Name: fabrication and characterization of superconducting resonators
Uploaded: 2016-05-21T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 26 s
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Die Autoren erkennen an finanzieller Unterstützung der National Aeronautics and Space Administration (NASA) &#39;s ROSES und APRA-Programme. GC erkennt auch die Universities Space Research Association für seine Ernennung bei der NASA zu verwalten.

1. Micros Leitungsresonator Fabrication 14 (Figur 3) <ol><li> Reinigen eines Silizium-auf-Isolator (SOI) -Wafer, der einen 0,45 um dicken Siliziumvorrichtungsschicht aufweist, mit frisch gemischten H 2 SO 4: H 2 O 2 (3: 1) für 10 min. Dann spülen Sie den Wafer in entsalztem Wasser 10 Minuten lang und mit einem trockenen Stickstoffpistole. Unmittelbar vor der Wafer in H , um anschließend die Verarbeitung, tauchen 2 O: HF (10: 1) für 10 Sekunden und spülen Sie in VE - Wasser für 5 min. </li><li> Fertigen Sie ein Lift-Off - Maske, die aus einem Germanium besteht (Ge) / Positiv - Photoresist wie S-1811. 15 <ol><li> Spin-Beschichtung der Wafer mit ausgedünnten positiven Photoresist-Doppelschicht (2 Teile Verdünner-P: 1 Teil positiver Photoresist) bei 4.000 Umdrehungen pro Minute für 30 Sekunden und dann Elektronenstrahl Ablagerung Ge. </li><li> Muster Ge mit Fotolithographie, indem zuerst Hexamethyldisilazan (HMDS) auf dem Wafer für 1 min und dann ausgliedern das überschüssige bei 3000 Upm für 30 sec. </li><li> Spin auf verdünnte positive Photoresist (2 Teile Verdünner-P: 1 Teil positiver Photoresist) bei 2000 Umdrehungen pro Minute für 30 Sekunden und backen sie auf einer heißen Platte für 1 min bei 110 ° C. Verwenden Sie einen Mask Aligner Photoresist zu belichten und Spray develop mit einem Tetramethylammoniumhydroxid-basierte Lösung widerstehen. </li><li> Reactive-Ionen - ätzen die Ge mit einem SF 6 / O 2 Plasma bei 70 W. Ash zugrundeliegenden Photoresist mit O 2 Plasma zu erreichen Hinterschneidung des Photolacks. </li><li> DC-Magnetron-Sputter-Ablagerung Niob (Nb) Grundebene mit 3,7 mT von Argon (Ar) bei 500 W und heben Sie sie, indem Sie den Wafer innerhalb eines Aceton gefüllte Becher 4 Stunden ab. </li></ol></li><li> Spin-coat Bisbenzocyclobuten (BCB) bei 4000 Upm für 30 sec auf der Nb-beschichtete Oberfläche des SOI-Wafers und auf eine Oberfläche eines anderen Siliziumwafer. Verbinden die beiden BCB-beschichteten Oberflächen zusammen mit 3 bar Druck bei 200 ° C. </li><li> Manuell Flip Waferstapel den Kopf der Verarbeitung der Rückseite des SOI-Wafer zu beginnen. </li><li>Ätzen des Silizium - Substrat-Wafer durch mechanisches Läppen unter Verwendung von Al 2 O 3 Aufschlämmung durch tiefes reaktives Ionenätzen folgte dem Bosch - Verfahren unter Verwendung von 16 Etch die vergrabene SiO 2 -Schicht mit H 2 O:. HF (10: 1) für 20 min. </li><li> Kaution Molybdän - Nitrid (Mo 2 N) unter Verwendung von DC - Magnetron - reaktives Sputtern bei 700 W und 3,3 mT (Ar: N 2 -Partialdruck = 7: 1). Muster Resonatoren durch bei 2000 Upm für 30 sec Spinn- und Einbrennen bei 180 ° C für 2 min, gefolgt von Spinn gedünnt positive Photoresist (2 Teile Verdünner-P: 1 Teil positiver Photoresist) bei 2000 Upm für 30 sec. Entwickeln Photoresist in einer Tetramethylammoniumhydroxid-basierte Lösung und Asche in einem reaktiven Ionenätzer. Ätzen Mo 2 N mit einer Phosphorsäure basierenden Lösung. </li><li> Fabrizieren einen lift-off-Maske, bestehend aus einer Ge / PMMA bilayer auf dem Polymethylmethacrylat (PMMA) bei 5000 Upm für 30 sec durch Verspinnen und Backen bei 180 ° C für 2 min durch Elektronenstrahl dep gefolgtosition von Ge. Sputtern aufbringen Nb Übertragungsleitungen und abheben in Aceton (siehe 1.2 mit Ausnahme zu dem Schritt, dass der positive Photoresist wird mit PMMA ersetzt). </li><li> In einigen Ausführungsformen, Hochfrequenz (RF) durch Sputtern aufbringen SiO 2, Muster durch mit positiven Photoresist Spinn- und in einer Flusssäure - basierte Lösung ätzen. Dann heben Sie eine sputterabgeschiedenes Nb-Dünnfilm unter Verwendung eines Germanium / Positiv-Photoresist liftoff Maske wie detailliert in Schritt 1.2 aus. </li></ol> 2. Verfahren für die Installation der Mikrowellenresonator Chip in Testpaket <ol><li> Design und Maschine ein Paket Test, bestehend aus Gold (Au) beschichteten Kupfer Hohlraum (mit Boden und Deckel), die Resonatorchips Dimensionen entspricht, Zuleitung Eingabe und Ausgabestellen. HINWEIS: Die Hohlraumgröße des Gehäuses sollte eine Single-Mode-Betrieb mit minimalen parasitären Kopplung über das interessierende Band zu unterstützen, anzugeben. </li><li> Konstruktion und Herstellung eine kontrollierte Impedanz Mikrowelle Fan-out Platte 17 zu leiten die Signale zwischen dem Chip und Sub-Miniatur - Version A (SMA) Anschlüsse. </li><li> Legen Sie die SMA-Stecker in den Eingang und Ausgang des Testpakets, so dass der Mittelleiter Stift über dem entsprechenden Fan-Out-Board Kontaktfeld ausgerichtet ist. Übernehmen einer Lötmaske gegen Kurzschlüsse zu schützen und Lötzinn in dem Bereich der Mittelleiterstift. Legen Sie das Paket auf einer heißen Platte und Hitze auf 200 ° C für ca. 5 min das Lot zu schmelzen. Abkühlen lassen und dann die Lötstopplack entfernen. </li><li> Montieren Sie den Resonator-Chip in die Au-beschichtete Kupfer Paket Hohlraum, so dass die On-Chip-Zuführungsleitung Ausgangs- und Eingangs Pads sind in der Nähe und ausgerichtet auf die entsprechenden Fan-Out-Board Koplanarwellenleiter (CPW) Linien. Sichern Sie den Chip mit Kupfer-Clips, die den Kontakt an den Rändern der Ecken des Chips zu machen. </li><li> Platzieren supraleitende Al Drahtverbindungen zwischen dem Fan-Out-Board und On-Chip-Kontaktflächen. Legen Sie eine maximale Anzahl (~ 4 im Fall hier vorgestellt - siehe <strOng&gt; Abbildung 4) von ~ 500-600 &amp; mgr; m lang, ~ 250 &amp; mgr; m-in-Höhe Drahtbonden, Impedanzanpassung zwischen dem SMA - Anschluss Ein- und Ausgänge zur Verfügung zu stellen und die CPW Zuführungsleitung auf dem Chip. </li><li> Nach dem Drahtbonden, überprüfen Sie mit einem Multimeter den DC-Widerstand zwischen den mittleren Pins der Eingangs- und Ausgangsanschlüsse, und zwischen einem Mittelstift und Erde gibt es eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Mittelstifte und eine offene Verbindung zwischen dem Zentrum zu bestätigen Leitung und Masse. </li></ol> 3. Verfahren für die Installation der Mikrowellenresonator in einer kryogenen Helium-3 Mikrowelle Testbed <ol><li> Zusammenbauen testbed wie in der Konfiguration in 2 gezeigt ist , in dem eine Reihe von SMA Kabel von RT auf den 0,3-K Kältestufe geleitet werden , wo die Vorrichtung angebracht werden. </li><li> Installieren Kupfer (Cu) und supraleitenden Niob-Titan (NbTi) Kabel wie in Abbildung 2 zu liefern geringer Mikrowellenverlust und in der gezeigtenBei der NbTi-Kabel, eine niedrige thermische Leitfähigkeit. Verwenden Sie die NbTi Leitungen, die als thermische Trennung zwischen dem 2-K und 0,3-K Stufen. </li><li> Montieren eines kryogenen HEMT (HEMT) -Verstärker an der 2-K Stufe auf der Ausgangsleitung für die rauscharmen Verstärker in dem Band des Resonatorvorrichtung und einen Zirkulator installieren. </li><li> Legen Sie eine kryogene Zirkulator auf der Ausgangsleitung am Eingang dieses Verstärkers. </li><li> Montieren Sie die verpackten Resonatorbauelemente auf einer Halterung verschraubt mit dem 0,3-K Kältestufe. </li><li> Schließen Sie einen Mikrowellen-Dämpfungsglied auf der Eingangsseite des Pakets für abgestimmte Kündigung und die entsprechenden SMA-Kabel an diesem Dämpfungsglied Eingang und Paket-Ausgang anschließen. Stellen Sie sicher , dass diese kontrollierte Impedanz Abschlüsse gut aufeinander abgestimmt sind und so nah an der zu prüfenden Vorrichtung wie möglich - sie die &quot;Gerätekalibrierung Ebene&quot; definieren (siehe Abbildung 2). </li><li> Schließen Sie den Kryostaten auf. Folgen Sie Standardverfahren das Gerät abkühlens bis 0,3 K. </li></ol> 4. Verfahren für die Mikrowellenresonator Messungen <ol><li> Stellen Sie die VNA ein breites Frequenzband abtastet (10 MHz - 8 GHz, für das Gerät hier betrachteten) an den Geräte-under-Test-Design-Frequenzen. Anpassen der Leistungspegel auf der VNA auf geeignete Pegel für den Prüfling (~ -30 dBm, für das Gerät hier in Betracht gezogen). HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die Eingangs-HF-Leistungspegel niedrig genug ist, um nicht den kritischen Strom des supraleitenden Mikrowellenresonator und supraleitenden Zuleitung zu überschreiten. Sicherzustellen, dass der Leistungspegel hoch genug ist, ein ausreichendes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu liefern. </li><li> Kalibrieren Sie die flexiblen HF-Kabel folgenden Standardkurz Open-Load-Thru (SOLT-) Verfahren nach VNA Software Richtungen in der VNA-Handbuch. Einfügen in kurzgeschlossene, offene, beendet und thru Standards am Ausgang von jedem der flexiblen Kabel, die Route von dem Vektor-Netzwerkanalysator und welche später mit dem Eingang verbunden werdendes Kryostaten für Messungen. Diese Kalibrierung definiert das &quot;Instrument Referenzebene&quot; ( zum Beispiel siehe Abbildung 2). </li><li> Im Anschluss an diese SOLT- Kalibrierung, überprüfen Sie die Genauigkeit der Kalibrierung , indem bestätigt wird, dass die Übertragung, S 21, mit der durch Linie mit dem VNA gemessen verbunden ist , geringe Restfehler hat ( das heißt, die Reaktion bei ~ 0 dB - Pegel und S 11 und S 22 sind niedrig, zB ≤ -50 dB). </li><li> Verbinden die flexible Leitungen zu den Ein- und Ausgangsleitungen des Kryostaten. </li><li> Schalten Sie den kryogenen Mikrowellenverstärker durch die erforderliche DC-Bias-Spannung angelegt wird, wie in der vom Unternehmen bereitgestellte Dokumentation für den Mikrowellenverstärker angegeben. </li><li> Zuerst füllen Sie einen Breitband - Scan von VNA (10 MHz - 8 GHz, für das Gerät hier betrachteten) , um die S 21 Basisstruktur zu beobachten und für jede scharfe High - Q zu sehen &lt;/ Em&gt; Strukturen indikativ für Mikrowellenresonatoren. </li><li> Dann verengen den Frequenzbereich (bis ~ 2 bis 4 GHz, für das Gerät hier betrachteten) und stellen die Anzahl der Datenpunkte (~ 30.000 für das Gerät hier betrachteten) des VNA über den Resonator Band abzutasten. Verwenden breit genug , um ein Frequenzband eine ausreichende Basis Spanne für spätere Anpassungen an diese Grundlinie , um eine in-situ - Kalibrierung durchzuführen (siehe Diskussion in Einleitung). HINWEIS: Je nach Geräuschpegel, erhöhen Sie die Anzahl der Mittelwerte oder die ZF-Bandbreite reduzieren Signal-Rausch zu verbessern. </li><li> Speichern Sie diese VNA Daten - Scans der komplexen Übertragungsdaten für Nachmessung in-situ - Datei Kalibrierung und Analyse und Gewinnung von Qualitätsfaktoren und Resonanzfrequenzen. 11 </li></ol>

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Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen haben.

Der Single-Flip Herstellungsverfahren stellt ein Mittel zur Realisierung von supraleitenden Resonatoren auf beiden Seiten einer dünnen 0,45-um-Einkristall-Si-Substrat. Man kann motiviert werden , um eine einkristalline Si-Dielektrikum zu verwenden , weil es mehr als eine Größenordnung geringeren Verlust als abgeschieden Dielektrika (wie Si 3 N 4) mit Dielektrizitätsverlusten im 4,0-6,5-GHz - Bereich hat &lt;1 x 10 - 5 23,24 . Die Fähigkeit, Muster kennzeichnet auf beiden ...

Advances in astrophysikalischen Instrumentierungs wurden kürzlich supraleitende Mikrowellenresonatoren für die Detektion von Infrarotlicht eingeführt . 1 - 4 Ein supraleitenden Resonator für Infrarotstrahlung Energie E reagieren = hv&gt; 2Δ (wobei h die Plancksche Konstante, v ist die Strahlungsfrequenz und Δ ist die supraleitende Energielücke). Wenn der Resonator auf eine Temperatur deutlich unter dem Supraleiter kritische Temperatur abgekühlt wird, bricht diese einfallende Strahlung Cooper-Paare in dem Resonator Volumen und erzeugt Quasiteilchen-Anregungen. Die Erhöhung der Dichte der Quasiteilchen Anregungen ändert die kinetische Induktivität und damit die komplexe Oberflächenimpedanz des Supraleiters. Diese optische Antwort wird als eine Verschiebung in der Resonanzfrequenz auf niedrigere Frequenz und eine Verringerung des Gütefaktors des Resonators beobachtet. In der kanonischen Ausleseschema für eine Mikrowelle kinetic Induktivität Detektor (MKID) wird der Resonator mit einem Mikrowellenzuführungsleitung gekoppelt ist und eine überwacht die komplexe Übertragung durch diese Speiseleitung mit einer einzigen Mikrowellenfrequenz Ton auf Resonanz. Hier wird die optische Reaktion wird als Änderung beobachtet sowohl in der Amplitude und Phase des Getriebes 5 (Figur 1). Frequenz-Domain Multiplexing - Schemata sind in der Lage Arrays von Tausenden von Resonatoren Auslesens. 6-7 Um erfolgreich zu gestalten und supraleitenden Resonator-basierte Instrumente zu implementieren, müssen die Eigenschaften dieser resonanten Strukturen werden genau und effizient aus. Beispielsweise Präzisionsmessungen der Rauscheigenschaften, Qualitätsfaktoren Q, Resonanzfrequenzen (einschließlich ihrer Temperaturabhängigkeit) und optischen Antworteigenschaften von supraleitenden Resonatoren erwünscht sind im Rahmen der MKID Vorrichtung Physik, 8 Quantencomputing, 9 und die Bestimmung von nieder- temperatur Materialeigenschaften. 10 In allen diesen Fällen wird die Messung der komplexen Übertragungsstreuparameter der Schaltung gewünscht. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Bestimmung der komplexen Übertragungskoeffizienten des Resonators, S 21, dessen Amplitude und Phase kann mit einem Vektor - Netzwerkanalysator (VNA) gemessen werden. Idealerweise würde der VNA Bezugsebene (oder Prüfanschluss) direkt mit dem Gerät unter Test (DUT) verbunden werden, aber eine kryogene Einstellung erfordert normalerweise die Verwendung von zusätzlichen Strukturen Übertragungsleitung eine thermische Trennung zwischen RT (~ 300 K) zu erkennen, und die Kältestufe (~ 0,3 K in dieser Arbeit, siehe Abb ure 2). Zusätzliche Mikrowellenkomponenten wie Richtkoppler, Umwälzpumpen, Isolatoren, Verstärker, Dämpfungsglieder und dazugehörige Verbindungskabel können in geeigneter Weise benötigt werden, vorzubereiten, zu erregen, ausgelesen und vorspannen das Gerät von Interesse. DasPhasengeschwindigkeiten und Abmessungen dieser Komponenten variieren, wenn von Raum zu kryogenen Temperaturen Kühlung und damit beeinflussen sie die beobachtete Reaktion am Gerät Kalibrierungsebene. Diese dazwischenliegenden Komponenten zwischen dem Gerät und dem Gerätekalibrierung Ebene Einfluss auf die komplexe Verstärkung und müssen in geeigneter Weise für die Interpretation der gemessenen Reaktion berücksichtigt werden. 11 In der Theorie wird eine Regelung erforderlich, die die Messreferenzebene, identisch mit dem bei der Kalibrierung verwendet setzt, an der DUT. Um dieses Ziel zu erreichen, könnte man die Kalibrierungsstandards über mehrere kühl-downs messen; jedoch stellt dies Einschränkungen für die Stabilität des VNA und die Wiederholbarkeit des kryogenen Instrument, das nur schwer zu erreichen. Um diese Bedenken zu mildern, könnte man die erforderlichen Standards in der gekühlten Testumgebung platzieren und zwischen ihnen wechseln. Dies ist zum Beispiel ähnlich dem, was in Mikrowellensonde Stationen gefunden wird,, Wobei die Proben- und Eichstandards sind auf 4 K durch einen kontinuierlichen Flüssigheliumstrom oder einem geschlossenen Kreislauf Kühlsystem gekühlt. 12 dieses Verfahren bei Unter Kelvin Temperaturen gezeigt wurde, erfordert aber ein Low-Power - Hochleistungsmikrowellenschalter in der Testband von Interesse. 13 Ein in-situ Kalibrierprozedur ist daher erwünscht , die für die instrumentellen Transmissionsverhalten zwischen der VNA ​​Referenzebene und der Vorrichtung Kalibrierungsebene (Fig ure 2) ausmacht und die die Beschränkungen der oben beschriebenen Verfahren überwindet. Diese kryogenen Kalibrierungsverfahren, dargestellt und im Detail in Cataldo et al. 11, ermöglicht es , mehrere Resonatoren über einen breiten Frequenzbereich im Vergleich zu dem Resonator Linienbreite und zwischen den Resonatoren Abstand mit einer Genauigkeit von ~ 1% zu charakterisieren. Dieses Papier konzentriert sich auf die Details der Probenherstellung und Vorbereitungreitung Prozesse, experimentelle Test - Set-up und Messverfahren verwendet , um supraleitenden Mikrowellenresonatoren mit planaren Liniengeometrien zu charakterisieren. 11

<table><tbody><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Protocol Section 1&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Microposit S-1811 Photoresist</td><td>Shipley</td><td></td><td></td></tr><tr><td>BCB</td><td>Dow</td><td></td><td>3022-35</td></tr><tr><td>SOI wafers</td><td>SOITec</td><td></td><td>Fabricated with SmartCut&lt;sup&gt;TM&lt;/sup&gt; process</td></tr><tr><td>Mo</td><td>Kamis</td><td></td><td>99.99%</td></tr><tr><td>Nb</td><td>Kamis</td><td></td><td>99.95% (excludes Ta)</td></tr><tr><td>E-6 metal etch w/AES</td><td>Fujifilm</td><td></td><td>CPG Grade</td></tr><tr><td>Acetone</td><td>JT Baker</td><td>9005-05</td><td>CMOS Grade</td></tr><tr><td>HF dip (1:10)</td><td>JT Baker</td><td>5397-03</td><td></td></tr><tr><td>PMMA</td><td>Microchem</td><td></td><td>950 PMMA A2</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Protocol Section 2&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>GE 7031</td><td>General Electric</td><td></td><td>Low-temperature adhesive</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Protocol Sections 3-4&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Cryogenic Microwave Amplifier</td><td>MITEQ</td><td>AF S3-02000400-08-CR-4</td><td>2-4 GHz, gain ~30&amp;nbsp;dB</td></tr><tr><td>NbTi Semi-rigid SMA cables</td><td>Coax. Co.</td><td>SC-086/50-NbTi-NbTi</td><td></td></tr><tr><td>Circulator</td><td>PamTech</td><td>CTD1229K</td><td>return loss &gt; -20 dB from 2-4 GHz</td></tr><tr><td>RF attenuator</td><td>Weinschel</td><td>Model-4M</td><td>7 dB attenuation</td></tr><tr><td>Flexible SMA cables</td><td>Teledyne-Storm</td><td>R94-240</td><td>ACCU-TEST</td></tr><tr><td>Vector Network Analyzer</td><td>Agilent</td><td>N5242A PNA-X</td><td></td></tr><tr><td>Liquid He-4 cryogen</td><td>Praxair</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Liquid N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; cryogen</td><td>Praxair</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

fabrication and characterization of superconducting resonators

Superconducting Mikrowellenresonatoren sind von Interesse für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich für ihre Verwendung als Mikrowellen-kinetische Induktivität Detektoren (MKIDs) zum Nachweis von schwachen astrophysikalische Signaturen sowie für Quantencomputing-Anwendungen und Materialcharakterisierung. In dieser Arbeit werden Verfahren zur Herstellung und Charakterisierung von Dünnschichtsupraleitenden Mikrowellenresonatoren dargestellt. Die Herstellungsmethode ermöglicht die Realisierung von supraleitenden Übertragungsleitungsresonatoren mit Funktionen auf beiden Seiten eines atomar glatten einkristallinem Silizium Dielektrikums. Diese Arbeit beschreibt das Verfahren für die Installation von Resonatorbauelemente in einer kryogenen Mikrowelle Testbed und Abkühlphase unterhalb der Supraleitungsübergangstemperatur. Der Aufbau des kryogenen Mikrowelle Testbed ermöglicht eine sorgfältige Messungen des komplexen Mikrowellenübertragung dieser Resonatorbauelemente zu tun, um die Extraktion der pr ermöglichenoperties der supraleitenden Leitungen und dielektrischen Substrat (zB interne Qualitätsfaktoren, Verlust und kinetische Induktivität Fraktionen), die für Gerätedesign und Leistung wichtig sind.

Die Reaktion einer Halbwelle Mo 2 N Resonator (5) auf einem dielektrischen 0,45-um - Einkristall-Silizium hergestellt wurde mit dieser Methode bestätigt. In diesem Fall Kopplung mit einer Nb koplanaren Wellenleiter (CPW) Speiseleitung zum Auslesen über eine kapazitive Kopplung durch ein Sputtern abgelagerten SiO 2 dielektrische erreicht wird, in der &quot;H&quot; -förmigen Bereich an einem der offenen Enden des Resonators (siehe Protokoll Abschni...

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Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

Superconducting Mikrowellenresonatoren sind von Interesse für die Erfassung von Licht, Quanten-Computing-Anwendungen und Materialcharakterisierung. Diese Arbeit stellt ein detailliertes Verfahren zur Herstellung und Charakterisierung von supraleitenden Mikrowellenresonator Streuparameter.

Herstellung und Charakterisierung von Superconducting Resonators

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors ...

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10.4K Aufrufe.  NASA Goddard Space Flight Center.  Superconducting Mikrowellenresonatoren sind von Interesse für die Erfassung von Licht, Quanten-Computing-Anwendungen und Materialcharakterisierung. Diese Arbeit stellt ein detailliertes Verfahren zur Herstellung und Charakterisierung von supraleitenden Mikrowellenresonator Streuparameter. 

Serie: Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the quality factor (Q) of the cavity, can be in excess of 500ns for cavities with Q factors above 100 million. As a result of their low material losses, silica microcavities have demonstrated some of the longest photon lifetimes to date1-2. Since a portion of the circulating light extends outside the resonator, these devices can also be used to probe the surroundings. This interaction has enabled numerous experiments in biology, such as single molecule biodetection and antibody-antigen kinetics, as well as discoveries in other fields, such as development of ultra-low-threshold microlasers, characterization of thin films, and cavity quantum electrodynamics studies.3-7
The two primary silica resonant cavity geometries are the microsphere and the microtoroid. Both devices rely on a carbon dioxide laser reflow step to achieve their ultra-high-Q factors (Q&gt;100 million).1-2,8-9 However, there are several notable differences between the two structures. Silica microspheres are free-standing, supported by a single optical fiber, whereas silica microtoroids can be fabricated on a silicon wafer in large arrays using a combination of lithography and etching steps. These differences influence which device is optimal for a given experiment.
Here, we present detailed fabrication protocols for both types of resonant cavities. While the fabrication of microsphere resonant cavities is fairly straightforward, the fabrication of microtoroid resonant cavities requires additional specialized equipment and facilities (cleanroom). Therefore, this additional requirement may also influence which device is selected for a given experiment.
Introduction
An optical resonator efficiently confines light at specific wavelengths, known as the resonant wavelengths of the device. 1-2 The common figure of merit for these optical resonators is the quality factor or Q. This term describes the photon lifetime (&tau;o) within the resonator, which is directly related to the resonator's optical losses. Therefore, an optical resonator with a high Q factor has low optical losses, long photon lifetimes, and very low photon decay rates (1/&tau;o). As a result of the long photon lifetimes, it is possible to build-up extremely large circulating optical field intensities in these devices. This very unique property has allowed these devices to be used as laser sources and integrated biosensors.10
A unique sub-class of resonators is the whispering gallery mode optical microcavity. In these devices, the light is confined in circular orbits at the periphery. Therefore, the field is not completely confined within the device, but evanesces into the environment. Whispering gallery mode optical cavities have demonstrated some of the highest quality factors of any optical resonant cavity to date.9,11 Therefore, these devices are used throughout science and engineering, including in fundamental physics studies and in telecommunications as well as in biodetection experiments. 3-7,12
Optical microcavities can be fabricated from a wide range of materials and in a wide variety of geometries. A few examples include silica and silicon microtoroids, silicon, silicon nitride, and silica microdisks, micropillars, and silica and polymer microrings.13-17 The range in quality factor (Q) varies as dramatically as the geometry. Although both geometry and high Q are important considerations in any field, in many applications, there is far greater leverage in boosting device performance through Q enhancement. Among the numerous options detailed previously, the silica microsphere and the silica microtoroid resonator have achieved some of the highest Q factors to date.1,9 Additionally, as a result of the extremely low optical loss of silica from the visible through the near-IR, both microspheres and microtoroids are able to maintain their Q factors over a wide range of testing wavelengths.18 Finally, because silica is inherently biocompatible, it is routinely used in biodetection experiments.
In addition to high material absorption, there are several other potential loss mechanisms, including surface roughness, radiation loss, and contamination loss.2 Through an optimization of the device size, it is possible to eliminate radiation losses, which arise from poor optical field confinement within the device. Similarly, by storing a device in an appropriately clean environment, contamination of the surface can be minimized. Therefore, in addition to material loss, surface scattering is the primary loss mechanism of concern.2,8
In silica devices, surface scattering is minimized by using a laser reflow technique, which melts the silica through surface tension induced reflow. While spherical optical resonators have been studied for many years, it is only with recent advances in fabrication technologies that researchers been able to fabricate high quality silica optical toroidal microresonators (Q&gt;100 million) on a silicon substrate, thus paving the way for integration with microfluidics.1
The present series of protocols details how to fabricate both silica microsphere and microtoroid resonant cavities. While silica microsphere resonant cavities are well-established, microtoroid resonant cavities were only recently invented.1 As many of the fundamental methods used to fabricate the microsphere are also used in the more complex microtoroid fabrication procedure, by including both in a single protocol it will enable researchers to more easily trouble-shoot their experiments.

We describe the use of a carbon dioxide laser reflow technique to fabricate silica resonant cavities, including free-standing microspheres and on-chip microtoroids. The reflow method removes surface imperfections, allowing long photon lifetimes within both devices. The resulting devices have ultra high quality factors, enabling applications ranging from telecommunications to biodetection.

Herstellung von Silica Ultra High Quality Factor Mikroresonatoren

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the ...

Forschung

Ingenieurwesen

Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view and for its considerable potential for practical applications. Slow light photonic crystal waveguides, in particular, have played a major part and have been successfully employed for delaying optical signals1-4 and the enhancement of both linear5-7 and nonlinear devices.8-11
Photonic crystal cavities achieve similar effects to that of slow light waveguides, but over a reduced band-width. These cavities offer high Q-factor/volume ratio, for the realization of optically12 and electrically13 pumped ultra-low threshold lasers and the enhancement of nonlinear effects.14-16 Furthermore, passive filters17 and modulators18-19 have been demonstrated, exhibiting ultra-narrow line-width, high free-spectral range and record values of low energy consumption.
To attain these exciting results, a robust repeatable fabrication protocol must be developed. In this paper we take an in-depth look at our fabrication protocol which employs electron-beam lithography for the definition of photonic crystal patterns and uses wet and dry etching techniques. Our optimised fabrication recipe results in photonic crystals that do not suffer from vertical asymmetry and exhibit very good edge-wall roughness. We discuss the results of varying the etching parameters and the detrimental effects that they can have on a device, leading to a diagnostic route that can be taken to identify and eliminate similar issues.
The key to evaluating slow light waveguides is the passive characterization of transmission and group index spectra. Various methods have been reported, most notably resolving the Fabry-Perot fringes of the transmission spectrum20-21 and interferometric techniques.22-25 Here, we describe a direct, broadband measurement technique combining spectral interferometry with Fourier transform analysis.26 Our method stands out for its simplicity and power, as we can characterise a bare photonic crystal with access waveguides, without need for on-chip interference components, and the setup only consists of a Mach-Zehnder interferometer, with no need for moving parts and delay scans.
When characterising photonic crystal cavities, techniques involving internal sources21 or external waveguides directly coupled to the cavity27 impact on the performance of the cavity itself, thereby distorting the measurement. Here, we describe a novel and non-intrusive technique that makes use of a cross-polarised probe beam and is known as resonant scattering (RS), where the probe is coupled out-of plane into the cavity through an objective. The technique was first demonstrated by McCutcheon et al.28 and further developed by Galli et al.29

Use of photonic crystal slow light waveguides and cavities has been widely adopted by the photonics community in many differing applications. Therefore fabrication and characterization of these devices are of great interest. This paper outlines our fabrication technique and two optical characterization methods, namely: interferometric (waveguides) and resonant scattering (cavities).

Herstellung und Charakterisierung von Photonic Crystal Langsam Lichtwellenleitern und Hohlräume

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view ...

Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators

Microwave photonics systems rely fundamentally on the interaction between microwave and optical signals. These systems are extremely promising for various areas of technology and applied science, such as aerospace and communication engineering, sensing, metrology, nonlinear photonics, and quantum optics. In this article, we present the principal techniques used in our lab to build microwave photonics systems based on ultra-high Q whispering gallery mode resonators. First detailed in this article is the protocol for resonator polishing, which is based on a grind-and-polish technique close to the ones used to polish optical components such as lenses or telescope mirrors. Then, a white light interferometric profilometer measures surface roughness, which is a key parameter to characterize the quality of the polishing. In order to launch light in the resonator, a tapered silica fiber with diameter in the micrometer range is used. To reach such small diameters, we adopt the "flame-brushing" technique, using simultaneously computer-controlled motors to pull the fiber apart, and a blowtorch to heat the fiber area to be tapered. The resonator and the tapered fiber are later approached to one another to visualize the resonance signal of the whispering gallery modes using a wavelength-scanning laser. By increasing the optical power in the resonator, nonlinear phenomena are triggered until the formation of a Kerr optical frequency comb is observed with a spectrum made of equidistant spectral lines. These Kerr comb spectra have exceptional characteristics that are suitable for several applications in science and technology. We consider the application related to ultra-stable microwave frequency synthesis and demonstrate the generation of a Kerr comb with GHz intermodal frequency.

The customized techniques developed in our lab to build microwave photonics systems based on ultra-high Q whispering gallery mode resonators are presented. The protocols to obtain and characterize these resonators are detailed, and an explanation of some of their applications in microwave photonics is given.

Mikrowelle Photonics Systems on Whispering-Gallery-Mode-Resonatoren Grundlage

Microwave photonics systems rely fundamentally on the interaction between microwave and optical signals. These systems are extremely promising for various ...

Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including microresonators. However, because of the increased acoustic radiative losses during direct liquid immersion of optomechanical devices, almost all published optomechanical experiments have been performed in solid phase. This paper discusses a recently introduced hollow microfluidic optomechanical resonator. Detailed methodology is provided to fabricate these ultra-high-Q microfluidic resonators, perform optomechanical testing, and measure radiation pressure-driven breathing mode and SBS-driven whispering gallery mode parametric vibrations. By confining liquids inside the capillary resonator, high mechanical- and optical- quality factors are simultaneously maintained.

Parametric optomechanical excitations have recently been experimentally demonstrated in microfluidic optomechanical resonators by means of optical radiation pressure and stimulated Brillouin scattering. This paper describes the fabrication of these microfluidic resonators along with methodologies for generating and verifying optomechanical oscillations.

Herstellung und Prüfung von Mikrofluidik-Optomechanische Oszillatoren

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including ...

Stimulated Stokes and Antistokes Raman Scattering in Microspherical Whispering Gallery Mode Resonators

Dielectric microspheres can confine light and sound for a length of time through high quality factor whispering gallery modes (WGM). Glass microspheres can be thought as a store of energy with a huge variety of applications: compact laser sources, highly sensitive biochemical sensors and nonlinear phenomena. A protocol for the fabrication of both the microspheres and coupling system is given. The couplers described here are tapered fibers. Efficient generation of nonlinear phenomena related to third order optical non-linear susceptibility &#935;(3) interactions in triply resonant silica microspheres is presented in this paper. The interactions here reported are: Stimulated Raman Scattering (SRS), and four wave mixing processes comprising Stimulated Anti-stokes Raman Scattering (SARS). A proof of the cavity-enhanced phenomenon is given by the lack of correlation among the pump, signal and idler: a resonant mode has to exist in order to obtain the pair of signal and idler. In the case of hyperparametric oscillations (four wave mixing and stimulated anti-stokes Raman scattering), the modes must fulfill the energy and momentum conservation and, last but not least, have a good spatial overlap.

Efficient generation of nonlinear phenomena related to third order optical non-linear susceptibility &#935;(3) interactions in triply resonant silica microspheres is presented in this paper. The interactions here reported are: Stimulated Raman Scattering (SRS), and four wave mixing processes comprising Stimulated Anti-stokes Raman Scattering (SARS).

Stimulated Stokes und Antistokes Raman Scattering in Mikrosphärische Whispering Gallery-Modus Resona

Dielectric microspheres can confine light and sound for a length of time through high quality factor whispering gallery modes (WGM). Glass microspheres ...

Fabrication of Nanopillar-Based Split Ring Resonators for Displacement Current Mediated Resonances in Terahertz Metamaterials

Terahertz (THz) split ring resonator (SRR) metamaterials (MMs) has been studied for gas, chemical, and biomolecular sensing applications because the SRR is not affected by environmental characteristics such as the temperature and pressure surrounding the resonator. Electromagnetic radiation in THz frequencies is biocompatible, which is a critical condition especially for the application of the biomolecular sensing. However, the quality factor (Q-factor) and frequency responses of traditional thin-film based split ring resonator (SRR) MMs are very low, which limits their sensitivities and selectivity as sensors. In this work, novel nanopillar-based SRR MMs, utilizing displacement current, are designed to enhance the Q-factor up to 450, which is around 45 times higher than that of traditional thin-film-based MMs. In addition to the enhanced Q-factor, the nanopillar-based MMs induce a larger frequency shifts (17 times compared to the shift obtained by the traditional thin-film based MMs). Because of the significantly enhanced Q-factors and frequency shifts as well as the property of biocompatible radiation, the THz nanopillar-based SRR are ideal MMs for the development of biomolecular sensors with high sensitivity and selectivity without inducing damage or distortion to biomaterials. A novel fabrication process has been demonstrated to build the nanopillar-based SRRs for displacement current mediated THz MMs. A two-step gold (Au) electroplating process and an atomic layer deposition (ALD) process are used to create sub-10 nm scale gaps between Au nanopillars. Since the ALD process is a conformal coating process, a uniform aluminum oxide (Al2O3) layer with nanometer-scale thickness can be achieved. By sequentially electroplating another Au thin film to fill the spaces between Al2O3 and Au, a close-packed Au-Al2O3-Au structure with nano-scale Al2O3 gaps can be fabricated. The size of the nano-gaps can be well defined by precisely controlling the deposition cycles of the ALD process, which has an accuracy of 0.1 nm.

A protocol for the design and fabrication of a novel nanopillar-based split ring resonator (SRR) is presented.

Die Herstellung von Nanopillar-Based Split-Ring-Resonatoren für Verschiebungsstrom Mediated Resonances in Terahertz Metamaterialien

Terahertz (THz) split ring resonator (SRR) metamaterials (MMs) has been studied for gas, chemical, and biomolecular sensing applications because the SRR ...

Fabrication of Polymer Microspheres for Optical Resonator and Laser Applications

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, interface precipitation, and mini-emulsion. In all methods, well-defined, micrometer-sized spheres are obtained from a self-assembling process in solution. The vapor diffusion method can result in spheres with the highest sphericity and surface smoothness, yet the types of the polymers able to form these spheres are limited. On the other hand, in the mini-emulsion method, microspheres can be made from various types of polymers, even from highly crystalline polymers with coplanar, &#960;-conjugated backbones. The photoluminescent (PL) properties from single isolated microspheres are unusual: the PL is confined inside the spheres, propagates at the circumference of the spheres via the total internal reflection at the polymer/air interface, and self-interferes to show sharp and periodic resonant PL lines. These resonating modes are so-called "whispering gallery modes" (WGMs). This work demonstrates how to measure WGM PL from single isolated spheres using the micro-photoluminescence (&#181;-PL) technique. In this technique, a focused laser beam irradiates a single microsphere, and the luminescence is detected by a spectrometer. A micromanipulation technique is then used to connect the microspheres one by one and to demonstrate the intersphere PL propagation and color conversion from coupled microspheres upon excitation at the perimeter of one sphere and detection of PL from the other microsphere. These techniques, &#181;-PL and micromanipulation, are useful for experiments on micro-optic application using polymer materials.

Protocols for the synthesis of microspheres from polymers, the manipulation of microspheres, and micro-photoluminescence measurements are presented.

Herstellung von Polymer-Mikrosphären für optische Resonator- und Laseranwendungen

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, ...

Design and Characterization Methodology for Efficient Wide Range Tunable MEMS Filters

Here, we demonstrate the advantages of the laser Doppler vibrometer (LDV) over conventional techniques (the network analyzer), as well as the techniques to create an application-based microelectromechanical systems (MEMS) filter and how to use it efficiently (i.e., tuning the tuning-capability and avoiding both failure and stiction). LDV enables crucial measurements that are impossible with the network analyzer, such as higher mode detection (highly sensitive biosensor application) and resonance measurement for very small devices (fast prototyping). Accordingly, LDV was used to characterize the frequency tuning range and resonance frequency at different modes of the MEMS filters built for this study. This wide range frequency tuning mechanism is based simply on Joule heating from the embedded heaters and relatively high thermal stress with respect to the temperature of a fixed-fixed beam. However, we demonstrate that another limitation of this method is the resulting high thermal stress, which can burn the devices. Further improvement was achieved and shown for the first time in this study, such that the tuning capability was increased by 32% through an increase in the applied DC bias voltage (25 V to 35 V) between the two adjacent beams. This important finding eliminates the need for the extra Joule heating at the wider frequency tuning range. Another possible failure is through stiction and requirement of structure optimization: We propose a simple and easy technique of low frequency square wave signal application that can successfully separate the beams and eliminates the need for the more sophisticated and complicated methods given in the literature. The above findings necessitate a design methodology, and so we also provide an application-based design.

A protocol for a fixed-fixed beam design using a laser Doppler vibrometer (LDV), including the measurement of frequency tuning, modification of tuning capability, and avoidance of device failure and stiction, is presented. The superiority of the LDV method over the network analyzer is demonstrated due to its higher mode capability.

Design und Charakterisierung Methodik für effiziente Weitbereichs-abstimmbaren MEMS-Filter

Here, we demonstrate the advantages of the laser Doppler vibrometer (LDV) over conventional techniques (the network analyzer), as well as the techniques ...

Rapid Repetition Rate Fluctuation Measurement of Soliton Crystals in a Microresonator

Temporal solitons have attracted great interest in the past decades for their behavior in a steady state, where the dispersion is balanced by the nonlinearity in a propagation Kerr medium. The development of dissipative Kerr solitons (DKSs) in high-Q microcavities drives a novel, compact, chip-scale soliton source. When DKSs serve as femtosecond pulses, the repetition rate fluctuation can be applied to ultrahigh precision metrology, high-speed optical sampling, and optical clocks, etc. In this paper, the rapid repetition rate fluctuation of soliton crystals (SCs), a special state of DKSs where particle-like solitons are tightly packed and fully occupy a resonator, is measured based on the well-known delayed self-heterodyne method. The SCs are generated using a thermal-controlled method. The pump is a frequency fixed laser with a linewidth of 100 Hz. The integral time in frequency fluctuation measurements is controlled by the length of the delay fiber. For a SC with a single vacancy, the repetition rate fluctuations are ~53.24 Hz within 10 &#181;s and ~509.32 Hz within 125 &#181;s, respectively.

Here, we present a protocol to generate soliton crystals in a butterfly-packaged micro-ring resonator using a thermal tuned method. Further, the repetition rate fluctuations of a soliton crystal with a single vacancy are measured using a delayed self-heterodyne method.

Schnelle Variation der Wiederholrate Messung von Solitonkristallen in einem Mikroresonator

Temporal solitons have attracted great interest in the past decades for their behavior in a steady state, where the dispersion is balanced by the ...

Fabrication of Surface Acoustic Wave Devices on Lithium Niobate

Manipulation of fluids and particles by acoustic actuation at small scale is aiding the rapid growth of lab-on-a-chip applications. Megahertz-order surface acoustic wave (SAW) devices generate enormous accelerations on their surface, up to 108 m/s2, in turn responsible for many of the observed effects that have come to define acoustofluidics: acoustic streaming and acoustic radiation forces. These effects have been used for particle, cell, and fluid handling at the microscale&#8212;and even at the nanoscale. In this paper we explicitly demonstrate two major fabrication methods of SAW devices on lithium niobate: the details of lift-off and wet etching techniques are described step-by-step. Representative results for the electrode pattern deposited on the substrate as well as the performance of SAW generated on the surface are displayed in detail. Fabrication tricks and troubleshooting are covered as well. This procedure offers a practical protocol for high frequency SAW device fabrication and integration for future microfluidics applications.

Two fabrication techniques, lift-off and wet etching, are described in producing interdigital electrode transducers upon a piezoelectric substrate, lithium niobate, widely used to generate surface acoustic waves now finding broad utility in micro to nanoscale fluidics. The as-produced electrodes are shown to efficiently induce megahertz order Rayleigh surface acoustic waves.&#160;

Herstellung von Oberflächen-Akustikwellengeräten auf Lithium-Niobat

Manipulation of fluids and particles by acoustic actuation at small scale is aiding the rapid growth of lab-on-a-chip applications. Megahertz-order ...