Scientific Report 文章解读：双高斯凸透镜DBR光学微腔

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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

T-SPL技术采用的是程序控制的热探针加工，可以实现XY方向高达10nm和Z向1nm分辨率实现灰度图形的直写。其技术原理如图1：将一种热敏胶PPA（聚苯二醛）均匀涂敷在样品表面，直写过程（b）加热的扫描探针局部移除PPA，当PPA与热端接触时就会被分解，留下针形的孔洞；回程时探针不加热，并进行形貌探测。由于热敏胶的响应仅仅在热探针的尺寸范围内（针尖~10nm），周围的PPA胶则不受影响。通过对纳米压电位移台和悬臂梁的受力进行调制，使其具有较高的分辨率。

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.

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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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