Summary

Fotonik Kristal Yavaş Işık Dalga Kılavuzları Ve Çürükler Üretimi ve Karakterizasyonu

Published: November 30, 2012
doi:

Summary

Fotonik kristal yavaş ışığın dalga kılavuzları ve boşlukların kullanımı yaygın olarak pek çok farklı uygulamada fotonik topluluğu tarafından kabul edilmiştir. Bu cihazların Bu nedenle imalat ve karakterizasyonu büyük bir öneme sahiptir. Interferometrik (dalga kılavuzları) ve rezonans saçılması (kaviteler): Bu kağıt, yani bizim üretim tekniği ve iki optik karakterizasyon yöntemleri, özetliyor.

Abstract

Yavaş ışık görüş temel bir noktadan ve pratik uygulamalara yönelik önemli bir potansiyel için hem büyük ilgi üreten, son on yılda fotonik toplumda sıcak konulardan biri olmuştur. Yavaş ışık fotonik kristal dalga kılavuzu, özellikle, önemli bir rol oynamış ve başarılı optik sinyaller 1-4 geciktirmek için istihdam edilmiş ve hem lineer 5-7 ve doğrusal olmayan cihazların geliştirme. 8-11

Fotonik kristal boşlukları yavaş ışığın dalga kılavuzları ile benzer etkiler elde, ama bant genişliği azaltılmış üzerinde. Bu boşluklar optik 12 gerçekleştirilmesi için, yüksek Q-factor/volume oranı sunan ve elektrikle 13 ultra düşük eşik lazerler ve doğrusal olmayan etkiler geliştirme pompalanır. 14-16 Ayrıca, pasif filtreler 17 ve modülatörler 18-19 ortaya konmuştur, ultra-ince bir çizgi genişliği, yüksek serbest spektral r sergileyendüşük enerji tüketimi ange ve kayıt değerleri.

Bu heyecan verici sonuçlar elde etmek için, sağlam bir tekrarlanabilir üretim protokolü geliştirildi gerekir. Bu yazıda fotonik kristal desenler tanımı için elektron demeti litografi istihdam ve ıslak ve kuru aşındırma teknikleri kullanır bizim imalat protokolü de derinlemesine bir göz atın. Dikey muzdarip yok fotonik kristaller Bizim optimize üretim tarifi sonuçlar asimetri ve çok iyi kenar duvar pürüzlülüğü sergilerler. Biz benzer sorunları belirlemek ve ortadan kaldırmak için alınabilecek bir tanı rota yol aşındırma parametreleri ve bir aygıt üzerinde sahip olabileceği olumsuz etkileri değişen sonuçlarını tartışmak.

Yavaş ışık dalga kılavuzları değerlendirmek için anahtar iletim ve grup indeksi spektrumlarının pasif karakterizasyonu. Çeşitli yöntemler, özellikle en fazla bir transmisyon spektrum 20-21 Fabry-Perot saçaklar çözme rapor edilmiştir,d interferometrik teknikleri. Burada 22-25, biz Fourier analizi ile spektral interferometri birleştiren doğrudan, geniş bant ölçüm tekniği tarif. biz erişim dalgakılavuzları bir çıplak fotonik kristal karakterize gibi 26 Bizim metodumuz, sadeliği ve gücü için sıyrılıyor, gerek kalmadan çip üzerinde parazit bileşenleri ve kurulum için tek parça ve gecikme taramaları taşımak için ihtiyaç duymadan, bir Mach-Zehnder interferometre oluşur.

Zaman karekteristik fotonik kristal boşlukları, doğrudan boşluğu kendi performansı üzerinde kavite 27 etkisi birleştiğinde iç kaynaklardan 21 veya harici dalgakılavuzları içeren teknikleri, böylece çarpık ölçümü. Burada, bir çapraz polarize prob demetinin kullanılmasını sağlar ve prob düzlem dışı bir amacı ile boşluğuna birleştiğinde rezonans saçılması (RS) olarak bilinen bir romanı ve non-müdahaleci tekniği tarif. Tekniği ilk gösteriler yapıldıted McCutcheon ve ark. 28 tarafından ve ayrıca Galli ve ark. 29

Protocol

Yasal Uyarı: Aşağıdaki protokol fotonik kristal dalga kılavuzları ve kaviteler için üretim ve karakterizasyon teknikleri kapsayan genel bir süreç akışı sağlar. Süreç akış laboratuarda bulunan özel ekipman için optimize edilir, ve diğer reaktifler veya donanım kullanıldığında, parametreler değişebilir. 1. Örnek Hazırlanması Örnek yarma – silikon üzerinde yalıtkan (SOI) gofret almak ve silikon yüzeyin kenarından yaklaşık 1-2 mm …

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

Örnek fabrikasyon

Elektron ışını (yani ZEP 520A) karşı Bizim seçimi onun aynı zamanda yüksek çözünürlük ve aşındırma direnci nedeniyle. Biz ZEP 520A havai laboratuar ışıkları yayılan UV ışığı tarafından etkilenebilir inanıyorum; gibi biz bir laboratuar diğerine taşırken UV opak kaplarda spin kaplama örnekleri yerleştirmenizi öneririz.

Bu örnek sahne nedeniyle ve vakum odasında değil – fotonik kristal desenini tanımlay…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Yazarlar minnetle RS tekniği ve ölçümlerin uygulanması ile ilgili faydalı tartışmalar için Pavia Üniversitesi'nden Dr Matteo Galli, Dr Simone L. Portalupi ve Prof Lucio C. Andreani kabul ediyorsunuz.

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

  1. Baba, T., Kawasaki, T., Sasaki, H., Adachi, J., Mori, D. Large delay-bandwidth product and tuning of slow light pulse in photonic crystal coupled waveguide. Opt. Express. 16 (12), 9245-9253 (2008).
  2. Melloni, A., Canciamilla, A., et al. Tunable delay lines in silicon photonics: coupled resonators and photonic crystals, a comparison. IEEE Photon. J. 2 (2), 181-194 (2010).
  3. Ishikura, N., Baba, T., Kuramochi, E., Notomi, M. Large tunable fractional delay of slow light pulse and its application to fast optical correlator. Opt. Express. 19 (24), 24102-24108 (2011).
  4. Beggs, D. M., Rey, I. H., Kampfrath, T., Rotenberg, N., Kuipers, L., Krauss, T. F. Ultrafast tunable optical delay line based on indirect photonic transitions. Phys. Rev. Lett. 108 (21), 213901 (2012).
  5. Beggs, D. M., White, T. P., O’Faolain, L., Krauss, T. F. Ultracompact and low-power optical switch based on silicon photonic crystals. Opt. Lett. 33 (2), 147-149 (2008).
  6. Nguyen, H. C., Sakai, Y., Shinkawa, M., Ishikura, N., Baba, T. 10 Gb/s operation of photonic crystal silicon optical modulators. Opt. Express. 19 (14), 13000-13007 (1364).
  7. Kampfrath, T., Beggs, D. M., White, T. P., Melloni, A., Krauss, T. F., Kuipers, L. Ultrafast adiabatic manipulation of slow light in a photonic crystal. Phys. Rev. A. 81 (4), 043837 (2010).
  8. Monat, C., Corcoran, B., et al. Slow light enhancement of nonlinear effects in silicon engineered photonic crystal waveguides. Opt. Express. 17 (4), 2944-2953 (2009).
  9. Corcoran, B., Monat, C., et al. light emission in silicon through slow-light enhanced third-harmonic generation in photonic-crystal waveguides. Nature Photon. 3, 206-210 (2009).
  10. Li, J., O’Faolain, L., Rey, I. H., Krauss, T. F. Four-wave mixing in photonic crystal waveguides: slow light enhancement and limitations. Opt. Express. 19 (5), 4458-4463 (2010).
  11. Checoury, X., Han, Z., Boucaud, P. Stimulated Raman scattering in silicon photonic crystal waveguides under continuous excitation. Phys. Rev. B. 82 (4), 041308 (2010).
  12. Y, Photonic crystal nanocavity laser with a single quantum dot gain. Opt. Express. 17 (18), 15975-15982 (2009).
  13. Ellis, B., Mayer, M. A., et al. Ultralow-threshold electrically pumped quantum-dot photonic-crystal nanocavity laser. Nature Photon. 24, 297-300 (2011).
  14. Galli, M., Gerace, D., et al. Low-power continuous-wave generation of visible harmonics in silicon photonic crystal nanocavities. Opt. Express. 18 (25), 26613-26624 (2010).
  15. Notomi, M., Shinya, A., Mitsugi, S., Kira, G., Kuramochi, E., Tanabe, T. Optical bistable switching action of Si high-Q photonic-crystal nanocavities. Opt. Express. 13 (7), 2678-2687 (2005).
  16. Shambat, G., Rivoire, K., Lu, J., Hatami, F., Vučkovič, J. Tunable-wavelength second harmonic generation from GaP photonic crystal cavities coupled to fiber tapers. Opt. Express. 18 (12), 12176-12184 (2010).
  17. Fan, S., Villeneuve, P. R., Joannopoulos, J. D., Haus, H. A. Channel drop filters in photonic crystals. Opt. Express. 3 (1), 4-11 (1998).
  18. Tanabe, T., Nishiguchi, K., Kuramochi, E., Notomi, M. Low power and fast electro-optic silicon modulator with lateral p-i-n embedded photonic crystal nanocavity. Opt. Express. 17 (25), 22505-22513 (2009).
  19. Nozaki, K., Tanabe, T., et al. Sub-femtojoule all-optical switching using a photonic-crystal nanocavity. Nature Photon. 4, 477-483 (2010).
  20. Notomi, M., Yamada, K., Shinya, A., Takahashi, J., Takahashi, C., Yokohama, I. Extremely large group-velocity dispersion of line-defect waveguides in photonic crystal slabs. Phys. Rev. Lett. 87 (25), 253902 (2001).
  21. Labilloy, D., Benisty, H., Weisbuch, C., Smith, C. J. M., Krauss, T. F., Houdré, R., Oesterle, U. Finely resolved transmission spectra and band structure of two-dimensional photonic crystals using emission from InAs quantum dots. Phys. Rev. B. 59 (3), 1649-1652 (1999).
  22. Inanç Tarhan, I., Zinkin, M. P., Watson, G. H. Interferometric technique for the measurement of photonic band structure in colloidal crystals. Opt. Lett. 20 (14), 1571-1573 (1995).
  23. Galli, M., Marabelli, F., Guizzetti, G. Direct measurement of refractive-index dispersion of transparent media by white-light interferometry. Appl. Opt. 42 (19), 3910-3914 (1364).
  24. Galli, M., Bajoni, D., Marabelli, F., Andreani, L. C., Pavesi, L., Pucker, G. Photonic bands and group-velocity dispersion in Si/SiO2 photonic crystals from white-light interferometry. Phys. Rev. B. 69 (11), 115107 (2004).
  25. Vlasov, Y. A., O’Boyle, M., Hamann, H. F., McNab, S. J. Active control of slow light on a chip with photonic crystal waveguides. Nature. 438, 65-69 (2005).
  26. Gomez-Iglesias, A., O’Brien, D., O’Faolain, L., Miller, A., Krauss, T. F. Direct measurement of the group index of photonic crystal waveguide via Fourier transform spectral interferometry. Appl. Phys. Lett. 90 (26), 261107 (2007).
  27. Akahane, Y., Asano, T., Song, B. -. S., Noda, S. High-Q photonic nanocavity in a two-dimensional photonic crystal. Nature. 425, 944-947 (2003).
  28. McCutcheon, M. W., Rieger, G. W., et al. Resonant scattering and second-harmonic spectroscopy of planar photonic crystal microcavities. Appl. Phys. Lett. 87 (22), 221110 (2005).
  29. Galli, M., Portalupi, S. L., Belotti, M., Andreani, L. C., O’Faolain, L., Krauss, T. F. Light scattering and Fano resonances in high-Q photonic crystal nanocavities. Appl. Phys. Lett. 94 (7), 71101 (2009).
  30. WÃest, R., Strasser, P., Jungo, M., Robin, F., Erni, D., Jückel, H. An efficient proximity-effect correction method for electron-beam patterning of photonic-crystal devices. Microelectron Eng. 67-68, 182-188 (2003).
  31. Tanaka, Y., Asano, T., Akahane, Y., Song, B. -. S., Noda, S. Theoretical investigation of a two-dimensional photonic crystal slab with truncated cone air holes. Appl. Phys. Lett. 82 (11), 1661 (2003).
  32. Asano, T., Song, B. -. S., Noda, S. Analysis of the experimental Q factors (~ 1 million) of photonic crystal nanocavities. Opt. Express. 14 (5), 1996-2002 (2006).
  33. O’Faolain, L., Schulz, S. A., et al. Loss engineered slow light waveguides. Opt. Express. 18 (26), 27627-27638 (2010).
  34. Joannopoulos, J. D., Johnson, S. G., Winn, J. N., Meade, R. D. . Photonic crystals, molding the flow of light. , (2008).
  35. Li, J., White, T. P., O’Faolain, L., Gomez-Iglesias, A., Krauss, T. F. Systematic design of flat band slow light in photonic crystal waveguides. Opt. Express. 16 (9), 6227-6232 (2008).
  36. Takeda, M., Ina, H., Kobayashi, S. Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry. J. Opt. Soc. Am. 72 (1), 156-160 (1982).

Play Video

Cite This Article
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).

View Video