In-chip devices fabricated with nonlinear laser lithography deep inside silicon

Fotonik elemanların elektronik elemanlarla aynı çip üzerinde birleştirilmesi, yeni nesil cihazlara yol açabileceği için oldukça arzu edilir. Bu yöndeki bir kısıtlama, yonga plakası yüzeyinde mevcut sınırlı alandır. Günümüzde, geleneksel üretim yöntemleri, cihaz imalatında yalnızca silisyum platformların en üst ince katmanını kullanmaktadır. Bu nedenle, yeni mimari tasarımlar gereklidir. Yüzeylere zarar vermeden silisyumun derinliklerinde işlevsel elemanlar oluşturmak, yonga plakasının tamamını erişime açacağından, elektronik-fotonik entegrasyonda alan darboğazını aşmak için umut verici bir yaklaşımdır. Lazerle yazılan cihazlar, cam ve polimer gibi çeşitli saydam malzemelerde gösterilmiştir. Odaklandığında, yüksek enerjili lazer darbeleri, doğrusal olmayan kırılmaya neden olabilir ve malzeme tarafından çevrelenmiş etkileşim bölgesinin yapısını değiştirebilir. Bu işlem, optik ara bağlantılar, optik dalga kılavuzları ve kuantum fotonik aygıtlar dahil olmak üzere çeşitli aygıtların üretimini mümkün kılar. Bununla birlikte, şimdiye kadar, benzer yaklaşımlar silisyumda başarılı olamadı. Bu tezde, silisyum içinde yüksek oranda kontrol edilebilir modifikasyonlar üretmek için doğrusal olmayan etkilerin kullanıldığı benzer bir üç-boyutlu etkinleştirme yöntemi gösterdik. Bu değişiklikleri yonga-içi elemanlar oluşturmak için yapıtaşları olarak kullandık. Yapı oluşumunu daha ayrıntılı olarak anlamak için basitleştirilmiş bir model geliştirdik ve karşı-yayılan ışınlar arasındaki doğrusal olmayan etkileşimin ışının özodaklanmasına neden olduğunu ve kristal yapısında bozulmaya yol açtığını tespit ettik. Bir sonraki atımın yayılması, daha önceden değiştirilmiş bölgenin odak noktalarını kaydırması ile, yeniden yapılandırılarak yapı daha da uzatılır. Bu uzatılmış yapılar Si içine gömülü kırınımlı optik elemanlar oluşturmak için gerekli faz kaymasını sağlayabilir. Bu kavramı, ikili ve gri tonlamalı Fourier hologramları ve üç boyutlu bir görüntü oluşturan dört katmanı yansıtan ikili Fresnel hologramı üreterek gösterdik. Ayrıca, gri tonlamalı Fresnel hologramları için bu algoritmayı daha da geliştirdik ve mümkün olan izdüşüm katmanlarını yaklaşık bin kat arttırdık. Ayrıca, şu ana kadar bildirilen en düşük kayıplarla silikon içinde optik dalga kılavuzları oluşturmak için yonga-içi değişiklikleri kullandık. Değişiklikleri kimyasal seçici bir şekilde oyarak ikinci bir uygulama grubu gösterdik. Bu yöntemle silisyumu, mikrosütunlar, Si-yolu ve mikroakışkan kanalları imal etmek için yonttuk. Dahası, yöntemi diğer yarı iletkenlere genişlettik ve GaAs'ın yüzey altını nanoyapılandırdık. Ayrıca Bessel ışınlarını ve 2 µm'luk lazer atımlarını kullanarak yeni işleme rejimlerinin olasılığını da araştırdık.