Projekt

Zurück zur Übersicht

Study of the coupling efficiency of single nano-objects to highly confined optical fields in novel microcavity designs

Titel Englisch Study of the coupling efficiency of single nano-objects to highly confined optical fields in novel microcavity designs
Gesuchsteller/in Knoll Armin
Nummer 144464
Förderungsinstrument Projektförderung (Abt. I-III)
Forschungseinrichtung IBM Research GmbH
Hochschule Firmen/Privatwirtschaft - FP
Hauptdisziplin Andere Gebiete der Physik
Beginn/Ende 01.03.2013 - 30.06.2016
Bewilligter Betrag 180'348.00
Alle Daten anzeigen

Alle Disziplinen (4)

Disziplin
Andere Gebiete der Physik
Physikalische Chemie
Materialwissenschaften
Physik der kondensierten Materie

Keywords (5)

Light-Matter Coupling; Scanning Probe Lithography; 3D depth profiling; Microcavities; Light confinement

Lay Summary (Deutsch)

Lead
Eine starke Kopplung zwischen Licht und Materie führt zu neuen physikalischen Phänomenen, die für verschiedene Applikationen interessant sind, wie z.B. Lasern mit niedriger Pump-Schwelle oder Einzelphotonenquellen. Um solch eine starke Kopplung zu erzielen muss man das Licht in einer Kavität zwischen zwei hochreflektierenden Spiegeln einschliessen. Zusätzlich muss das Volumen des Lichtes in der Kavität möglichst klein sein. Besonders die Möglichkeiten das Volumen zu begrenzen sind beschränkt.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Projektes

Eine Möglichkeit das Volumen des Lichtes zubegrenzen ist es Oberflächen mit gekrümmter Oberfläche in die Kavität zuintegrieren, die zu einer Fokussierung des Lichtes führen ohne dabei das Lichtzu streuen. Die größte Herausforderung dabei ist die Herstellung dieser gekrümmtenOberflächen. Schon kleinste Variationen in der Oberflächenrauhigkeit können zueiner Degradation der erwünschten Effekte führen.

Eine neue Fabrikationsmethode istdie so genannte Thermische Rasterkraft Lithographie. Sie ermöglicht dieHerstellung eines drei-dimensionalen Oberflächenreliefs und damit einergekrümmten Oberfläche. Die Methode hat gezeigt, dass die Auflösung in derdritten Dimension extrem hoch ist und eine sehr gute Oberflächenrauhigkeiterzeugt werden kann. Das Ziel des Projektes ist es diese neue Methode zur Fabrikationvon hochqualitativen fokussierenden Strukturen in optischen Kavitäten zuoptimieren.

Um das Ziel zu erreichen, mussdie Treue der Reproduktion von drei dimensionalen Strukturen optimiert werden. Dafürmuss zunächst der Schreibprozess an sich besser verstanden werden und es müssenStrategien implementiert werden, die ein Abweichung von den Soll-Parameterndetektieren und ausgleichen können. In einem zweiten Schritt muss ein Prozessentwickelt werden, mit dem die gekrümmte Oberfläche in die Kavität integriertwerden kann, um zu eine vollständige Funktionalität zu erreichen.

Impact

Die Arbeit wird es ermöglichenneue Wege zu ergründen um das Lichtvolumen in optischen Kavitäten zu begrenzen.Die neuartige Herstellungsmethode erlaubt es fast beliebige Strukturen zu erzeugen,die dann getestet und optimiert werden können. Falls die Integration gelingtkann das zu völlig neuen Konzepten und Leistungsmerkmalen von solchen optischenKavitäten führen.

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 18.02.2013

Lay Summary (Englisch)

Lead
A strong interaction of light with matter leads to new physical effects, which can be exploited in various applications like lasers and single-photon light-sources. In order to achieve a strong interaction, the light volume has to be kept small and the light needs to be confined between two high performance mirrors, called a cavity. Cavities are available; however, the strategies for reducing the light volume are limited.
Lay summary

Content and goal of the research project

One option to reduce the light volume is to fabricate curved surfaces within the cavity, which lead to light focusing without scattering. A major challenge is the fabrication of these curved surfaces. Even tiny variation in surface roughness may inhibit the desired effects. 

A new fabrication technique called thermal scanning probe lithographyenables the fabrication of curved relief structures. The method hasdemonstrated excellent depth resolution combined with exceptional surfaceroughness. This goal of the current project is to adapt this new technology tothe fabrication of high performance light confining structures in opticalcavities.

In order to achieve the goal, we have to optimize the depth profiling capability to obtain an optimal reproduction of the programmed shape in the sample. For this we have to reach a better understanding of the patterning process and implement feedback strategies for better control. A second step is to design a process flow which can reliably embed the curved surface structure into a finished device. 

Impact

The work will explore new designs for confining light to small volumes in optical cavities. The patterning method allows for the implementation of almost arbitrary curved surfaces, which will be exploited to optimize the designs. If successful this may lead to new concepts and fabrication strategies for such micro-optical devices.

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 18.02.2013

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Publikationen

Publikation
Vertical microcavities with high Q and strong lateral mode confinement
(2013), Vertical microcavities with high Q and strong lateral mode confinement, in Phys. Rev. B, 87, 161116.
Advanced scanning probe lithography
, Advanced scanning probe lithography, in Nature Nanotechnology, 9, 577-587.
Closed-loop high-speed 3D thermal probe nanolithography
, Closed-loop high-speed 3D thermal probe nanolithography, in Proceedings SPIE, Alternative Lithographic Technologies VI.

Zusammenarbeit

Gruppe / Person Land
Formen der Zusammenarbeit
Advanced Organic Materials Group/ IBM Almaden Research Center Vereinigte Staaten von Amerika (Nordamerika)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
- Forschungsinfrastrukturen
- Industrie/Wirtschaft/weitere anwendungs-orientierte Zusammenarbeit
Nanopatterning Group/ IBM Zurich Research Laboratory Schweiz (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
- Forschungsinfrastrukturen
- Industrie/Wirtschaft/weitere anwendungs-orientierte Zusammenarbeit

Wissenschaftliche Veranstaltungen

Aktiver Beitrag

Titel Art des Beitrags Titel des Artikels oder Beitrages Datum Ort Beteiligte Personen
MNE 2015 Vortrag im Rahmen einer Tagung Advanced Scanning Probe Lithography 21.09.2015 The Hague, Niederlande Knoll Armin;
CMOS-ETR 2015 Vortrag im Rahmen einer Tagung Nanometer Precise Patterning Using Thermal Scanning Probe Lithography 21.05.2015 Vancouver, Kanada Knoll Armin; Zientek Michal; Dürig Urs;
Workshop Single Nanometer Manufacturing 2014 Vortrag im Rahmen einer Tagung Closed-loop 3D thermal Scanning Probe Lithography 02.07.2014 Barcelona, Spanien Knoll Armin; Dürig Urs; Zientek Michal;
EIPBN Conference 2014 Vortrag im Rahmen einer Tagung Thermal Probe Nanolithography: What You See is What You Get 29.05.2014 Washington DC, Vereinigte Staaten von Amerika Dürig Urs; Zientek Michal; Knoll Armin;
Swiss Nanoconvention 2014 Vortrag im Rahmen einer Tagung Thermal Probe Nanolithography: What You See is What You Get 21.05.2014 Brugg, Schweiz Dürig Urs; Knoll Armin; Zientek Michal;
SPIE Advanced Lithography 2014 Vortrag im Rahmen einer Tagung Closed-loop high-speed 3D thermal probe nanolithography 25.02.2014 San Jose, Vereinigte Staaten von Amerika Zientek Michal; Dürig Urs; Knoll Armin;
MRS Fall 2013 Vortrag im Rahmen einer Tagung Closed-loop 3D thermal scanning probe lithography 01.12.2013 Boston, Vereinigte Staaten von Amerika Dürig Urs; Zientek Michal; Knoll Armin;
MNE 2103 Vortrag im Rahmen einer Tagung Closed-loop 3D thermal scanning probe lithography 16.09.2013 London, Grossbritannien und Nordirland Dürig Urs; Zientek Michal; Knoll Armin;
CMOS ETR 2013 Vortrag im Rahmen einer Tagung Probe Nanopatterning: A fast turn-around lithography technology 17.07.2013 Whistler, Kanada Zientek Michal; Knoll Armin; Dürig Urs;


Veranstaltungen zum Wissenstransfer



Selber organisiert

Titel Datum Ort
Knowledge transfer of feedback to SwissLitho AG 01.03.2015 Zurich, Schweiz

Patente

Titel Datum Nummer Erfinder Eigentümer
Scanning probe nanolithography system and method 16.09.2013 EP2848997 A1

Verbundene Projekte

Nummer Titel Start Förderungsinstrument
126905 Surface structuring by means of stimulated desorption of organic material 01.11.2009 Projektförderung (Abt. I-III)

Abstract

During the last project entitled “Surface structuring by means of stimulated desorption of organic material” we have achieved two important milestones. The first relates to a precise fabrication of three dimensional patterns by thermal Scanning Probe Lithography (tSPL), and the second involves the directed assembly of nano-particles with 10 nm precision. Here we propose to combine the two achievements in order to fabricate novel optical micro-cavities with high performance and optimal integration of optically active nano-particles. The three-dimensional fabrication method is used to produce mesas in the spacer layer of a vertical Fabry-Perot type microcavity. The mesas are produced in a way that the optical cavity modes are localized within the mesa structure thereby achieving low effective mode volumes. Furthermore the mesa is designed as a three dimensional “rounded” structure which minimizes scattering of light into other cavity modes. The mesa outline can be designed into almost arbitrary shapes just limited by the shape of the scanning probe tip. One goal of the proposed project is to optimize the mesa design to achieve optimal light confinement in low loss cavities. A second aspect of this proposal is the deposition of optically active nano-particles at predefined positions within the microcavity. The particles can be examined after deposition to select the ones fitting best to the desired cavity response. The particles can be detected using the tSPL tool in the imaging mode. Using the same tip the light confining mesa structure can be written in precise registry with the selected nano-particle. This allows for a designed coupling of one or potentially more nano-particles to a cavity mode. The strength of the coupling will depend on the quality of the fabrication process. However, preliminary simulation results indicate that the rounded mesas and the particle placement strategy will provide superior performance in comparison to existing designs. This makes us confident that we will be able to study light-matter coupling effects like enhanced/suppressed spontaneous emission or non-linear optical effects. Furthermore the new fabrication process may potentially allow us to explore the coupling of multiple dots to the same cavity. Depending on the achievable coupling strength nanophotonic applications like low threshold lasing, single photon sources or other quantum information devices are within reach.
-