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?chǎng)限制在超小體積內(nèi)，實(shí)現(xiàn)量子和非線(xiàn)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(xiàn)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(guò)轉(zhuǎn)印微組裝技術(shù)克服這一限制[1]。

% |" P6 M# r! x6 w6 \3 U5 m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(zhǎng)的變化，這種變化通常比腔線(xiàn)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。
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( S$ t- j5 K0 J3 C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(kāi)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。

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6 `& \. R8 j( S: S1 H" _- s- ^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。
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  S# K* R  u2 g2 k9 {7 y" t轉(zhuǎn)印過(guò)程的關(guān)鍵步驟
1. 制造可釋放的PhCC像素
4 s) x" Q) }2 u$ IPhCC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?chē)�有最小的平面膜邊界，以便在轉(zhuǎn)移過(guò)程中進(jìn)行處理。

' G7 y& {, L* _6 ], z  [2. 原位光學(xué)表征
6 i0 A7 z0 R, s3 r- A2 @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)。
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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(jiàn)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)。
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3. 器件選擇和分類(lèi)
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。

9 m( x7 }6 ?) {2 F, u& b4. 轉(zhuǎn)印
% l/ J- ~) N$ X: U1 q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(guò)程需要高定位精度，通常在百納米范圍內(nèi)。
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5. 轉(zhuǎn)移后表征
$ N5 j/ f1 t# E' j6 y; b) [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(guò)程的成功。


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。

結(jié)果和見(jiàn)解
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
轉(zhuǎn)印過(guò)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。

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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)。
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2. 波長(zhǎng)偏移
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。


. x! k; i9 J$ k( 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。
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3. 多次打印循環(huán)
8 {9 x1 K, b% N; P0 Q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。

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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）。

7 \1 b, ]. b# G0 z" T: R4. 動(dòng)態(tài)效應(yīng)
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(guān)察到。


  ^; {4 j" l& U. q& k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)。

9 ?9 K/ ~7 f* ]應(yīng)用和未來(lái)方向
2 E# P7 b& h1 T7 g: s* D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(kāi)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(xiàn)路創(chuàng)建耦合腔系統(tǒng)。
[/ol]
未來(lái)的研究方向可能集中在：

擴(kuò)大處理更多器件的過(guò)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(lèi)型的光電子器件。
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結(jié)論
! D0 U, L" \9 ?" D' ?0 G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(guò)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)。


參考文獻(xiàn)
[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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