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Propagation de la lumière dans les nanostructures et les cristaux photoniques planaires associés aux guides donde : fabrication et caractérisation Frédéric.

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1 Propagation de la lumière dans les nanostructures et les cristaux photoniques planaires associés aux guides donde : fabrication et caractérisation Frédéric Lacour 22 Février 2005

2 2 Introduction Nanostructures et cristaux photoniques (CP) : objet de nombreuses recherches depuis une dizaine dannées. Structuration périodique du milieu de propagation Fabrication : Domaine des micro-ondes : période de lordre du millimètre Domaine optique : période sub-micronique Enjeu technologique notamment du point de vue des précisions géométriques requises CP de type planaire Nanostructures associées à des guides donde. Proposition : Utilisation dun FIB. Caractérisation des nanostructures par microscopie en champ proche optique.

3 3 Plan de lexposé I. Contexte II. Modélisation des nanostructures III. Fabrication de nanostructures par FIB IV. Caractérisation des nanostructures par microscopie en champ proche V. Application des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO 3 VI. Conclusion et perspectives

4 4 Partie I Contexte

5 5 Les cristaux photoniques Arrangement périodique de matériaux diélectriques ou métalliques. 1D3D2D Bande interdite photonique : la lumière ne peut pas se propager pour certaines gammes de longueur donde Introduction de lacunes ou de défauts : possibilité de confinement Cavité Guide donde I-1 Les cristaux photoniques I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

6 6 Les cristaux photoniques bidimensionnels Deux types : Structures « connectées » Structures « déconnectées » Applications à loptique intégrée planaire : Structures 2D + confinement vertical Défauts : création de guides donde ou de cavités Permet une miniaturisation des principaux composants optiques Contrôle total de la lumière dans un plan I-1 Les cristaux photoniques I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

7 7 Cristaux photoniques 2D associés à des guides donde Deux configurations ont été retenues : Coupleur : Injection par onde évanescente (D. Mulin, Thèse de doctorat, 2000) Trous directement gravés sur le guide : injection par une onde propagative Simulations préliminaires : coupleur configuration ambitieuse et complexe Choix des structures validation de la fabrication de nanostructures par FIB I-2 Configuration adoptée I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

8 8 Fabrication dun cristal photonique bidimentionnel associé à un guide donde Techniques de fabrication issues de la technologie des semi-conducteurs Méthode la plus répandue : lithographie électronique MEB associée à une technique de gravure (chimique ou séche) Avantages : précision (résolution jusquà 5nm), ensemble des motifs gravés en même temps (homogénéité de la structure) Inconvénient : difficulté de positionnements (utilisation de repères) Méthode choisie : utilisation dun FIB Motivation : positionnement de visu par rapport aux guides, résolution (moins de 50nm), possibilité de gravure directe I-2 Configuration adoptée I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

9 9 Choix du guide optique Structure mixte guide/nanostructures Modes de propagation peu enterrés (caractérisation par microscopie champ proche) Choix dune structure multicouche : confinement vertical de la lumière dans les structures Guide ruban à structure multicouche SiO 2 /SiON/SiO 2 sur substrat de silicium I-2 Configuration adoptée I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

10 10 Caractéristiques des guides donde monomodes de 700 nm à 900 nm (compatible avec le laser titane saphir ( nm)) Découpe des échantillons à la scie (Disco DAD400) évite le polissage Onde évanescente à la surface du guide Mode Calcul par BPM : I-2 Configuration adoptée I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

11 11 Partie II Modélisation des nanostructures

12 12 Calcul des diagrammes de bandes But : Déterminer les paramètres de la structure (diamètre des trous, maille, période de la matrice) Détermination des diagrammes de bande par un logiciel commercial (RSoft BandSolve) utilisant la méthode PWE (Plane Wave Expansion) Conditions : n eff =1.489 Fabrication d<0.75a II-1 Calcul des BIP I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

13 13 Calcul des diagrammes de bandes Paramètres : Choix dune matrice à maille triangulaire d=0.7a Polarisation TE : Champ E parallèle à laxe des structures ! II-1 Calcul des BIP I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

14 14 Calcul des diagrammes de bandes Polarisation TM : Champ H parallèle à laxe des structures ! Paramètres : Choix dune matrice à maille triangulaire d=0.7a II-1 Calcul des BIP I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

15 15 Calculs 2D-FDTD Utilisation dun logiciel commercial (FullWave) de FDTD (Finite- Difference Time-Domain) La méthode FDTD permet de: Calculer le spectre de transmission (excitation par impulsion). Montrer linteraction entre la lumière injectée et les nanostructures (excitation continue). Paramètres pour les calculs 2D-FDTD : Trous supposés infinis Guides donde monomodes de 4µm de large Matrice à maille triangulaire de 40x40 trous (a=360nm, d=200nm) Propagation dans la direction M x= z=0.02 m t=2.4 £ s PML : épaisseur=0.5 m II-2 Calculs 2D-FDTD I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

16 16 Calculs 2D-FDTD Spectre de transmission Polarisation TE Spectre de transmission Polarisation TM II-2 Calculs 2D-FDTD I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

17 17 Calculs 2D-FDTD Distribution en intensité des champs électrique et magnétique (polarisation TE), matrice de 40x40 trous (d=200nm, a=360nm) z x y II-2 Calculs 2D-FDTD I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

18 18 Calculs 2D-FDTD Distribution en intensité des champs électrique et magnétique (polarisation TE) z x y II-2 Calculs 2D-FDTD I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

19 19 Partie III Fabrication de nanostructures par FIB

20 20 Fabrication des nanostructures Matrice périodique de trous, maille triangulaire (d=200nm, a=360nm, Profondeur de gravure : 1µm) gravée sur les guides donde Utilisation du FIB (Faisceau dions focalisé, Focused Ion Beam) Avantages : Haute résolution ( ' 50nm) Système dimagerie associé Positionnement par rapport au guide visuel FIB: double colonne MEB/FIB Orsay – Physics LEO-FIB 4400 (FEMTO-ST, Besançon) ; FIB FEI Beam Strata 235 (Isis, Strasbourg) III-1 Paramètres …III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…

21 21 Première méthode : gravure directe par FIB III-2 Gravure directe …III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…

22 22 Résultats Matrice de maille triangulaire de 20x20 trous Diamètre : 200nm Période : 360nm Profondeur de gravure : 1,2µm) Coupe par FIB image MEB image FIB III-2 Gravure directe …III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…

23 23 Autres structures gravées Matrice triangulaire de 24 £ 30 trous circulaires (d=200nm, a=360nm) Matrice triangulaire de 24 £ 48 trous circulaires (d=200nm, a=360nm) avec une ligne de défauts Images MEB, Gravures réalisées à lINIST, Strasbourg III-2 Gravure directe …III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…

24 24 Discussion Réglages FIB (astigmatisme, alignement de la colonne) délicats risque de saut ou de dérive Problème du redépôt de matériau profondeur de gravure limitée et flancs des trous inclinés. Solutions proposées : Utilisation dun gaz réactif Augmentation du nombre de passages Combinaison FIB-RIE (Reactive Ion Etching) III-2 Gravure directe …III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…

25 25 Deuxième méthode : action combinée FIB-RIE Avantages : gravure FIB à 250nm de profondeur (épaisseur du métal) temps de gravure réduit Profondeur des trous ne dépend que de la RIE Gravure combinée FIB-RIE …III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Ca…

26 26 Premiers essais Gravure du masque métallique par FIB Image FIB 20 minutes de gravure RIE Théoriquement : ' 1920nm. Profondeur mesurée à lAFM : 100nm Nécessité dune optimisation de la gravure RIE pour les nanostructures. Gravure combinée FIB-RIE …III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Ca…

27 27 Partie IV Caractérisation des nanostructures par microscopie en champ proche

28 28 Caractérisation par microscopie en champ proche Dispositif expérimental IV-1 Dispositif expérimentale …IV Caractérisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides dondes IV-3 …

29 29 Caractérisation en champ proche des guides donde optiques Image optique correspondante Image topographique (30x30µm²) Images champ proche dun coupleur (séparés de 8µm) IV-2 Caractérisation de guides dondes …IV Caractérisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides dondes IV…

30 30 Caractérisation en champ proche des guides donde optiques Coupe de limage optique correspondante Sections Coupe de limage topographique IV-2 Caractérisation de guides dondes …IV Caractérisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides dondes IV… x m) y(A) o x m) I(U.A.)

31 31 Caractérisation en champ proche des guides donde optiques Image optique expérimentale Comparaison Théorie/expérience IV-2 Caractérisation de guides dondes …IV Caractérisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides dondes IV… x m) I(U.A.)

32 32 Caractérisation dune nanostructure sans lacune =850nm =900nm Image optique correspondante Image topographique (5x5µm²) IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut …-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides dondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4… Caractérisation par microscopie en champ proche : Une matrice de 40 lignes de trous Mêmes paramètres que précédemment (a=360nm, d=200nm) Mesure réalisée tous les 25nm entre =700nm et =900nm pour une polarisation TM

33 33 Caractérisation dune nanostructure possédant une ligne de trous manquante Caractérisation par microscopie en champ proche : Une matrice de 80 lignes de trous Mêmes paramètres que précédemment (a=360nm, d=200nm) 1 ligne de trous manquante dans la direction de la propagation au centre du guide donde Mesure réalisée tous les 25nm entre =700nm et =900nm pour une polarisation TM IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …

34 34 Caractérisation dune nanostructure possédant une ligne de trous manquante Image Optique correspondante Image Topographique (10x10µm²) =725nm Pertes importantes en entrée de la nanostructure IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …

35 35 Caractérisation dune nanostructure possédant une ligne de trous manquante =825nm Confinement du champ autour de la ligne de lacunes. Image Optique correspondante Image Topographique (10x10µm²) IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …

36 36 Caractérisation dune nanostructure possédant une ligne de trous manquante Comparaison image expérimentale / simulation FDTD Distribution de lintensité du champ H, polarisation TM 50 £ 40 trous, maille triangulaire a=360nm, d=200nm =752nm IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …

37 37 Discussion Structures sans défaut : Chute de transmission observée à partir de =875nm BIP TM théorique : entre 800 et 900nm Structures avec une ligne de lacune : Chute de transmission observée vers 900nm (limite du gain linéaire du PM) Modelages dans la structure très différents observés pour des longueurs donde ponctuels

38 38 Influence du profil des trous Effet de BIP pour des cristaux photoniques 2D très sensibles à de nombreux paramètres introduisant principalement des pertes hors-du-plan : Profondeur des trous : importance du recouvrement entre les trous et le mode guidé La forme des trous : forme cylindrique Aspect en surface : la surface doit être régulière. Échantillon fabriqué: Redépôt de matière lors du traitement FIB formes coniques Angle proche de 2.5°. La profondeur des trous (compromis entre la théorie et les contraintes technologiques) ne permet pas un recouvrement complet des modes guidés Ferrini and al., Appl. Phys. Lett., 82, 7, 2003 IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut …-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides dondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4…

39 39 Partie V Application de la méthode de fabrication des nanostructures par FIB au LiNbO 3

40 40 Contexte Niobate de Lithium, LiNbO 3 Nombreuses propriétés optiques (ferro-électrique, piézo- électrique, électro-optique, photoréfractif, acousto-optique…) Fort indice de réfraction : n LiNbO 3, =1.55 m ¼ 2.2 Domaine de transparence de 0,4µm à 4µm Un des matériaux les plus utilisés pour la réalisation de composants optiques Candidat pour la réalisation de cristaux photoniques reconfigurables Matériau difficilement usinable par les techniques de gravure traditionnelles Rares résultats de nanostructurations (Restouin et al. Opt. Mater. 22, 2003) V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO 3 …érisation des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO 3 VI Conclusion…

41 41 Existence dune BIP dans le LiNbO 3 Calculs réalisés à laide de BeamProp (N. Bodin) Existence dune BIP TM totale pour d > 0,4a Paramètres pour la fabrication : d=0,5a (compromis entre technologie et simulation)

42 42 Fabrication de nanostructures sur LiNbO 3 par FIB Procédure de gravure directe par FIB Procédure de gravure combinée FIB-RIE V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO 3 …érisation des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO 3 VI Conclusion…

43 43 Résultats par gravure directe par FIB Image FIB de la coupe dune matrice 4 £ 4 Diamètre des trous à 1µm de profondeur : 432nm Toujours le problème du redépôt V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO 3 …érisation des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO 3 VI Conclusion…

44 44 Gravure combinée FIB-RIE Le FIB ne sert quà graver le masque métallique Résultats différents selon le diamètre des trous d 2 =130nmd 1 =250nm Profondeur de gravure mesuré au bout de 10min de RIE-SF 6 : 500nm Images MEB V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO 3 …érisation des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO 3 VI Conclusion…

45 45 Partie VI Conclusion et perspectives

46 46 Conclusion Développement de deux méthodes de fabrication de nanostructures par FIB sur deux matériaux (silice et niobate de lithium) Subsiste quelques défauts (redépôt de matériau) Efficacité prouvée notamment pour la réalisation de structures sur des matériaux difficilement usinables (LiNbO 3 ) Caractérisation des nanostructures par microscopie en champ proche : Cartographie en surface du champ se propageant dans le structure Efficacité prouvée pour la caractérisation de structure à fort confinement de champ (structure avec lacunes) VI Conclusion et perspectives … des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO 3 VI Conclusion et perspectives

47 47 Perpectives Optimisations nécessaires : Gravure FIB directe : différentes solutions ont été proposées pour éviter le redépôt Gravure combinée FIB-RIE : optimisation de la RIE pour les nanostructures Nanostructuration du niobate de lithium RIE peu réactive : acquisition prochaine dune Deep-RIE dédiée au LiNbO 3 Caractérisation en champ proche : suppose des guides peu enterrés Réalisation de composants actifs à cristaux photoniques sur LiNbO 3 VI Conclusion et perspectives … des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO 3 VI Conclusion et perspectives

48 48 Quelques exemples de Zone de Brillouin Zone de Brillouin : cellule élémentaire de lespace réciproque

49 49 Théorie des cristaux photoniques Milieu linéaire, non-absorbant et isotrope Permittivité diélectrique relative, réelle et périodique r ( r ) Équations de Maxwell donnent léquation maître (milieu non- absorbant, linéaire et isotropes): ! Théorème de Floquet-Bloch : Où est fonction de la périodicité du réseau. Permet la simplification de léquation maître. Obtention des courbes de dispersion ( k ) et des diagrammes de bande (méthode des ondes planes) !

50 50 Étude spectrale Spectre de transmission expérimental Variation de 850nm à 980nm Ne montre pas de réelles bandes interdites

51 51 Fabrication des guides donde Fabrication réalisée par A. Sabac I-2 Configuration adoptée I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

52 52 Remerciements Eloïse Devaux (INIST, Strasbourg) Andrei Sabac Maria Pilar Bernal Nadège Bodin Matthieu Rousset

53 53 Calcul des diagrammes de bandes d=0.7a II-1 Calcul des BIP I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…


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