чтобы пара коллимированных пучков выход из обеих рук назад в секунду 3 дБ волокна сплиттер, где они будут рекомбинировать. Подключите один из выходов для инфракрасных детекторов и использовать показания детектора, чтобы максимизировать сцепление в свете образца, подключите другой выход анализатора оптического спектра (OSA). Две руки ИМЦ должны иметь примерно такой же длины оптического когда в присутствии образца: убедитесь, что волокна в две руки ИМЦ имеют одинаковую номинальную длину и включают в себя настраиваемые этапе задержки в опорном плече, чтобы позволить для точной регулировки его длины. В образце рукой, установите асферические линзы на стадии XYZ точность, чтобы получить лучшее сцепление в образце.
2. Регулировка длины опорного плеча - пара луч света на пустой (т.е. без фотонного кристалла) хребта волновода (того же типа, что и доступ волноводы, что подача света в фотонных кристаллах) Wiтонкий и тот же чип в образце руку. Запуск непрерывного сканирования OSA и наблюдать измеренные спектры длин волн. Если две руки ИМЦ имеют примерно одинаковую длину оптического, в спектрах полос вследствие конструктивной и деструктивной интерференции, эти полосы не появится, если на руках у ИМЦ имеют очень разные оптические длины (> ~ см). Бахрома расстояние обратно пропорциональна разнице в длине оптического пути между двумя руками. Переместить задержки этапе сделать ссылку рука короче и наблюдать полосы в OSA: если они становятся более плотными (редкие), ссылка рука короче (больше), чем выборка руку. Установите задержку этапе, чтобы убедиться, что ссылка руки короче, чем рука образцов и результатов бахромой расстоянии от 5 до 10 полос в 10 нм диапазоне длин волн (рис. 10а). И, наконец, выполнить эту оптимизацию на устройстве, что обеспечивает максимальную задержку, а затем сохранить задержку фиксированной на протяжении всего измерениявсего образца.
3. Калибровка бежать - в то же время выравниваются по пустой волновод, запустить три сканирование на OSA: одно сканирование для спектра помехи и одного сканирования для каждой из двух групп отдельно (полученные путем блокирования другой руки). Используйте разрешение 0,05-0,1 нм. Запись каждого измеренного спектра.
4. Медленный свет сбора данных - беги и записать три спектра, как в пункте 4.3 для каждого фотонных кристаллов волновода на чипе.
5. Фурье-анализ данных - вмешательство спектр (интерферограмма) I (ω) математически выражается:
   I (ω) = S (ω) + R (ω) + SQRT [S (ω) R (ω)] {ехр [iΦ (ω) - iωτ] + CC}
   где S (ω) и R (ω) является спектральной плотности измеряются отдельно от образца и эталона, соответственно. Задержка τ задается положением задержки этапом в ссылку руку. Информация о дисперсии фотонных кристаллов волновода содержится в фазеТермин, который мы должны извлечь из данных измерений.
   Вычтите неинтерферирующими фоне S (ω) + R (ω) от интерферограммы выделить только вмешательство срок. Вычислить преобразование Фурье вмешательства термин: термин корень (SR) ехр [г (Φ-ωτ)] и его комплексно сопряженное соответствуют пики центром при Т = τ и T = τ, соответственно. Фильтр численно одно из двух условий и трансформировать обратно в частотной области. Дифференцировать фаза Φ (ω) - ωτ полученных данных относительно ω для получения Δτ _г, разница в групповой задержки между двумя руками. Группа индекс п _г = C / V _г, V _G с групповой скоростью, определяется по формуле:
   п _г = _(г Δτ ^ФК - Δτ _г ^кал) с / л + п _кал,
   где Δτ _г ^кал получается из данных калибровки принято птОМ пустой волновод, L является фотонный кристалл длиной волновода и п = 2,7 _кал является эффективным показателем волновода хребта ссылки. Вклад в задержку от различных оптических элементов установки учитывается при калибровке перспективе, и, следовательно, вычитаются в этом шаге.

6. Передача кривая - расчет кривой пропускания путем нормализации образца спектра фотонного кристалла волновода, что и пустой волновод.

5. Фотонных кристаллов характеристик полостей

1. Setup - подготовка установки (рисунок 14) для RS включает в себя: переключение сменных элементов для поляризационного светоделителя; вставки поляризатора на входе руки, а также анализатор в выходной руку, переверните зеркало в руке зонда разрешить использование ближнего инфракрасного источника, позволит освещения образца. Установить образец вертикально под углом 45 ° к оси ориентацииполяризатора (рис. 18) на дифференциальный приводом XYZ блокировать микро-и регулировать микро-блок, так что образец находится в фокусе и полости можно увидеть с камерой, как показано на рисунке 15 (слева). Использование усиленного спонтанного излучения (ASE) источник, согласования пучка с центром полости рисунке 15 (справа). Отразить от освещения зеркала и позволяют выхода руку, чтобы войти в спектрометр (монохроматор с прикрепленными детекторов). Начало широкого сканирования с низкой до умеренной резолюции в целях выявления полости пиков. Получить грубой длины волны резонанса в ASE сканирования (рис. 16а) с точностью 1 нм. Кроме того, можно приобрести широкую проверку с осторожностью перестраиваемый лазерный источник (TLS) (рис. 16b) (невидимая ИК-излучения: избежать ненужной высокой мощности, покрытия луча, если это возможно). Нужно быть осторожным, что разрешение установлено на максимальное значение для того, чтобыотведать линии-ширина каждого пика.
2. Выполните высоким разрешением сканирования на выявленные пики - подключить TLS на входе руку и ослабления пучка мВт уровне. Подготовка к высоким разрешение сканирования, позволяя выходных руки, чтобы быть собраны фотоприемника и создания непрерывного сканирования развертки с разрешением 1 мкм для 2 нм диапазоне с центром в ранее найденных резонансная длина волны. Важность этого шага является улучшение отношения сигнал-шум (SNR) с целью получения лоренцевой формы линии резонанса: изменить XYZ положение микро-блок и повторите проверку, пока SNR максимизируется и линии-форма близка к лоренцевой, как показано в разделе представителя результат.

Результаты

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...

Обсуждение

Примеры изготовления

Наш выбор электронно-лучевой сопротивление (т.е. ZEP 520A) связано с его одновременно с высоким разрешением и травления сопротивление. Мы считаем, что ZEP 520A могут быть затронуты УФ-света, излучаемого от верхнего освещения лаборатории, как таковой, мы ?...

Материалы

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