硅基光子晶体腔阵列的微组装转印技术

逍遥设计自动化

引言
$ J& |- A, C( R' B光子晶体腔（PhCCs）能够将光场限制在超小体积内，实现量子和非线性光学、传感和全光信号处理的高效光物质相互作用。然而，微加工平台固有的纳米级公差会导致腔共振波长偏移，这种偏移可能比腔线宽大两个数量级，从而阻碍了制造名义上相同的器件阵列。本文探讨了创新方法，通过转印微组装技术克服这一限制[1]。

) r* \$ B. u8 X. R& y3 z/ I( b! _制造偏差的挑战
: C+ x) J/ @6 O+ {光子晶体腔通常使用电子束光刻技术制造，这种技术在定义物理几何形状方面提供了最高的精度。尽管如此精确，但几纳米范围内的制造偏差仍可能导致器件共振波长的变化，这种变化通常比腔线宽大两个数量级。这使得直接制造名义上相同的器件阵列几乎不可能，限制了需要集合或共振腔之间耦合的应用潜力。

转印技术：克服制造限制的解决方案
: m& {7 h/ v4 m3 t为了解决这一挑战，研究人员开发了转印方法，允许对单独制造的PhCC器件进行物理重排。这种方法涉及将PhCCs制造成可释放的像素，可以从原始衬底转移到接收衬底，在那里可以根据测量的共振波长将其排列成空间有序的阵列。
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  x, {1 E0 X% Q9 X0 B) j图1：用于机械转移的可释放PhCC像素。（a） PhCC像素在其施主衬底上和转移到具有二氧化硅支撑框架的接收衬底后的示意图。（b） 在施主衬底上制造的PhCC像素的扫描电子显微镜图像，其中右侧像素已被转移，在施主阵列中留下一个空隙。（c） 显示L3腔几何形状的PhCC中心区域的高放大扫描电子显微镜图像，以及（d） 印在二氧化硅支撑框架上的硅PhCC的光学显微镜图像。
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转印过程的关键步骤
6 q8 n) T* C  q8 F1. 制造可释放的PhCC像素
; M( N' M; z9 y) c* hPhCC器件被制造成施主衬底上的单个像素。每个像素包含光子晶体结构，周围有最小的平面膜边界，以便在转移过程中进行处理。

2. 原位光学表征
这种方法的一个关键方面是将光学测量系统集成到转印工具中。这允许实时表征PhCC器件的共振波长和品质因数。
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1 d& r1 g9 ~5 R6 u( p& ?图2：具有原位反射率谱测量能力的精确转印系统。（a） 转印系统和光学测量装置的示意图，包含高精度6轴台、固定印章夹持器、帕尔贴制冷的施主和接收样品以及光学显微镜物镜。（b） 使用PDMS印章进行像素打印的示意图。（c）和（d）分别显示了可见光和红外系统中打印的PhCC像素的图像。（e） 嵌入转印工具中的光学注入和测量系统的示意细节。
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3. 器件选择和分类
! I, y- r* m0 d( C基于测量的共振波长，对PhCC器件进行数值排序并选择转移到接收衬底。

  y% O2 ]1 L! }! |( {4. 转印
. A. m( p- Z3 m! f) [8 Q使用软聚合物印章，从施主衬底拾取选定的PhCC像素，对齐并放置到接收衬底上。这个过程需要高定位精度，通常在百纳米范围内。

5. 转移后表征
转移后，再次测量器件以评估光学性能的变化，并验证空间排序过程的成功。

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图3：转印系统中PhCC的光谱测量。使用原位测量系统捕获的PhCC反射率谱。PhCC印在接收衬底的二氧化硅悬浮框架上。插图显示了InGaAs相机在可调波长扫描的两个点捕获的空间模式图像，对应于共振（左）和非共振（右）条件。
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" w! [# q" R: C0 O$ J结果和见解
研究人员展示了119个PhCC器件的转印和空间排序。以下是他们实验的一些关键发现：
0 K5 c# c' k: K" w8 o1. 光谱排序
转印过程允许根据共振波长创建空间有序的PhCC阵列。这克服了原始制造阵列中波长的随机分布。
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图4：按共振波长对PhCC阵列进行空间排序。（a）施主衬底，（b）第一接收器和（c）第二接收器衬底上PhCC的测量共振波长。
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6 A3 j/ [0 N/ X* W2. 波长偏移
! h7 Y9 f4 n+ _/ i从施主衬底的初始转移导致腔共振波长产生塑性偏移。然而，后续转移显示出更小的波长偏移，第二次打印后的平均偏移为±0.025 nm，标准偏差为±0.139 nm。
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图5：打印引起的共振波长偏移。（a）第一次打印和（b）第二次打印后单个PhCC的测量共振波长偏移。

) x9 J7 l! X2 E- U  f3. 多次打印循环
. j* |/ A$ F- F# ~+ l8 ]研究人员发现，PhCC性能可以在最多5次打印循环中保持，允许对样品进行潜在的重新配置或返工。
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图6：重复打印循环。10个PhCC器件在每次打印循环后的测量腔波长集，显示绝对腔共振波长（蓝色）和每次打印位置之间的相对共振偏移（红色）。

4. 动态效应
; z7 g8 Q8 i+ m  O) r2 @原位测量能力揭示了打印后腔的动态弛豫效应。这些效应发生在秒到小时的时间尺度上，使用标准集成和测量系统很难观察到。

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图7：打印对腔光学响应的动态效应。在初始打印后200分钟内测量的2个单独PhCC的腔共振波长。插图显示了打印后腔共振的快速弛豫，由原位测量捕获，以及弛豫后的稳定稳态响应。

! I; e  l6 p4 S! M' f4 q1 [( X1 E应用和未来方向
这种转印微组装技术为创建高性能的光电子系统芯片开辟了新的机遇。潜在的应用包括：

光量子学：用于研究集体量子效应的相同腔阵列。

传感：在单个芯片上精确排列多个传感元件。

全光信号处理：为先进的光电子线路创建耦合腔系统。
[/ol]
未来的研究方向可能集中在：

扩大处理更多器件的过程规模。

集成主动调谐机制，以在转移后微调腔共振。

探索将这种技术应用于其他类型的光电子器件。
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) ]( \  a9 Q% H/ R" y+ r& g结论
# M' }" ^- m" P9 {3 k硅基光子晶体腔阵列的转印微组装代表了克服传统制造方法限制的重大进展。通过实现创建共振波长紧密匹配的PhCC空间有序阵列，为新一代具有增强性能和功能的集成光电子系统奠定了基础。

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参考文献
. a: N4 r  b7 {6 u[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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