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引言
: ~$ N, n2 Y) ~) m2 Q s9 Y3 X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(guò)轉(zhuǎn)印微組裝技術(shù)克服這一限制[1]。/ C' c7 A: V' m, X
0 A. {5 X: G$ @6 [, O; { H7 a
制造偏差的挑戰(zhàn)
5 |6 Y. t4 x1 G, M1 r4 W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。8 n4 q5 k) S8 F; I% v) [
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轉(zhuǎn)印技術(shù):克服制造限制的解決方案
! k: y) B2 S8 v0 x1 ~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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, ^7 P& J! D6 B3 E" p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。( v/ P2 P# y' v
. k+ {/ O1 l; d/ o& i& L4 c! h' v, W# j; y B, g# k
轉(zhuǎn)印過(guò)程的關(guān)鍵步驟
4 @% D" [ ]. x. V9 _# h, e/ n1. 制造可釋放的PhCC像素* O2 `3 ?+ W) o5 K. [1 j- O5 B1 V
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(guò)程中進(jìn)行處理。3 R" Z7 d: y8 K4 V- K
* O: a" M: e( D/ D
2. 原位光學(xué)表征
1 U$ l: y9 j8 m4 T6 ?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)。3 b; V; x# [3 l; C+ n% Q
, h! A) {; p/ @6 ?9 W( ^ O
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4 S: p" V( q1 ~$ ]% F9 ^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)。
9 {; I+ f0 T' q# k l4 E8 k: w( t2 Q' ^
3. 器件選擇和分類; j8 q/ l, a6 l0 S$ U
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。
1 u8 r% P t \- R% }4 N$ o8 |; i
" v: x V+ I: F: ^0 P+ h4. 轉(zhuǎn)印
' R& v5 W$ |% T0 x' f# h* U5 J4 a. c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)。8 F |+ G$ P* s$ O5 L
) w; l9 R( }4 C8 L0 J+ u+ T6 J0 R% D; ^
5. 轉(zhuǎn)移后表征2 p- w$ h% B3 H% O
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。+ x* \0 R$ V0 k v" K7 k' p: j
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! l) J; k7 ~# L6 o$ |& x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。
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結(jié)果和見(jiàn)解7 h; x' N2 f0 g% h
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):
! d$ v; B$ j& c4 x* @9 F! g; T1. 光譜排序
1 ~6 B9 ]" L0 L `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。" q# x$ ]. `0 d' d$ [; m
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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)。! @9 N4 m1 F6 v% ?2 e
( v& m; A( V: ]! I
2. 波長(zhǎng)偏移
0 W1 N- G; n7 s9 y3 s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。
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9 Z2 Y5 _2 i5 Y" g% P' `. G4 v8 z9 V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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h5 B( t+ d# V, \* S; G3. 多次打印循環(huán)
0 s6 r. S! o* V$ }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。1 W/ B, h* J! _3 j: I
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+ _7 h8 {# q" r" U1 [8 D# X4 U# n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)。
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# V( t; U. h$ t0 ~4 i6 p4. 動(dòng)態(tài)效應(yīng)/ W0 @; U5 `+ q: o" Y: _" @
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。
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3 S0 s9 P* }1 Q+ Z" @' S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)。) O' k: B6 G* H3 O
2 r3 ]9 w( V% t' A$ v* W, j b
應(yīng)用和未來(lái)方向
% M' J }- O+ t' R4 J) o: 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)的光電子線路創(chuàng)建耦合腔系統(tǒng)。, z) l- ?; n7 n+ n( |
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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)用于其他類型的光電子器件。
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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)。
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參考文獻(xiàn)4 K8 ~- S) 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.% L1 w8 Y P# S0 V% {9 f+ B
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