硅基光子晶體腔陣列的微組裝轉(zhuǎn)印技術(shù)

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引言
光子晶體腔（PhCCs）能夠?qū)⒐鈭鱿拗圃诔�小體積內(nèi)，實(shí)現(xiàn)量子和非線性光學(xué)、傳感和全光信號處理的高效光物質(zhì)相互作用。然而，微加工平臺固有的納米級公差會導(dǎo)致腔共振波長偏移，這種偏移可能比腔線寬大兩個(gè)數(shù)量級，從而阻礙了制造名義上相同的器件陣列。本文探討了創(chuàng)新方法，通過轉(zhuǎn)印微組裝技術(shù)克服這一限制[1]。

# m; ^! g0 A; B& ]制造偏差的挑戰(zhàn)
光子晶體腔通常使用電子束光刻技術(shù)制造，這種技術(shù)在定義物理幾何形狀方面提供了最高的精度。盡管如此精確，但幾納米范圍內(nèi)的制造偏差仍可能導(dǎo)致器件共振波長的變化，這種變化通常比腔線寬大兩個(gè)數(shù)量級。這使得直接制造名義上相同的器件陣列幾乎不可能，限制了需要集合或共振腔之間耦合的應(yīng)用潛力。
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4 }, i$ t1 r1 t+ Q& s轉(zhuǎn)印技術(shù)：克服制造限制的解決方案
為了解決這一挑戰(zhàn)，研究人員開發(fā)了轉(zhuǎn)印方法，允許對單獨(dú)制造的PhCC器件進(jìn)行物理重排。這種方法涉及將PhCCs制造成可釋放的像素，可以從原始襯底轉(zhuǎn)移到接收襯底，在那里可以根據(jù)測量的共振波長將其排列成空間有序的陣列。
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- A- z) f& g0 i) J- c圖1：用于機(jī)械轉(zhuǎn)移的可釋放PhCC像素。（a） PhCC像素在其施主襯底上和轉(zhuǎn)移到具有二氧化硅支撐框架的接收襯底后的示意圖。（b） 在施主襯底上制造的PhCC像素的掃描電子顯微鏡圖像，其中右側(cè)像素已被轉(zhuǎn)移，在施主陣列中留下一個(gè)空隙。（c） 顯示L3腔幾何形狀的PhCC中心區(qū)域的高放大掃描電子顯微鏡圖像，以及（d） 印在二氧化硅支撐框架上的硅PhCC的光學(xué)顯微鏡圖像。


轉(zhuǎn)印過程的關(guān)鍵步驟
1. 制造可釋放的PhCC像素
% ?0 ?& d" d! V3 PPhCC器件被制造成施主襯底上的單個(gè)像素。每個(gè)像素包含光子晶體結(jié)構(gòu)，周圍有最小的平面膜邊界，以便在轉(zhuǎn)移過程中進(jìn)行處理。
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2. 原位光學(xué)表征
這種方法的一個(gè)關(guān)鍵方面是將光學(xué)測量系統(tǒng)集成到轉(zhuǎn)印工具中。這允許實(shí)時(shí)表征PhCC器件的共振波長和品質(zhì)因數(shù)。


  d$ C' M& M: U7 [8 K3 f) v- ~0 a圖2：具有原位反射率譜測量能力的精確轉(zhuǎn)印系統(tǒng)。（a） 轉(zhuǎn)印系統(tǒng)和光學(xué)測量裝置的示意圖，包含高精度6軸臺、固定印章夾持器、帕爾貼制冷的施主和接收樣品以及光學(xué)顯微鏡物鏡。（b） 使用PDMS印章進(jìn)行像素打印的示意圖。（c）和（d）分別顯示了可見光和紅外系統(tǒng)中打印的PhCC像素的圖像。（e） 嵌入轉(zhuǎn)印工具中的光學(xué)注入和測量系統(tǒng)的示意細(xì)節(jié)。
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3. 器件選擇和分類
% E! h) z/ j& t) ?# ^基于測量的共振波長，對PhCC器件進(jìn)行數(shù)值排序并選擇轉(zhuǎn)移到接收襯底。

9 S! J% _" ]0 M) j7 r4. 轉(zhuǎn)印
$ F+ L, U" q3 U' d. R: W6 D使用軟聚合物印章，從施主襯底拾取選定的PhCC像素，對齊并放置到接收襯底上。這個(gè)過程需要高定位精度，通常在百納米范圍內(nèi)。
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5 Y  O% W1 q( E9 s' \/ O2 _5. 轉(zhuǎn)移后表征
/ d6 j, S4 t! t  z5 S' i轉(zhuǎn)移后，再次測量器件以評估光學(xué)性能的變化，并驗(yàn)證空間排序過程的成功。


2 b& Q  X9 \8 q  p1 F' D6 s$ D& F圖3：轉(zhuǎn)印系統(tǒng)中PhCC的光譜測量。使用原位測量系統(tǒng)捕獲的PhCC反射率譜。PhCC印在接收襯底的二氧化硅懸浮框架上。插圖顯示了InGaAs相機(jī)在可調(diào)波長掃描的兩個(gè)點(diǎn)捕獲的空間模式圖像，對應(yīng)于共振（左）和非共振（右）條件。
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結(jié)果和見解
2 H/ i! W- B! K# V# k- F) `; w研究人員展示了119個(gè)PhCC器件的轉(zhuǎn)印和空間排序。以下是他們實(shí)驗(yàn)的一些關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：
1. 光譜排序
- F) b6 |7 \7 Z轉(zhuǎn)印過程允許根據(jù)共振波長創(chuàng)建空間有序的PhCC陣列。這克服了原始制造陣列中波長的隨機(jī)分布。
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圖4：按共振波長對PhCC陣列進(jìn)行空間排序。（a）施主襯底，（b）第一接收器和（c）第二接收器襯底上PhCC的測量共振波長。

2. 波長偏移
% Y3 d  x4 w1 r; e, p7 R" P( S8 [從施主襯底的初始轉(zhuǎn)移導(dǎo)致腔共振波長產(chǎn)生塑性偏移。然而，后續(xù)轉(zhuǎn)移顯示出更小的波長偏移，第二次打印后的平均偏移為±0.025 nm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為±0.139 nm。
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5 W  z8 a4 @# a; L4 z4 M圖5：打印引起的共振波長偏移。（a）第一次打印和（b）第二次打印后單個(gè)PhCC的測量共振波長偏移。

& t$ r& W: Y8 M% f+ W* F, o3. 多次打印循環(huán)
# ~4 W; W. J- g7 N4 j研究人員發(fā)現(xiàn)，PhCC性能可以在最多5次打印循環(huán)中保持，允許對樣品進(jìn)行潛在的重新配置或返工。
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% I1 h( o9 t: w: m% n9 c圖6：重復(fù)打印循環(huán)。10個(gè)PhCC器件在每次打印循環(huán)后的測量腔波長集，顯示絕對腔共振波長（藍(lán)色）和每次打印位置之間的相對共振偏移（紅色）。
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4. 動態(tài)效應(yīng)
6 l9 N: j% ~: u% v( E" N/ v9 U原位測量能力揭示了打印后腔的動態(tài)弛豫效應(yīng)。這些效應(yīng)發(fā)生在秒到小時(shí)的時(shí)間尺度上，使用標(biāo)準(zhǔn)集成和測量系統(tǒng)很難觀察到。
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圖7：打印對腔光學(xué)響應(yīng)的動態(tài)效應(yīng)。在初始打印后200分鐘內(nèi)測量的2個(gè)單獨(dú)PhCC的腔共振波長。插圖顯示了打印后腔共振的快速弛豫，由原位測量捕獲，以及弛豫后的穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。
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" g3 L) M# P! \應(yīng)用和未來方向
  T; a# N. H2 V  E這種轉(zhuǎn)印微組裝技術(shù)為創(chuàng)建高性能的光電子系統(tǒng)芯片開辟了新的機(jī)遇。潛在的應(yīng)用包括：

光量子學(xué)：用于研究集體量子效應(yīng)的相同腔陣列。

傳感：在單個(gè)芯片上精確排列多個(gè)傳感元件。

全光信號處理：為先進(jìn)的光電子線路創(chuàng)建耦合腔系統(tǒng)。
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% q: e3 U2 _/ R未來的研究方向可能集中在：

擴(kuò)大處理更多器件的過程規(guī)模。

集成主動調(diào)諧機(jī)制，以在轉(zhuǎn)移后微調(diào)腔共振。

探索將這種技術(shù)應(yīng)用于其他類型的光電子器件。
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結(jié)論
$ n. v6 M& L/ x( @% I7 Q; q1 k硅基光子晶體腔陣列的轉(zhuǎn)印微組裝代表了克服傳統(tǒng)制造方法限制的重大進(jìn)展。通過實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建共振波長緊密匹配的PhCC空間有序陣列，為新一代具有增強(qiáng)性能和功能的集成光電子系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。


: Y$ l( u( L$ ~9 t9 E+ n參考文獻(xiàn)
. N# m& q3 `4 h$ ^[1] S. P. Bommer et al., "Transfer printing micro-assembly of silicon photonic crystal cavity arrays: beating the fabrication tolerance limit," arXiv:2406.20010v1 [physics.optics], Jun. 2024.

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