|
引言
" n4 J4 G. G4 ]光子晶體腔(PhCCs)能夠?qū)⒐鈭?chǎng)限制在超小體積內(nèi),實(shí)現(xiàn)量子和非線性光學(xué)、傳感和全光信號(hào)處理的高效光物質(zhì)相互作用。然而,微加工平臺(tái)固有的納米級(jí)公差會(huì)導(dǎo)致腔共振波長(zhǎng)偏移,這種偏移可能比腔線寬大兩個(gè)數(shù)量級(jí),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]。
; _: y* M: t. C
* E k0 `4 G6 t8 \制造偏差的挑戰(zhàn)% O6 ^2 g, M6 I9 w7 \, e
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(zhǎng)的變化,這種變化通常比腔線寬大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。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。
. P4 ^3 h0 {( z% Q0 j8 i8 B6 Q1 a/ K" r- c/ U" z' m
轉(zhuǎn)印技術(shù):克服制造限制的解決方案( N; w% [7 m, h, `0 m1 J5 B( Q
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(duì)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(cè)量的共振波長(zhǎng)將其排列成空間有序的陣列。
1 v i& @5 _9 R1 X6 d7 d
, A1 j9 }8 X( }+ z
dojpflgtahr6402423819.png (286.37 KB, 下載次數(shù): 9)
下載附件
保存到相冊(cè)
dojpflgtahr6402423819.png
昨天 01:28 上傳
! a# e" C1 `% Y8 r r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。. A- X, U" J5 T$ H" }: \
z3 v' L& V9 ]1 O! x
/ K, W0 G. O, w轉(zhuǎn)印過程的關(guān)鍵步驟$ c7 w2 J) z& X2 \' A$ e. {3 H, N
1. 制造可釋放的PhCC像素5 {" s; X% c6 g* C
PhCC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。. B9 o J" C: b9 D' I
. H" g l" t+ T3 I2. 原位光學(xué)表征
7 l; N/ u' f' Z" k這種方法的一個(gè)關(guān)鍵方面是將光學(xué)測(cè)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(zhǎng)和品質(zhì)因數(shù)。! i# s" ^ X$ v
2 q$ e K* W( R5 @6 S9 K
exygdvunxh06402423920.png (487.1 KB, 下載次數(shù): 10)
下載附件
保存到相冊(cè)
exygdvunxh06402423920.png
昨天 01:28 上傳
2 z& ?% @5 ^9 q圖2:具有原位反射率譜測(cè)量能力的精確轉(zhuǎn)印系統(tǒng)。(a) 轉(zhuǎn)印系統(tǒng)和光學(xué)測(cè)量裝置的示意圖,包含高精度6軸臺(tái)、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(cè)量系統(tǒng)的示意細(xì)節(jié)。
) o% |0 G$ m( V" E( L+ ^/ o1 E. }! W
3. 器件選擇和分類
T3 k8 T. [0 g7 [; J- J基于測(cè)量的共振波長(zhǎng),對(duì)PhCC器件進(jìn)行數(shù)值排序并選擇轉(zhuǎn)移到接收襯底。
4 y6 v3 F% O0 p. B4 o5 p0 }0 m, e, |" Q' W# P& C6 k4 C
4. 轉(zhuǎn)印
, ?& I+ f2 t( P使用軟聚合物印章,從施主襯底拾取選定的PhCC像素,對(duì)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)。
$ d) z5 ?- J4 k1 t" S$ v/ |. l! ]3 r, ]' R
5. 轉(zhuǎn)移后表征
0 L9 f( J5 C/ [( L3 K6 r! m# V+ }" ^7 ~轉(zhuǎn)移后,再次測(cè)量器件以評(píng)估光學(xué)性能的變化,并驗(yàn)證空間排序過程的成功。/ f G6 h& D6 r1 Q
S$ x5 S1 w* {' G9 b2 h
0v4wrjbxzcs6402424020.png (202.25 KB, 下載次數(shù): 9)
下載附件
保存到相冊(cè)
0v4wrjbxzcs6402424020.png
昨天 01:28 上傳
7 {: F7 @) r- T( w* o3 Q ^
圖3:轉(zhuǎn)印系統(tǒng)中PhCC的光譜測(cè)量。使用原位測(cè)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(zhǎng)掃描的兩個(gè)點(diǎn)捕獲的空間模式圖像,對(duì)應(yīng)于共振(左)和非共振(右)條件。
, k; ^7 l6 a- u. s0 T8 M# u j( k+ B1 L% X
結(jié)果和見解 r! C* d8 H8 |' ^9 z: M+ k
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 D ^: ]) H+ ]9 T
1. 光譜排序: v' ~: L4 L1 u
轉(zhuǎn)印過程允許根據(jù)共振波長(zhǎng)創(chuàng)建空間有序的PhCC陣列。這克服了原始制造陣列中波長(zhǎng)的隨機(jī)分布。
\& v2 o8 \ z# \/ b3 N% G- u0 [' A$ w8 _
ebaoxaabsyg6402424120.png (93 KB, 下載次數(shù): 9)
下載附件
保存到相冊(cè)
ebaoxaabsyg6402424120.png
昨天 01:28 上傳
) X/ r( A4 U0 L圖4:按共振波長(zhǎng)對(duì)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(cè)量共振波長(zhǎng)。
* c. m; ^4 w. P2 P7 m w* k' I7 U, l* {6 V# W- w( z9 ]3 n
2. 波長(zhǎng)偏移" Y: T) k; V/ I
從施主襯底的初始轉(zhuǎn)移導(dǎo)致腔共振波長(zhǎng)產(chǎn)生塑性偏移。然而,后續(xù)轉(zhuǎn)移顯示出更小的波長(zhǎng)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。
- n; L- Y8 l a; c3 l; d& T; H n# c0 E$ j
esmlfkjtkct6402424220.png (240.73 KB, 下載次數(shù): 9)
下載附件
保存到相冊(cè)
esmlfkjtkct6402424220.png
昨天 01:28 上傳
# G# C2 a& o% t9 p' E: I
圖5:打印引起的共振波長(zhǎng)偏移。(a)第一次打印和(b)第二次打印后單個(gè)PhCC的測(cè)量共振波長(zhǎng)偏移。" @0 ^% S! \ G- u
5 _* y9 O$ W! F3 d3. 多次打印循環(huán)
0 w1 {) W# c* v5 m; Z+ x7 f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(duì)樣品進(jìn)行潛在的重新配置或返工。4 C4 [4 C/ @7 T9 y
/ \9 ^9 \; ?+ L9 \: R
3v4ldntamey6402424320.png (125.13 KB, 下載次數(shù): 8)
下載附件
保存到相冊(cè)
3v4ldntamey6402424320.png
昨天 01:28 上傳
9 E$ [9 _2 W8 A. X! p2 `- M
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(cè)量腔波長(zhǎng)集,顯示絕對(duì)腔共振波長(zhǎng)(藍(lán)色)和每次打印位置之間的相對(duì)共振偏移(紅色)。
5 H& }, u: n" E2 l! ^' U. E/ a# B0 g( x7 q% l) d- R6 n' f
4. 動(dòng)態(tài)效應(yīng)' c7 [: O H. u0 o
原位測(cè)量能力揭示了打印后腔的動(dòng)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(cè)量系統(tǒng)很難觀察到。" j2 |8 W- m" a' u& O
4 D. l9 V$ @8 T4 c" K! W* s
zsd3taj43ln6402424420.png (276.24 KB, 下載次數(shù): 10)
下載附件
保存到相冊(cè)
zsd3taj43ln6402424420.png
昨天 01:28 上傳
/ a3 I: N4 e0 v4 r
圖7:打印對(duì)腔光學(xué)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)。在初始打印后200分鐘內(nèi)測(cè)量的2個(gè)單獨(dú)PhCC的腔共振波長(zhǎng)。插圖顯示了打印后腔共振的快速弛豫,由原位測(cè)量捕獲,以及弛豫后的穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。
5 M) e( f* V" c9 W8 \' I7 F
% N _$ W3 Y6 Y6 l0 {: P應(yīng)用和未來方向
9 t0 B# r! E; D& V+ r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(hào)處理:為先進(jìn)的光電子線路創(chuàng)建耦合腔系統(tǒng)。
1 l. d0 w8 r+ b% L[/ol]
( ^8 O [9 A' }# D( w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(dòng)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。+ Q5 o- J4 p; B2 E& L4 E7 }' [, _+ k
[/ol]
4 c& T$ l6 F9 w+ u結(jié)論
u. D& A# b% l. v& |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(zhǎng)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)。2 P ~6 n; L2 r" c+ @' Z6 c) t
; q7 b6 q$ @9 Z/ j: E# V
$ Q* _( K" r, m0 [& z參考文獻(xiàn)5 ]! C& j P3 v. H9 n5 k
[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. {( Y, ~" h9 p: f1 F g
. F4 [* l0 G0 L0 o* ^! Y1 O- END -) ?3 G. B7 K {" X9 E
' I+ W" j e; n) ^4 h
軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用,PIC Studio都可提升您的工作效能。4 v: @! Z1 O) g& J3 T
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)% e4 e7 Y2 A, c5 B
+ s, P1 m; S( Q& ]( Y歡迎轉(zhuǎn)載
( D7 M6 X: g% M2 `2 C- C& K" ]# T* ?
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處,請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!
2 `3 Y. E6 K6 |( D: @$ h" C. g% j* R
, y# R$ G' k2 x @* z7 I ?6 `
8 ~+ ?, w: L4 M6 Z- r3 x [$ \' d
obkpgugkn0w6402424520.gif (16.04 KB, 下載次數(shù): 9)
下載附件
保存到相冊(cè)
obkpgugkn0w6402424520.gif
昨天 01:28 上傳
' R$ m! C0 S+ M
# E* e& j6 U+ X8 X* w# _5 `/ `關(guān)注我們1 Z1 i+ d% m# y5 f/ g
$ l) ~5 T4 S) b* e/ A1 ]* K
. q) p/ M5 x8 z$ }, |0 h
ba5z151ek3a6402424620.png (31.33 KB, 下載次數(shù): 9)
下載附件
保存到相冊(cè)
ba5z151ek3a6402424620.png
昨天 01:28 上傳
$ z. X H- f/ t, p9 B |
* L p1 Z4 G9 S% d5 x7 a8 l
emfw4pexwek6402424720.png (82.79 KB, 下載次數(shù): 7)
下載附件
保存到相冊(cè)
emfw4pexwek6402424720.png
昨天 01:28 上傳
1 \) H2 C! c0 L! I; v" n |
# o3 ~! U- O% I/ }! }0 N* \
fhv2a4fssb56402424820.png (21.52 KB, 下載次數(shù): 10)
下載附件
保存到相冊(cè)
fhv2a4fssb56402424820.png
昨天 01:28 上傳
/ i/ V+ f4 j2 m$ J. A6 l { | - @* A; t2 i+ ]* ~: L
( U; @; ~0 W8 i& i3 @8 C% G6 _! o5 w$ w- A% `8 Q) C
0 @! I2 U4 y/ |( U+ d4 C
關(guān)于我們:
$ W3 L% F1 w& U7 Q0 `# Z$ f深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
# X h& ^1 ]& U0 a2 p4 A% D! \- ^- [6 _' z1 \& a
http://www.latitudeda.com/
, i. Y* v6 |4 {! X(點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們,發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容) |
|