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Scientific Report 文章解读:双高斯凸透镜DBR光学微腔
 
导 | 读 
 
  近期,瑞士IBM苏黎世研发中心的Colin博士和Swisslitho公司的Martin博士利用热扫描探针(T-SPL)纳米加工技术,配合干法蚀刻解决方案实现了相互作用微腔(两个相邻的光学微腔),并对微腔距离进行了精确控制,实现了两个微腔光场的相互作用。相关工作发表在Nature子刊 Scientific Report。
 
T-SPL纳米加工技术
 
  热扫描探针(T-SPL)纳米加工技术是一种灰度刻蚀技术。与传统意义上的3D打印技术相比,3D模型以灰度图的形式呈现和加工,技术难度要比3D打印技术要小得多;而且,灰度刻蚀与标准微电子加工工艺,如沉积和蚀刻等直接兼容,因此具有广泛的应用前景。例如,在光学/光子学方面,它可以用来制造任意光学曲面、多模光波导,光子晶体以及高Q值的光学微腔。在量子光子学中,高Q因子意味着光损失小,单位模式中有更多的光量子。在电子光学上,可以用螺旋结构来将轨道角动量传递给自由电子。相比平面结构,三维结构具备更多的功能和更好的性能。
 
 
图1 T-SPL的原理 
 
纳米加工技术对比 
 
    传统纳米加工技术中,电子束蚀刻(EBL)是目前最先进的直写技术,也能够进行这种灰度级的光刻。然而,当结构小于1微米时,电子束在光刻胶内的弛豫散射要精确计算,需要进行三维距离校正。聚焦离子束(FIB)同样可以用于灰度光刻。然而,由入射离子引起的表面注入,深度延伸可以超过数百纳米,并且需要进行复杂的计算实现临近校正。此外,由于事故的电离造成的损害,FIB加工过的表面对进一步处理非常敏感。此时,T-SPL技术的优势就突显出来了。
 
T-SPL纳米加工技术的应用 
 
   Colin博士利用T-SPL技术,制备了正旋波图形(图2a, b),螺旋相位板(图2c, d),凹透镜(图2e, f),16方格棋盘(图2g, h)。图形结果和设计完美匹配,棋盘实验中,台阶的高度仅为1.5nm。得益于闭环的直写算法,将每一次直写后探测的深度信息反馈并修正下一行的直写, T-SPL技术实现了纳米级高精度的3D直写。
 
图2 利用T-SPL技术制备各种微结构,图形结果和设计完美匹配 
 
光子分子—双高斯凸透镜DBR光学微腔 
 
  Colin博士进一步设计了光子分子——双高斯凸透镜DBR光学微腔(图3)。在SiO2上刻蚀两个相邻的凹高斯透镜结构,并以此为模板制作了TaO5/SiO2布拉格反射镜(DBR);利用发光染料作为增益介质制备在DBR中间形成法布里-珀罗(Fabry–Pérot)光学微腔,发光燃料层在结构部分形成高斯凸透镜,相邻两个凸透镜各自约束一路光场在DBR中形成谐振。 
 
 
图3 光子分子的设计,制备和表征
 
  通过加工多种不同间距的凸透镜对,Colin博士研究了不同距离下,两个谐振光场的耦合作用,以期实现基于交互强度控制的类腔阵列量子计算技术。T-SPL高精度3D纳米加工技术必将推动量子计算的研究向一个关键里程碑迈进。
 
参考文献:Control of the interaction strength of photonic molecules by nanometer precise 3D fabrication.
 

  
Swisslitho公司荣获“瑞士卓越产品奖” 
 
   2017年11月13日,Swisslitho公司因NanoFrazor 3D纳米直写设备(采用热扫描探针纳米加工技术)的研发和独特优势获得“瑞士卓越产品奖”。该奖项主要奖授予“具有独特、高技术、高质量的、卓越的产品创新能力,具有高价值,强大潜力的公司”。
 
 
图为Swisslitho公司团队于苏黎世市中心举行的颁奖典礼
 
 
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