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近期，瑞士IBM蘇黎世研發中心的Colin博士和Swisslitho公司的Martin博士利用熱掃描探針(T-SPL)納米加工技術，配合干法蝕刻解決方案實現了相互作用微腔(兩個相鄰的光學微腔)，并對微腔距離進行了控制，實現了兩個微腔光場的相互作用。相關工作發表在Nature子刊 Scientific Report。
T-SPL納米加工技術
熱掃描探針(T-SPL)納米加工技術是一種灰度刻蝕技術。與傳統意義上的3D打印技術相比，3D模型以灰度圖的形式呈現和加工，技術難度要比3D打印技術要小得多;而且，灰度刻蝕與標準微電子加工工藝，如沉積和蝕刻等直接兼容，因此具有廣泛的應用前景。例如，在光學/光子學方面，它可以用來制造任意光學曲面、多模光波導，光子晶體以及高Q值的光學微腔。在量子光子學中，高Q因子意味著光損失小，單位模式中有更多的光量子。在電子光學上，可以用螺旋結構來將軌道角動量傳遞給自由電子。相比平面結構，三維結構具備更多的功能和更好的性能。
圖1 T-SPL的原理
納米加工技術對比
傳統納米加工技術中，電子束蝕刻(EBL)是目前先進的直寫技術，也能夠進行這種灰度的光刻。然而，當結構小于1微米時，電子束在光刻膠內的弛豫散射要計算，需要進行三維距離校正。聚焦離子束(FIB)同樣可以用于灰度光刻。然而，由入射離子引起的表面注入，深度延伸可以超過數百納米，并且需要進行復雜的計算實現臨近校正。此外，由于事故的電離造成的損害，FIB加工過的表面對進一步處理非常敏感。此時，T-SPL技術的優勢就突顯出來了。
T-SPL納米加工技術的應用
Colin博士利用T-SPL技術，制備了正旋波圖形(圖2a, b)，螺旋相位板(圖2c, d)，凹透鏡(圖2e, f)，16方格棋盤(圖2g, h)。圖形結果和設計匹配，棋盤實驗中，臺階的高度僅為1.5nm。得益于閉環的直寫算法，將每一次直寫后探測的深度信息反饋并修正下一行的直寫， T-SPL技術實現了納米高精度的3D直寫。
圖2 利用T-SPL技術制備各種微結構，圖形結果和設計匹配
光子分子—雙高斯凸透鏡DBR光學微腔
Colin博士進一步設計了光子分子——雙高斯凸透鏡DBR光學微腔(圖3)。在SiO2上刻蝕兩個相鄰的凹高斯透鏡結構，并以此為模板制作了TaO5/SiO2布拉格反射鏡(DBR);利用發光染料作為增益介質制備在DBR中間形成法布里-珀羅(Fabry–Pérot)光學微腔，發光燃料層在結構部分形成高斯凸透鏡，相鄰兩個凸透鏡各自約束一路光場在DBR中形成諧振。
圖3 光子分子的設計，制備和表征
通過加工多種不同間距的凸透鏡對，Colin博士研究了不同距離下，兩個諧振光場的耦合作用，以期實現基于交互強度控制的類腔陣列量子計算技術。T-SPL高精度3D納米加工技術必將推動量子計算的研究向一個關鍵里程碑邁進。
參考文獻：Control of the interaction strength of photonic molecules by nanometer precise 3D fabrication.
Swisslitho公司榮獲“瑞士產品獎”
2017年11月13日，Swisslitho公司因NanoFrazor 3D納米直寫設備(采用熱掃描探針納米加工技術)的研發和特優勢獲得“瑞士產品獎”。該獎項主要獎授予“具有特、高技術、高質量的、的產品創新能力，具有高價值，強大潛力的公司”。
圖為Swisslitho公司團隊于蘇黎世市中心舉行的頒獎典禮
