SAMENVATTING

Dit proefschrift beschrijft het ontwerp, de fabricage and karakterisatie van één- en tweedimensionale fotonische kristallen. Twee nieuwe karakteriseringsmethoden zijn ontwikkeld: de verreveldverstrooiingsmethode om het fenomeen van het zogenoemde trage licht te onderzoeken in geïntegreerde traliestructuren en een methode om staande golven waar te nemen in een fotonischkristalresonator met behulp van beïnvloeding van het nabije veld. De fabricage- en karakteriseringsmethoden die gepresenteerd worden in dit proefschrift zijn zeer bruikbaar voor het realiseren van het hoofddoel van het project waarin dit onderzoek is uitgevoerd: de realisatie van een nanomechanische lichtschakelaar gebaseerd op fotonische kristallen.

Hoofdstuk 2: Fotonische kristallen en resonatoren

Een kort overzicht van de benodigde theorie voor één- en tweedimensionale fotonische kristallen wordt gegeven. Verscheidene relaties voor onder andere de groepssnelheid, de kwaliteitsfactor Q en de vrije spectrale breedte worden afgeleid. Een aantal belangrijke ontwerpkeuzes met betrekking tot tralies in golfgeleiderstructuren, fotonische kristallen en microringresonatoren worden toegelicht.

Hoofdstuk 3: Fabricatie

Er is een sterkte- en zwakteanalyse gemaakt van de fabricagemethoden die gebruikt zijn voor dit proefschrift, op basis van de ervaringen met deze technologieën. Dit wordt gevolgd door een gedetailleerde beschrijving van een voorbeeld voor het generen van een “masker”-bestand waarmee een patroon gedefinieerd kan worden met de gefocusseerde ionenbundel (FIB). Deze FIB kan onder meer gebruikt worden om een oorspronkelijk ruw oppervlak ultraglad te maken. Een toepassing hiervan kan bijvoorbeeld zijn het polijsten van de eindvlakken van de optische chip om de koppeling van licht naar de golfgeleider te vergroten. De fabricage van submicrometer gaten met perfect verticale zijwanden, die nodig zijn voor verliesvrije propagatie in (Si) fotonische kristallen, is geen standaardproces vanwege het sterk aanwezige redepositie-effect.

Het pad dat de ionenbundel aflegt tijdens het “millen” (het fysisch wegmalen van de atomen in het substraat), genaamd het scantraject, kan gebruikt worden als parameter voor het optimaliseren van de zijwandhoek, met als doel het millen van submicrometer gaten met perfect verticale zijwanden. De optimalisatie is uitgevoerd voor zowel individuele gaten als gaten in een matrixstructuur (een configuratie van een fotonisch kristal). Een waarde van ongeveer 5 graden kan bereikt worden voor de zijwandhoeken in (bulk) Si and SOI (“silicon-on-insulator”) als er een relatief grote dosis gebruikt wordt, zodat er diepe gaten ontstaan. De millingexperimenten in Si membramen laten zien dat voor deze structuren een zijwandhoek van slechts 1.5 graad bereikt kan worden. Op basis van de uitkomsten van de experimenten is de conclusie getrokken dat het aantal rondes dat de FIB aflegt bij een gegeven constante dosis per gat de beste optimalisatieparameter is en niet alleen de verblijftijd van de bundel op één plaats (de “dwell time”).

Een andere fabricagetechnologie is onderzocht en toegepast voor de realisatie van een ééndimensionaal fotonisch kristal (een tralie in een golfgeleider): de combinatie van laserinterferentielithografie met conventionele UV-lithografie en droog etsen. De fabricagemethode, die geschikt is voor de realisatie van zogenaamde apodiserende functies (met als doel oscillaties in een overdrachtsfunctie te verminderen), die zowel de fase en amplitude kunnen moduleren van het licht in de tralie, is gedemonstreerd door een tralie te fabriceren in een Si₃N₄ golfgeleider waarbij de breedte van de golfgeleider onder het tralie verloopt. Het voordeel van deze fabricagemethode waarmee kwalitatief goede tralies gemaakt kunnen worden, is dat deze compatibel is met de CMOS industriestandaarden.

Hoofdstuk 4: Karakterisering & modelleringsresultaten

Een opsomming van de opstellingen die gebruikt zijn voor de experimenten in dit proefschrift wordt eerst gegeven samen met de referenties naar uitgebreide beschrijving van deze opstellingen.

De fabricage en karakterisatie van de refractometrische en temperatuurafhankelijke eigenschappen van een quasi-ééndimensionaal fotonisch kristal, namelijk een 76 mm lang Braggtralie in een golfgeleider wordt gerapporteerd. De stopband van dit tralie met een periode van 190 nm lag rond een golflengte van 660 nm. Dit tralie kan gebruikt worden als sensor van verandering in de brekingsindex van de cladding, met een gevoeligheid in brekingsindexverandering van 4´10^-⁴en een temperatuursgevoeligheid van 7 pm/K.

In sectie 4.3 worden experimenten beschreven die aantonen dat de scherpe pieken in het transmissiespectrum vlak naast de stopband samenhangen met staandegolfpatronen in het tralie in de golfgeleider. Deze patronen komen goed overeen met de verdelingen die gevonden zijn met behulp van simulaties. Een nieuwe en eenvoudige methode wordt gepresenteerd waarmee de groepsindex en de intensiteitstoename over een grote spectrale breedte kan worden geschat. De resultaten die zijn verkregen met behulp van deze verreveldverstrooiingsmethode zijn vergeleken met de resultaten verkregen m.b.v. de zogenoemde “faseverschuivingsmethode” en met een methode die gebruik maakt van het transmissiespectrum om de eigenschappen van traag licht te onderzoeken. De resultaten van de verschillende methoden komen goed overeen. Een minimum in groepssnelheid van 0.04 c en een maximale intensiteitsverhogingsfactor van 14.5 zijn gevonden voor een 1000-perioden lang tralie en een maximale groepsvertraging van 80 ps is gevonden voor een 2000-perioden lang tralie. De verreveldverstrooiingsmethode kan niet alleen gebruikt worden om de intensiteitsverdelingen van de Blochresonanties waar te nemen, maar ook om de stralingsverliezen uit het vlak van de golfgeleider te bestuderen. De bovengenoemde tralies die ontworpen zijn voor het infrarode golflengtegebied (rond 1.55 mm) kunnen ook gebruikt worden als op traag licht gebaseerde sensoren van brekingsindexverschillen in de cladding. De minimale brekingsindexverandering die deze sensoren kunnen detecteren is 10^–8, uitgaande van een detectielimiet van 10^–4.

De bovenbeschreven verreveldverstrooiingsmethode kan niet gebruikt worden om nauwkeurig het staandegolfprofiel in een microresonator te bepalen aangezien het resonantiepatroon kleinere details vertoont dan de resolutie van de meetmethode, die beperkt is door diffractie. Daarom is het resterende deel van hoofdstuk 4 gewijd aan een nieuw ontwikkelde meetmethode: microscopie door aftasting van het nabije veld waarbij de optische transmissie gemeten wordt (T-SNOM). Met deze techniek is het wel mogelijk om het veldpatroon in een microresonator te bepalen. De tweedimensionale modelleringresultaten laten voor twee loodrechte doorsneden van een resonator in een fotonisch kristal zien dat de resonantiegolflengteverschuiving door de nabijheid van een nanonaaldje bij goede benadering evenredig is met de lokale intensiteitsverdeling. Een eerste benadering van deze verdeling kan verkregen worden voor een lage interactiesterkte, door een werkgolflengte te kiezen op de helling van de Lorentz-vormige responsie waar de afgeleide maximaal is. Op basis van de experimentele en numerieke resultaten is de conclusie getrokken dat een nanonaaldje gebruikt kan worden om de resonantiegolflengte nauwkeurig af te stemmen op de gewenste waarde en om de selectiviteit van de resonator, gekenmerkt door de kwaliteitsfactor Q, te veranderen.

De T-SNOM-methode is experimenteel toegepast om een op SOI gebaseerde microresonator in een fotonisch kristal te karakteriseren. Uit de resultaten kan geconcludeerd worden dat de staandegolfpatronen met een hoge resolutie (< 100 nm) gemeten konden worden met behulp van een microscoop op basis van atomaire krachten (AFM), waarvan de aftastnaald in contactmodus werd bedreven. Twee verschillende AFM naaldjes zijn gebruikt voor de experimenten met nanomechanische interactie: een van Si en een andere van Si₃N₄. Een verschuiving van de resonantiegolflengte van 2.3 nm kon worden gedemonstreerd door een slimme plaatsing van een Si AFM-naaldje. Met hetzelfde naaldje was het mogelijk om de Q te veranderen tussen 615 en 0. Volledige aan- en uitschakeling van resonator was mogelijk met een verticale naaldverplaatsing van slechts 200 nm of met een laterale verplaatsing van 500 nm ten opzichte van de locatie met de sterkste veldintensiteit.

Omdat de naald snel kan slijten in contactmodus, is de toepassing van de zogenaamde tapping modus belangrijk. Deze techniek wordt dikwijls toegepast op delicate oppervlakken. Deze modus kan ook gebruikt worden voor de T-SNOM-methode. Het is mogelijk om met behulp van een eenvoudig model van de naaldbewegingen en met een gemeten calibratiecurve het effect van de ingestelde tappingamplitude op het transmissiesignaal te schatten.

Uit de simulatieresultaten blijkt dat een nanonaaldje gebruikt kan worden om efficiënt de uit-het-vlak-verliezen te verlagen door het naaldje op een hoogte van 0.5 mm te plaatsen boven de plaats waar de sterkste veldintensiteit heerst. Hierdoor wordt er tussen de golfgeleiderstructuur en het naaldje een antiresonante holte gevormd. Een soortgelijk effect is experimenteel waargenomen: een toename in transmissie werd gedetecteerd voor een naaldpositie net buiten de resonator.

Hoofdstuk 5: Vooruitzicht

In dit hoofdstuk worden de huidige en toekomstige onderzoeksactiviteiten genoemd die gerelateerd zijn aan het werk beschreven in dit proefschrift. De uitdagingen van het FIB-onderzoek, de mogelijke oplossingen en enkele alternatieven worden genoemd. Een eerste resultaat wordt gepresenteerd van een test van de verreveldverstrooiingsmethode op een W1 golfgeleider in een fotonisch kristal. Ook wordt een eerste resultaat gepresenteerd van een toepassingstest van de T-SNOM-methode op een microringresonator.

Tenslotte worden de toepassing van de T-SNOM-methode en een optische schakelaar gebaseerd op NEMS (nanoelectromechanical system) besproken.

	Home > ... > summary's > Abstract Wico Hopman NL
Home News Events Strategic Orientations research groups Publications PhD students Education MESA+ NanoLab Starting entrepreneurs Tech Park Industrial Partners Vacancies Links Sitemap Search	SAMENVATTING Dit proefschrift beschrijft het ontwerp, de fabricage and karakterisatie van één- en tweedimensionale fotonische kristallen. Twee nieuwe karakteriseringsmethoden zijn ontwikkeld: de verreveldverstrooiingsmethode om het fenomeen van het zogenoemde trage licht te onderzoeken in geïntegreerde traliestructuren en een methode om staande golven waar te nemen in een fotonischkristalresonator met behulp van beïnvloeding van het nabije veld. De fabricage- en karakteriseringsmethoden die gepresenteerd worden in dit proefschrift zijn zeer bruikbaar voor het realiseren van het hoofddoel van het project waarin dit onderzoek is uitgevoerd: de realisatie van een nanomechanische lichtschakelaar gebaseerd op fotonische kristallen. Hoofdstuk 2: Fotonische kristallen en resonatoren Een kort overzicht van de benodigde theorie voor één- en tweedimensionale fotonische kristallen wordt gegeven. Verscheidene relaties voor onder andere de groepssnelheid, de kwaliteitsfactor Q en de vrije spectrale breedte worden afgeleid. Een aantal belangrijke ontwerpkeuzes met betrekking tot tralies in golfgeleiderstructuren, fotonische kristallen en microringresonatoren worden toegelicht. Hoofdstuk 3: Fabricatie Er is een sterkte- en zwakteanalyse gemaakt van de fabricagemethoden die gebruikt zijn voor dit proefschrift, op basis van de ervaringen met deze technologieën. Dit wordt gevolgd door een gedetailleerde beschrijving van een voorbeeld voor het generen van een “masker”-bestand waarmee een patroon gedefinieerd kan worden met de gefocusseerde ionenbundel (FIB). Deze FIB kan onder meer gebruikt worden om een oorspronkelijk ruw oppervlak ultraglad te maken. Een toepassing hiervan kan bijvoorbeeld zijn het polijsten van de eindvlakken van de optische chip om de koppeling van licht naar de golfgeleider te vergroten. De fabricage van submicrometer gaten met perfect verticale zijwanden, die nodig zijn voor verliesvrije propagatie in (Si) fotonische kristallen, is geen standaardproces vanwege het sterk aanwezige redepositie-effect. Het pad dat de ionenbundel aflegt tijdens het “millen” (het fysisch wegmalen van de atomen in het substraat), genaamd het scantraject, kan gebruikt worden als parameter voor het optimaliseren van de zijwandhoek, met als doel het millen van submicrometer gaten met perfect verticale zijwanden. De optimalisatie is uitgevoerd voor zowel individuele gaten als gaten in een matrixstructuur (een configuratie van een fotonisch kristal). Een waarde van ongeveer 5 graden kan bereikt worden voor de zijwandhoeken in (bulk) Si and SOI (“silicon-on-insulator”) als er een relatief grote dosis gebruikt wordt, zodat er diepe gaten ontstaan. De millingexperimenten in Si membramen laten zien dat voor deze structuren een zijwandhoek van slechts 1.5 graad bereikt kan worden. Op basis van de uitkomsten van de experimenten is de conclusie getrokken dat het aantal rondes dat de FIB aflegt bij een gegeven constante dosis per gat de beste optimalisatieparameter is en niet alleen de verblijftijd van de bundel op één plaats (de “dwell time”). Een andere fabricagetechnologie is onderzocht en toegepast voor de realisatie van een ééndimensionaal fotonisch kristal (een tralie in een golfgeleider): de combinatie van laserinterferentielithografie met conventionele UV-lithografie en droog etsen. De fabricagemethode, die geschikt is voor de realisatie van zogenaamde apodiserende functies (met als doel oscillaties in een overdrachtsfunctie te verminderen), die zowel de fase en amplitude kunnen moduleren van het licht in de tralie, is gedemonstreerd door een tralie te fabriceren in een Si₃N₄ golfgeleider waarbij de breedte van de golfgeleider onder het tralie verloopt. Het voordeel van deze fabricagemethode waarmee kwalitatief goede tralies gemaakt kunnen worden, is dat deze compatibel is met de CMOS industriestandaarden. Hoofdstuk 4: Karakterisering & modelleringsresultaten Een opsomming van de opstellingen die gebruikt zijn voor de experimenten in dit proefschrift wordt eerst gegeven samen met de referenties naar uitgebreide beschrijving van deze opstellingen. De fabricage en karakterisatie van de refractometrische en temperatuurafhankelijke eigenschappen van een quasi-ééndimensionaal fotonisch kristal, namelijk een 76 mm lang Braggtralie in een golfgeleider wordt gerapporteerd. De stopband van dit tralie met een periode van 190 nm lag rond een golflengte van 660 nm. Dit tralie kan gebruikt worden als sensor van verandering in de brekingsindex van de cladding, met een gevoeligheid in brekingsindexverandering van 4´10^-⁴en een temperatuursgevoeligheid van 7 pm/K. In sectie 4.3 worden experimenten beschreven die aantonen dat de scherpe pieken in het transmissiespectrum vlak naast de stopband samenhangen met staandegolfpatronen in het tralie in de golfgeleider. Deze patronen komen goed overeen met de verdelingen die gevonden zijn met behulp van simulaties. Een nieuwe en eenvoudige methode wordt gepresenteerd waarmee de groepsindex en de intensiteitstoename over een grote spectrale breedte kan worden geschat. De resultaten die zijn verkregen met behulp van deze verreveldverstrooiingsmethode zijn vergeleken met de resultaten verkregen m.b.v. de zogenoemde “faseverschuivingsmethode” en met een methode die gebruik maakt van het transmissiespectrum om de eigenschappen van traag licht te onderzoeken. De resultaten van de verschillende methoden komen goed overeen. Een minimum in groepssnelheid van 0.04 c en een maximale intensiteitsverhogingsfactor van 14.5 zijn gevonden voor een 1000-perioden lang tralie en een maximale groepsvertraging van 80 ps is gevonden voor een 2000-perioden lang tralie. De verreveldverstrooiingsmethode kan niet alleen gebruikt worden om de intensiteitsverdelingen van de Blochresonanties waar te nemen, maar ook om de stralingsverliezen uit het vlak van de golfgeleider te bestuderen. De bovengenoemde tralies die ontworpen zijn voor het infrarode golflengtegebied (rond 1.55 mm) kunnen ook gebruikt worden als op traag licht gebaseerde sensoren van brekingsindexverschillen in de cladding. De minimale brekingsindexverandering die deze sensoren kunnen detecteren is 10^–8, uitgaande van een detectielimiet van 10^–4. De bovenbeschreven verreveldverstrooiingsmethode kan niet gebruikt worden om nauwkeurig het staandegolfprofiel in een microresonator te bepalen aangezien het resonantiepatroon kleinere details vertoont dan de resolutie van de meetmethode, die beperkt is door diffractie. Daarom is het resterende deel van hoofdstuk 4 gewijd aan een nieuw ontwikkelde meetmethode: microscopie door aftasting van het nabije veld waarbij de optische transmissie gemeten wordt (T-SNOM). Met deze techniek is het wel mogelijk om het veldpatroon in een microresonator te bepalen. De tweedimensionale modelleringresultaten laten voor twee loodrechte doorsneden van een resonator in een fotonisch kristal zien dat de resonantiegolflengteverschuiving door de nabijheid van een nanonaaldje bij goede benadering evenredig is met de lokale intensiteitsverdeling. Een eerste benadering van deze verdeling kan verkregen worden voor een lage interactiesterkte, door een werkgolflengte te kiezen op de helling van de Lorentz-vormige responsie waar de afgeleide maximaal is. Op basis van de experimentele en numerieke resultaten is de conclusie getrokken dat een nanonaaldje gebruikt kan worden om de resonantiegolflengte nauwkeurig af te stemmen op de gewenste waarde en om de selectiviteit van de resonator, gekenmerkt door de kwaliteitsfactor Q, te veranderen. De T-SNOM-methode is experimenteel toegepast om een op SOI gebaseerde microresonator in een fotonisch kristal te karakteriseren. Uit de resultaten kan geconcludeerd worden dat de staandegolfpatronen met een hoge resolutie (< 100 nm) gemeten konden worden met behulp van een microscoop op basis van atomaire krachten (AFM), waarvan de aftastnaald in contactmodus werd bedreven. Twee verschillende AFM naaldjes zijn gebruikt voor de experimenten met nanomechanische interactie: een van Si en een andere van Si₃N₄. Een verschuiving van de resonantiegolflengte van 2.3 nm kon worden gedemonstreerd door een slimme plaatsing van een Si AFM-naaldje. Met hetzelfde naaldje was het mogelijk om de Q te veranderen tussen 615 en 0. Volledige aan- en uitschakeling van resonator was mogelijk met een verticale naaldverplaatsing van slechts 200 nm of met een laterale verplaatsing van 500 nm ten opzichte van de locatie met de sterkste veldintensiteit. Omdat de naald snel kan slijten in contactmodus, is de toepassing van de zogenaamde tapping modus belangrijk. Deze techniek wordt dikwijls toegepast op delicate oppervlakken. Deze modus kan ook gebruikt worden voor de T-SNOM-methode. Het is mogelijk om met behulp van een eenvoudig model van de naaldbewegingen en met een gemeten calibratiecurve het effect van de ingestelde tappingamplitude op het transmissiesignaal te schatten. Uit de simulatieresultaten blijkt dat een nanonaaldje gebruikt kan worden om efficiënt de uit-het-vlak-verliezen te verlagen door het naaldje op een hoogte van 0.5 mm te plaatsen boven de plaats waar de sterkste veldintensiteit heerst. Hierdoor wordt er tussen de golfgeleiderstructuur en het naaldje een antiresonante holte gevormd. Een soortgelijk effect is experimenteel waargenomen: een toename in transmissie werd gedetecteerd voor een naaldpositie net buiten de resonator. Hoofdstuk 5: Vooruitzicht In dit hoofdstuk worden de huidige en toekomstige onderzoeksactiviteiten genoemd die gerelateerd zijn aan het werk beschreven in dit proefschrift. De uitdagingen van het FIB-onderzoek, de mogelijke oplossingen en enkele alternatieven worden genoemd. Een eerste resultaat wordt gepresenteerd van een test van de verreveldverstrooiingsmethode op een W1 golfgeleider in een fotonisch kristal. Ook wordt een eerste resultaat gepresenteerd van een toepassingstest van de T-SNOM-methode op een microringresonator. Tenslotte worden de toepassing van de T-SNOM-methode en een optische schakelaar gebaseerd op NEMS (nanoelectromechanical system) besproken.