Design and fabrication of polarization-independent micro-ring resonators

Origin of polarization sensitivity of photonic wire waveguides (PWWs) is analysed and the effective refractive indices of two different polarization states are calculated by the three-dimensional full-vector beam propagation method. We find that PWWs are polarization insensitive if the distribution of its refractive index is uniform and the cross section is square. An MRR based on such a polarization-insensitive PWW is fabricated on an 8-inch silicon-on-insulator wafer using 248-nm deep ultraviolet lithography and reactive ion etching. The quasi-TE mode is resonant at 1542.25 nm and 1558.90 nm, and the quasi-TM mode is resonant at 1542.12 nm and 1558.94 nm. The corresponding polarization shift is 0.13 nm at the shorter wavelength and 0.04 nm at the longer wavelength. Thus the fabricated device is polarization independent. The extinction ratio is larger than 10 dB. The 3 dB bandwidth is about 2.5 nm and the Qvalue is about 620 at 1558.90 nm.

A silicon-on-insulator-based thermo-optic waveguide switch with low insertion loss and fast response

A silicon-on-insulator-based thermo-optic waveguide switch integrated with spot size converters is designed and fabricated by inductively coupled plasma reactive ion etching. The device shows good characteristics, including low, insertion loss of 8 +/- 1 dB for wavelength 1530-1580 nm and fast response times of 4.6 As for rising edge and 1.9 mu s for failing edge. The extinction ratios of the two channels are 19.1 and 18 dB, respectively.

Thermo-optical switch matrix based on silicon-on-insulator waveguides

A thermo-optical waveguide switch matrix is designed and fabricated on silicon-on-insulator wafer. Multi-mode interferometers are used as power splitters and combiners in a Mach-Zehnder structure. Inductively coupled plasma reactive ion etching is used to fabricate the waveguides. The rise and fall times of the switch matrix are 13 mu s and 7 mu s, respectively. Switch cells have an average switching power consumption of 340 mW.

Nanofabrication of grid-patterned substrate by holographic lithography

The two-dimensional grid patterns on Si(001) in nanometer scale have been fabricated by holographic lithography and reactive ion etching, which can be used as a substrate for positioning Ge islands during self-assembled epitaxy to obtain an ordered Ge quantum dots matrix. By changing the configuration of the holographic lithography and the etching rate and time, we can control the grid period, the shape of the pattern cell, and the orientation of those shapes, respectively. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Superluminescent diode monolithically integrated with novel Y-branch by bundle integrated waveguide for fiber optic gyroscope - art. no. 68380D

We have developed a novel InP-based, ridge-waveguide photonic integrated circuit (PIC), which consists of a 1.1-um wavelength Y-branch optical waveguide with low loss and improved far field pattern and a 1.3-um wavelength strained InGaAsP-InP multiple quantum-well superluminescent diode, with bundle integrated guide (BIG) as the scheme for monolithic integration. The simulations of BIG and Y-branches show low losses and improved far-field patterns, based on the beam propagation method (BPM). The amplified spontaneous emission of the device is up to 10 mW at 120 mA with no threshold and saturation. Spectral characteristics of about 30 nm width and less than I dB modulation are achieved using the built-in anti-lasing ability of Y-branch. The beam divergence angles in horizontal and vertical directions are optimized to as small as 12 degrees x8 degrees, resulting in good fiber coupling. The compactness, simplicity in fabrication, good superluminescent performance, low transmission loss and estimated low coupling loss prove the BIG and Y-branch method to be a feasible way for integration and make the photonic integrated circuit of Y-branch and superluminescent diode an promising candidate for transmitter and transceiver used in fiber optic gyroscope.

Heteroepitaxial Growth of 3C-SiC Films on Maskless Patterned Silicon Substrates

Heteroepitaxial growth of 3C-SiC on patterned Si substrates by low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) has been investigated to improve the crystal quality of 3C-SiC films. Si substrates were patterned with parallel lines, 1 to 10μm wide and spaced 1 to 10μm apart, which was carried out by photolithography and reactive ion etching. Growth behavior on the patterned substrates was systematically studied by scanning electron microscopy (SEM). An air gap structure and a spherical shape were formed on the patterned Si substrates with different dimensions. The air gap formed after coalescence reduced the stress in the 3C-SiC films, solving the wafer warp and making it possible to grow thicker films. XRD patterns indicated that the films grown on the maskless patterned Si substrates were mainly composed of crystal planes with (111) orientation.

Photoluminescence characteristics of GaAs/AlGaAs quantum dot arrays fabricated by dry and dry-wet etching

GaAs/AlGaAs quantum dot arrays with different dot sizes made by different fabrication processes were studied in this work. In comparison with the reference quantum well, photoluminescence (PL) spectra from the samples at low temperature have demonstrated that PL peak positions shift to higher energy side due to quantization confinement effects and the blue-shift increases with decreasing dot size, PL linewidths are broadened and intensities are much reduced. It is also found that wet chemical etching after reactive ion etching can improve optical properties of the quantum dot arrays.

Fabrication of arrays of silver nanoparticle aggregates by microcontact printing and block copolymer nanoreactors

A combination of microcontact printing and block copolymer nanoreactors succeeded in fabricating arrays of silver nanoparticle aggregates. A complex solution of polystyrene-block-poly(4-vinylpyridine) micelles and silver salt was used as an ink to form thin films or droplets on polydimethylsiloxane stamp protrusions. After these complex aggregates were printed onto silicon substrates under controlled conditions, highly ordered arrays of disklike, dishlike, and dotlike complex aggregates were obtained. A Subsequent oxygen reactive ion etching treatment yielded arrays of silver nanoparticle aggregates.

Submillimeter wave frequency selective surface with polarisation independent spectral responses

This paper reports the design, construction and electromagnetic performance of a new freestanding frequency selective surface (FSS) structure which generates coincident spectral responses for dual polarisation excitation at oblique angles of incidence. The FSS is required to allow transmission of 316.5 - 325.5 GHz radiation with a loss = 0.6 dB and to achieve = 30 dB rejection from 349.5 - 358.5 GHz. It should also exhibit crosspolarisation levels below -25 dB, all criteria being satisfied simultaneously for TE and TM polarisations at 45° incidence. The filter consists of two identical, 30 mm diameter, 12.5 ?m thick, optically flat, perforated metal screens separated by 450 ?m. Each of the ˜5000 unit cells contains two nested, short circuited, rectangular loop slots and a rectangular dipole slot. The nested elements provide a passband spectral response centred at 320 GHz in the TE and TM planes; the dipole slot increases the filter roll-off above resonance. The FSS was fabricated from silicon-on-insulator wafers using precision micromachining and plating processes including the use of Deep Reactive Ion Etching (DRIE) to pattern the individual slots and remove the substrate under the periodic arrays. Quasi–optical transmission measurements in the 250 – 360 GHz range yielded virtually identical copolarised spectral responses, with the performance meeting or exceeding the above specifications. Experimental results are in excellent agreement with numerical predictions.

Sub-mm wet etched linear to circular polarization fss based polarization converters

This communication investigates the potential for fabrication of micromachined silicon sub-millimeter wave periodic arrays of freestanding slot frequency selective surfaces (FSS) using wet etch KOH technology. The vehicle for this is an FSS for generating circularly polarized signals from an incident linearly polarized signal at normal incidence to the structure. Principal issues and fabrication processes involved from the initial design of the core FSS structures to be made and tested through to their final testing are addressed. Measured and simulated results for crossed and ring slot element shapes in single and double layer polarization convertor structures are presented for sub-mm wave operation. It is shown that 3 dB axial ratio (AR) bandwidths of 21% can be achieved with the one layer perforated screen design and that the rate of change is lower than the double layer structures. An insertion loss of 1.1 dB can be achieved for the split circular ring double layer periodic array. These results are shown to be compatible with the more specialized fabrication equipment dry reactive ion etching approach previously used for the construction of this type of structure. © 2011 IEEE.

Simulation de profils de gravure et de dépôt à l’échelle du motif pour l’étude des procédés de microfabrication utilisant une source plasma de haute densité à basse pression

En lien avec l’avancée rapide de la réduction de la taille des motifs en microfabrication, des processus physiques négligeables à plus grande échelle deviennent dominants lorsque cette taille s’approche de l’échelle nanométrique. L’identification et une meilleure compréhension de ces différents processus sont essentielles pour améliorer le contrôle des procédés et poursuivre la «nanométrisation» des composantes électroniques. Un simulateur cellulaire à l’échelle du motif en deux dimensions s’appuyant sur les méthodes Monte-Carlo a été développé pour étudier l’évolution du profil lors de procédés de microfabrication. Le domaine de gravure est discrétisé en cellules carrées représentant la géométrie initiale du système masque-substrat. On insère les particules neutres et ioniques à l’interface du domaine de simulation en prenant compte des fonctions de distribution en énergie et en angle respectives de chacune des espèces. Le transport des particules est effectué jusqu’à la surface en tenant compte des probabilités de réflexion des ions énergétiques sur les parois ou de la réémission des particules neutres. Le modèle d’interaction particule-surface tient compte des différents mécanismes de gravure sèche telle que la pulvérisation, la gravure chimique réactive et la gravure réactive ionique. Le transport des produits de gravure est pris en compte ainsi que le dépôt menant à la croissance d’une couche mince. La validité du simulateur est vérifiée par comparaison entre les profils simulés et les observations expérimentales issues de la gravure par pulvérisation du platine par une source de plasma d’argon.

An investigation on the preparation and properties of certian semiconducting sulphide thin films

In this thesis the preparation and properties of thin films of certain semiconducting sulphides (sulphides of tin, copper and indium) are reported. As single source evaporation does not yield satisfactory films of these compounds for a variety of reasons, reactive evaporation of the metal in a sulphur atmosphere has been used for film preparation. It was found that for each metal sulphide a stoichimetric interval of fluxes and substrate temperature exists for the formation of the compound in accordance with the analysis of Guenther. The first chapter of the thesis gives a resume of the basic principles of semiconductor physics relevant to the work reported here. In the second chapter is discussed in detail the reactive evaporation techniques like ordinary reactive evaporation, activated reactive evaporation and reactive ion plating. Third chapter deals with the experimental techniques used in this study for film preparation and characterization. In the next seven chapters is discussed the preparation and properties of the compound films studied. The last chapter gives a general theory of the formation of compound films in various deposition techniques in terms of the kinetic energy of the film forming particles. It must be mentioned here that this is of fundamental importance to thin film deposition and is virtually untouched in the literature

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

MEMS-based Tunable Optical Filter Arrays for Nano-Spectrometer in the Visible Spectral Range

Optische Spektrometer sind bekannte Instrumente für viele Anwendungen in Life Sciences, Produktion und Technik aufgrund ihrer guten Selektivität und Sensitivität zusammen mit ihren berührungslosen Messverfahren. MEMS (engl. Micro-electro-mechanical system)-basierten Spektrometer werden als disruptive Technologie betrachtet, in der miniaturisierte Fabry-Pérot Filter als sehr attraktiv für die optische Kommunikation und 'Smart Personal Environments', einschließlich des medizinischen Anwendungen, zu nennen sind. Das Ziel dieser Arbeit ist, durchstimmbare Filter-Arrays mit kostengünstigen Technologien herzustellen. Materialien und technologische Prozesse, die für die Herstellung der Filter-Arrays benötigt werden, wurden untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit, wurden durchstimmbare Fabry Pérot Filter-Arrays für den sichtbaren Spektralbereich untersucht, die als Nano-Spektrometer eingesetzt werden. Darüber hinaus wurde ein Modell der numerischen Simulation vorgestellt, die zur Ermittlung eines optimales geometrisches Designs verwendet wurde, wobei sich das Hauptaugenmerk der Untersuchung auf die Durchbiegung der Filtermembranen aufgrund der mechanischen Verspannung der Schichten richtet. Die geometrische Form und Größe der Filtermembranen zusammen mit der Verbindungsbrücken sind von entscheidender Bedeutung, da sie die Durchbiegung beeinflussen. Lange und schmale Verbindungsbrücken führen zur stärkeren Durchbiegung der Filtermembranen. Dieser Effekt wurde auch bei der Vergrößerung der Durchmesser der Membran beobachtet. Die Filter mit spiralige (engl. curl-bent) Verbindungsbrücken führten zu geringerer Deformation als die mit geraden oder gebogenen Verbindungsbrücken. Durchstimmbare Si3N4/SiO2 DBR-basierende Filter-Arrays wurden erfolgreich hergestellt. Eine Untersuchung über die UV-NIL Polymere, die als Opferschicht und Haltepfosten-Material der Filter verwendet wurden, wurde durchgeführt. Die Polymere sind kompatibel zu dem PECVD-Verfahren, das für die Spiegel-Herstellung verwendet wird. Die laterale Strukturierung der DBR-Spiegel mittels des RIE (engl. Reactive Ion Etching)-Prozesses sowie der Unterätz-Prozess im Sauerstoffplasma zur Entfernung der Opferschicht und zum Erreichen der Luftspalt-Kavität, wurden durchgeführt. Durchstimmbare Filter-Arrays zeigten einen Abstimmbereich von 70 nm bei angelegten Spannungen von weniger als 20 V. Optimierungen bei der Strukturierung von TiO2/SiO2 DBR-basierenden Filtern konnte erzielt werden. Mit der CCP (engl. Capacitively Coupling Plasma)-RIE, wurde eine Ätzrate von 20 nm/min erreicht, wobei Fotolack als Ätzmaske diente. Mit der ICP (engl. Inductively Coupling Plasma)-RIE, wurden die Ätzrate von mehr als 60 nm/min mit einem Verhältniss der Ar/SF6 Gasflüssen von 10/10 sccm und Fotolack als Ätzmasken erzielt. Eine Ätzrate von 80 bis 90 nm/min wurde erreicht, hier diente ITO als Ätzmaske. Ausgezeichnete geätzte Profile wurden durch den Ätzprozess unter Verwendung von 500 W ICP/300 W RF-Leistung und Ar/SF6 Gasflüsse von 20/10 sccm erreicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die Realisierung eines breiten Spektralbereichs der Filter-Arrays im Nano-Spektrometer.

Plasma polymerization of C[subscript 4]F[subscript 8] thin film on high aspect ratio silicon molds

High aspect ratio polymeric micro-patterns are ubiquitous in many fields ranging from sensors, actuators, optics, fluidics and medical. Second generation PDMS molds are replicated against first generation silicon molds created by deep reactive ion etching. In order to ensure successful demolding, the silicon molds are coated with a thin layer of C[subscript 4]F[subscript 8] plasma polymer to reduce the adhesion force. Peel force and demolding status are used to determine if delamination is successful. Response surface method is employed to provide insights on how changes in coil power, passivating time and gas flow conditions affect plasma polymerization of C[subscript 4]F[subscript 8].