Scientific Report 文章解讀:雙高斯凸透鏡DBR光學微腔

導 | 讀 

 

近期，瑞士IBM蘇黎世研發中心的Colin博士和Swisslitho公司的Martin博士利用熱掃描探針(T-SPL)納米加工技術，配合幹法蝕刻解決方案實現了相互作用微腔（兩個相鄰的光學微腔），並對微腔距離進行了精確控制，實現了兩個微腔光場的相互作用。相關工作發表在Nature子刊 Scientific Report。

 

T-SPL納米加工技術

 

熱掃描探針(T-SPL)納米加工技術是一種灰度刻蝕技術。與傳統意義上的3D列印技術相比，3D模型以灰度圖的形式呈現和加工，技術難度要比3D列印技術要小得多；而且，灰度刻蝕與標準微電子加工工藝，如沉積和蝕刻等直接兼容，因此具有廣泛的應用前景。例如，在光學/光子學方面，它可以用來製造任意光學曲面、多模光波導，光子晶體以及高Q值的光學微腔。在量子光子學中，高Q因子意味著光損失小，單位模式中有更多的光量子。在電子光學上，可以用螺旋結構來將軌道角動量傳遞給自由電子。相比平面結構，三維結構具備更多的功能和更好的性能。

 

 

圖1 T-SPL的原理 

 

納米加工技術對比 

 

    傳統納米加工技術中，電子束蝕刻(EBL)是目前最先進的直寫技術，也能夠進行這種灰度級的光刻。然而，當結構小於1微米時，電子束在光刻膠內的弛豫散射要精確計算，需要進行三維距離校正。聚焦離子束(FIB)同樣可以用於灰度光刻。然而，由入射離子引起的表面注入，深度延伸可以超過數百納米，並且需要進行複雜的計算實現臨近校正。此外，由於事故的電離造成的損害，FIB加工過的表面對進一步處理非常敏感。此時，T-SPL技術的優勢就突顯出來了。

 

T-SPL納米加工技術的應用 

 

Colin博士利用T-SPL技術，製備了正旋波圖形（圖2a, b），螺旋相位板（圖2c, d），凹透鏡（圖2e, f），16方格棋盤（圖2g, h）。圖形結果和設計完美匹配，棋盤實驗中，臺階的高度僅為1.5nm。得益於閉環的直寫算法，將每一次直寫後探測的深度信息反饋並修正下一行的直寫， T-SPL技術實現了納米級高精度的3D直寫。

圖2 利用T-SPL技術製備各種微結構，圖形結果和設計完美匹配 

 

光子分子—雙高斯凸透鏡DBR光學微腔 

 

Colin博士進一步設計了光子分子——雙高斯凸透鏡DBR光學微腔（圖3）。在SiO₂上刻蝕兩個相鄰的凹高斯透鏡結構，並以此為模板製作了TaO₅/SiO₂布拉格反射鏡（DBR）；利用發光染料作為增益介質製備在DBR中間形成法布裡-珀羅（Fabry–Pérot）光學微腔，發光燃料層在結構部分形成高斯凸透鏡，相鄰兩個凸透鏡各自約束一路光場在DBR中形成諧振。 

 

 

圖3 光子分子的設計，製備和表徵
 

通過加工多種不同間距的凸透鏡對，Colin博士研究了不同距離下，兩個諧振光場的耦合作用，以期實現基於交互強度控制的類腔陣列量子計算技術。T-SPL高精度3D納米加工技術必將推動量子計算的研究向一個關鍵裡程碑邁進。

 

參考文獻：Control of the interaction strength of photonic molecules by nanometer precise 3D fabrication.

 

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Swisslitho公司榮獲「瑞士卓越產品獎」 

 

   2017年11月13日，Swisslitho公司因NanoFrazor 3D納米直寫設備（採用熱掃描探針納米加工技術）的研發和獨特優勢獲得「瑞士卓越產品獎」。該獎項主要獎授予「具有獨特、高技術、高質量的、卓越的產品創新能力，具有高價值，強大潛力的公司」。 

 

圖為Swisslitho公司團隊於蘇黎世市中心舉行的頒獎典禮

 

 

相關產品及連結：

1、NanoFrazor 3D納米結構高速直寫機：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C226568.htm
2、小型臺式無掩膜光刻系統：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C197112.htm

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