High-performance silicon micro cavities for quantum science

Abstract

Die Wechselwirkung von Licht und Materie spielt eine zentrale Rolle für unzählige Anwendungen in der Physik und in der Industrie. Mikrocavities können in vielen Bereichen eingesetzt werden und dank ihrer Eigenschaften die Licht-Materie Wechselwirkung erhöhen. Die in dieser Arbeit verwendeten Cavities können aufgrund ihres kleinen Radius das Licht in einem wesentlich kleineren Bereich konzentrieren als große Cavities. Die Konstruktion als „offene“ Cavity ermöglicht es die Partikel am Ort der größten Feldstärke zu platzieren. In dieser Arbeit zeige ich wie konkave Mikrospiegel berechnet, gefertigt, zusammengebaut und gemessen werden. Die Cavityspiegel haben einen Radius von 100m bis 1.3mm. Aus diesen Mikrospiegeln wird eine offene Infrarotcavity (1550nm) gebaut. Dieses besteht aus 2 Siliziumchips mit Spiegeln und einem Spacer Chip in der Mitte. Der Öffnungsdurchmesser der Spiegel liegt im Bereich des Durchmessers eines menschlichen Haares 200-60m. In dieser Arbeit war es uns möglich Spiegel mit einer Finesse von bis zu 500.000 herzustellen. Im Design Prozess geht es darum alle kritischen Werte für die geplante Anwendung zu berechnen. Aufgrund dessen werden die Spiegel danach gefertigt. Hierfür haben wir einige neue Verfahren entwickelt sowie bekannte Methoden weiterentwickelt und verfeinert. Hier ging es vor allem darum die Rauheit und die Form der Spiegel zu verbessern. Nach umfangreichen Untersuchungen war es möglich einen Drei-Schritte-Plan zur Spiegelproduktion festzulegen. Im ersten Schritt wird die Spiegelform definiert. Der zweite Schritt dient dazu, die Form bis zum Zielradius zu vergrößern. Zuletzt wird poliert, um auf die notwendige Rauheit zu kommen. Es gelang uns die Rauheit auf unter 0.4nm RMS zu senken. Um diese Prozesse besser zu verstehen, wurden eine Reihe von Messungen, Berechnungen und Simulationen durchgeführt. Es wurde unter der Annahme das ein nicht parabel-förmiger Spiegel vorliegt das elektromagnetische Feld im Inneren der Cavity berechnet. Auf diese Weise konnten wir den Einfluss von Abweichungen von der perfekten Form untersuchen und festlegen, ob die von uns gefertigten Mikrospiegel die geforderte Qualität haben. Danach werden die Spiegel von einer externen Firma mit dielektrischen Spiegelschichten ausgestattet. Anschließend wurden Spacer für die Spiegel entwickelt und von uns gefertigt. Diese legen den Abstand und die Ausrichtung zwischen den Spiegeln fest. Durch eine formschlüssige Verbindungsmethode ist es uns hier gelungen, die Spiegel auf weniger als 2m genau zueinander auszurichten. Zusammen mit den Spiegeln ergeben diese eine Cavity. Als letzter Schritt erfolgt die Vermessung und Charakterisierung, die wiederum in die Weiterentwicklung besserer Spiegel einfloss. Mit der von uns erzeugten Cavities wurden bereits physikalische Experimente durchgeführt und es konnten damit Nanopartikel detektiert werden. Zudem wurde das Verhalten der Cavities mit einem Dielektrikum untersucht. Als letzten Punkt berichte ich über zukünftige Anwendungen.

Light-matter interactions are central to numerous methods in physics and engineering. They enable sensitive detection, cooling, and manipulation of particles such as nano-spheres, molecules, atoms and defects in semiconductors. Microcavities can strongly enhance these interactions. For the cavities in this thesis, this enhancement is achieved by strong spatial confinement of light using mirrors with small radii of curvature. Open access allows the placement of particles in the strongest portion of the light field. In this work, I describe the design, manufacturing, and implementation of high-finesse microcavities in silicon. The design is an open microcavity operating at infrared wavelengths (1550nm). This cavity is built out of two silicon chips with mirrors on both and a spacer in between. The radii of curvature of these mirrors are in the range of 100-1300m. The sizes of these mirrors range from 200-60m in diameter, comparable to the diameter of a human hair. In this work, we created microcavities with finesse in excess of 500.000. The design process is guided by the goals of the application, which determines the characteristics of the cavity such as waist size, linewidth and finesse. These characteristics determine the physical parameters of the microcavity including the mirror reflectivity, radii of curvature and its length. The next step was to manufacture the mirrors. For this purpose, we developed new techniques and improved existing processes. These improvements led to a reduction in the mirror roughness and a better definition of the shape of the mirrors. The fabrication consists of a three-step process: in the first step the shape is defined, in the second the shape is amplified up to the necessary radius. The last step was a polishing procedure to improve roughness down to 0.4nm RMS or less. Finally, the mirrors were coated by an external company with a dielectric mirror coating. For these mirrors, we developed a spacer. This spacer defines exactly the length of the cavity and has special features to guarantee an alignment with an error below 2m. The cavity structure is then assembled. Various characterization measurements are performed on these cavities. These measurements were used to improve the cavity design and manufacturing process. To gain further insight into the whole fabrication process, a suite of measurements, simulations, and calculations were performed. In order to understand how deviations from the desired shape influence the finesse, the electromagnetic field inside a cavity was calculated for a non-parabolic shape. Furthermore, a simplified simulation of the etch process was constructed to determine the point during the etch process which yields the most parabolic profile.I report on how these cavities were successfully integrated into an experiment to detect nanoparticles. Additionally, the behavior of the cavities with a dielectric was investigated. Finally, an outlook towards applications in quantum photonics is given.