Summary

Fabrication et caractérisation de guides d'ondes à cristal photonique lumière lente et les cavités

Published: November 30, 2012
doi:

Summary

Utilisation des guides d'ondes à cristal photonique de lumière lente et des cavités a été largement adopté par la communauté de la photonique dans de nombreuses applications différentes. Par conséquent fabrication et la caractérisation de ces dispositifs sont d'un grand intérêt. Le présent document décrit notre technique de fabrication et deux méthodes de caractérisation optiques, à savoir: diffusion interférométrique (guides) et de résonance (cavités).

Abstract

Lumière lente a été l'un des sujets chauds de la communauté de la photonique dans la dernière décennie, suscitent beaucoup d'intérêt tant d'un point de vue fondamental et pour son potentiel considérable pour des applications pratiques. Lents lumière guides d'ondes à cristaux photoniques, en particulier, ont joué un rôle majeur et ont été utilisés avec succès pour retarder les signaux optiques 1-4 et la mise en valeur de ces deux dispositifs linéaires et non linéaires 5-7 8-11.

Cavités à cristaux photoniques obtenir des effets similaires à ceux de guides d'ondes lumineuses lents, mais sur une réduction de la bande passante. Ces cavités offrent ratio élevé Q-factor/volume, pour la réalisation de 12 et optiquement pompé électriquement 13 lasers seuils très faibles et l'amélioration des effets non linéaires. 14-16 De plus, les filtres passifs 17 et 18-19 modulateurs ont été démontrés, présentant ultra-étroite largeur de raie, grande spectrale libre rvaleurs ange et l'enregistrement de faible consommation d'énergie.

Pour atteindre ces résultats passionnants, un protocole de fabrication robuste reproductible doit être développée. Dans cet article, nous jeter un regard en profondeur sur notre protocole de fabrication qui emploie lithographie électronique pour la définition des modèles de cristaux photoniques et utilise des techniques de gravure sèche et humide. Nos résultats optimisés recette de fabrication de cristaux photoniques qui ne souffrent pas d'asymétrie verticale et présentent une très bonne rugosité des bords mur. Nous discutons les résultats de la variation des paramètres de gravure et les effets néfastes qu'ils peuvent avoir sur un dispositif, conduisant à une route de diagnostic qui peuvent être prises pour identifier et éliminer les problèmes similaires.

La clé de l'évaluation de guides de lumière lente est la caractérisation passive de transmission et les spectres d'index du groupe. Diverses méthodes ont été signalés, en particulier la résolution des franges de Fabry-Perot du spectre de transmission d'un 20-21techniques d interférométriques. 22-25 Nous décrivons ici un lien direct, technique de mesure à large bande combinant interférométrie spectrale à transformée de Fourier analyse. 26 Notre méthode se distingue par sa simplicité et sa puissance, que nous pouvons caractériser un cristal photonique nue avec des guides d'ondes d'accès, sans besoin de pour des composantes d'interférence sur la puce, et l'installation ne se compose que d'un interféromètre de Mach-Zehnder, sans avoir besoin de pièces mobiles et les balayages de retard.

Lors de la caractérisation des cavités à cristaux photoniques, des techniques impliquant des sources internes 21 ou guides d'ondes externes directement couplé à la cavité 27 impact sur ​​la performance de la cavité elle-même, ce qui fausse la mesure. Ici, on décrit une technique nouvelle et non intrusif qui rend l'utilisation d'un faisceau sonde à polarisation croisée et que l'on appelle diffusion résonante (RS), où la sonde est couplée hors du plan dans la cavité à travers un objectif. La technique a été la première démonstrationted par McCutcheon et coll. 28 et développé par Galli et al 29.

Protocol

Avertissement: Le protocole suivant donne un flux de processus général couvrant les techniques de fabrication et de caractérisation des guides d'ondes à cristaux photoniques et des cavités. Le flux de processus est optimisé pour le matériel spécifique disponible dans notre laboratoire, et les paramètres peuvent être différents si les autres réactifs ou de l'équipement est utilisé. 1. Préparation des échantillons Fendeuse de l'échantill…

Representative Results

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…

Discussion

Exemple de fabrication

Notre choix de résister à faisceau d'électrons (c.-à-ZEP 520A) est due à sa résolution élevée et simultanément résistance à la gravure. Nous croyons que 520A ZEP peut être affectée par la lumière ultraviolette émise par des feux de laboratoire généraux, à ce titre, nous vous recommandons de placer spin-enduites échantillons dans des récipients opaques aux UV tout en les déplaçant d'un laboratoire à un autre.

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Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Les auteurs remercient le Dr Matteo Galli, le Dr Simone L. Portalupi et le professeur Lucio C. Andreani de l'Université de Pavie pour des discussions utiles liées à la technique de RS et de l'exécution des mesures.

Materials

Name Company Catalogue number Comments (optional)
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  

References

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Reardon, C. P., Rey, I. H., Welna, K., O’Faolain, L., Krauss, T. F. Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities. J. Vis. Exp. (69), e50216, doi:10.3791/50216 (2012).

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