Frédéric Lacour 22 Février 2005 31/03/2017 Propagation de la lumière dans les nanostructures et les cristaux photoniques planaires associés aux guides d’onde : fabrication et caractérisation Frédéric Lacour 22 Février 2005

31/03/2017 Introduction Nanostructures et cristaux photoniques (CP) : objet de nombreuses recherches depuis une dizaine d’années. Structuration périodique du milieu de propagation Fabrication : Domaine des micro-ondes : période de l’ordre 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 d’onde.  Proposition : Utilisation d’un FIB. Caractérisation des nanostructures par microscopie en champ proche optique. Si la fin du 19e siècle a été marquée par la révolution industrielle, la fin du 20e siècle l’a été par une révolution des télécoms. Une demande croissante en compacité et en intégration de fonctionnalités sur des composants optiques a pu être observée. Dans ce contexte, les cristaux photoniques, dont le concept a été démontré par Yablonovitch en 1993, sont l’objet de nombreuses recherches. Des validations expérimentales ont d'abord était faites dans le domaine des micro-ondes, où l'échelle des structures reste millimétrique, mais la réalisation de telles structures dans le domaine optique, malgré des essais prometteurs, demeure un enjeu technologique: la période est en effet inférieure au µ. Compte tenu de la précision exigée des fonctions visées (sur lambda dans le filtrage, etc ...) la précision géométrique des structures doit être de quelques nm, on peut donc parler de « nanostructures ». Nous nous sommes concentrés dans cette thèse sur les cristaux photoniques de type planaire réalisés par perçage d'une couche guidante. Un second objectif était d'associer ces nanostructures à des guides d'onde intégrés faisant partie du savoir-faire du laboratoire. La meilleure stratégie de fabrication nous a paru être la gravure directe par faisceau ionique focalisé (FIB). Cet appareil, présent à l'Institut de Microtechniques, a en effet vocation à effectuer des retouches sur les systèmes existant, en évitant par exemple les étapes complémentaires nécessaires à la lithographie électronique. Le dernier volet de mon travail concerne la caractérisation des systèmes (cristal photonique + guide ) par microscopie en champ proche, grâce aux ondes évanescentes et aux fuites accompagnant la propagation dans la couche guidante.

Modélisation des nanostructures Fabrication de nanostructures par FIB 31/03/2017 Plan de l’exposé Contexte Modélisation des nanostructures Fabrication de nanostructures par FIB Caractérisation des nanostructures par microscopie en champ proche Application des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO3 Conclusion et perspectives L’exposé sera décomposé en 6 parties : Dans une première partie, j’exposerai les contextes de ce travail et la configuration adoptée Ensuite, une étude théorique des nanostructures sera présentée, permettant de déterminer les différents paramètres des structures qui seront fabriquées. Cette fabrication sera montrée dans une 3e partie où les deux méthodes de fabrication par FIB développées dans ce travail seront expliquées. Dans une quatrième partie sera exposée la caractérisation des nanostructures par SNOM. Enfin, nous verrons que les méthodes développées dans la partie III peuvent être appliqués à des matériaux difficilement usinable tel que le LN. Finalement, après une conclusion, je présenterai les perspectives de ce travail.

31/03/2017 Partie I Contexte

Les cristaux photoniques 31/03/2017 Les cristaux photoniques Arrangement périodique de matériaux diélectriques ou métalliques. 1D 2D 3D Bande interdite photonique : la lumière ne peut pas se propager pour certaines gammes de longueur d’onde Je ferai ici une brève présentation des cristaux photoniques. Définition : les CP sont un arrangement périodique de matériaux diélectriques.. Cet arrangement périodiques peut être en 1 2 ou 3 dimension tel que montré sur ces schéma. Un cristal photonique 1D n’est autre qu’un réseau de Bragg (découverte 1894) Les CP2D peuvent être de différentes formes. Par exemple, si le milieu foncé est un diélectrique et clair de l’air , nous avons des trous. Inversement : des plots. Ce type de matériaux est celui qui a été l’objet de plus d’étude. C’est aussi ce que nous avons choisi. CP3D bien que déjà fabriqués, demeurent les plus difficiles à fabriquer. Nous n’en parlerons pas dans cet exposé. Ils consistent en une structuration périodique du milieu de propagation par des inclusions ou des vides dont la période est de l'ordre de la longueur d'onde. Dans certaines conditions de contraste d'indice et de facteur de remplissage, les cristaux sont parfaitement opaques dans une bande de longueur d'onde dite bande interdite, pour toutes les directions de propagation. On peut alors créer des cavités , des guides coudés, des coupleurs sélectifs, etc ... à l'aide de lacunes dans ce milieu structuré. Introduction de lacunes ou de défauts : possibilité de confinement Guide d’onde Cavité I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

Les cristaux photoniques bidimensionnels 31/03/2017 Les cristaux photoniques bidimensionnels Deux types : Structures « déconnectées » Structures « connectées » Applications à l’optique intégrée planaire : Structures 2D + confinement vertical Défauts : création de guides d’onde ou de cavités Permet une miniaturisation des principaux composants optiques Contrôle total de la lumière dans un plan Nous nous intéresserons plus particulièrement aux CP2D. Ils peuvent être de deux types : Structures déconnectés: par ex, des tiges de diélectriques dans un milieu d’air Structures connectés : par exemple des trous d’air dans un diélectrique Ces matériaux ont de nombreuses applications dans le cadre de l’optique intégrée planaire : On remarque que si le confinement de la lumière dans des CP2D peut être obtenu dans les deux directions de la matrice, le confinement vertical quand à lui pose problème. La solution serait de prendre une trange de ces structures entre deux milieux d’indice plus faibles, à la manière d’un guide plan. Malgré cela, les pertes hors du plan reste un pb majeur de cette technologie. Par la création de défauts, la lumière ne pouvant pas se propager dans les parties structurées à cause de la BIP, il est possible de créer des guides d’onde de très petites tailles et des cavités à fort facteur de qualité. Sur le schéma proposé, nous avons enlever une ligne de trou dans une direction puis dans une autre, la BIP étant omnidirectionnelle, il est possible de créer des virages sans pertes dont les axes de courbures ne pourraient pas exister en optique guidée traditionnelle. Ceci permet une miniaturisation des composants optiques ainsi que la possibilité de contrôlé la lumière dans le plan. I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

Cristaux photoniques 2D associés à des guides d’onde 31/03/2017 Cristaux photoniques 2D associés à des guides d’onde Deux configurations ont été retenues : Trous directement gravés sur le guide : injection par une onde propagative Coupleur : Injection par onde évanescente (D. Mulin, Thèse de doctorat, 2000) Les cristaux photoniques étant définis, il est temps de s’intéresser à l’injection lumineuse dans de telles structures. Au début de ma thèse, nous avions décidé de reprendre les travaux réalisées lors de la thèse précédant la mienne : coupleur à CP, la lumière est injectée dans un guide. Une structure située à raz du guide permet de capter la traîne évanescente du mode guidé. La lumière est couplée ensuite dans un deuxième guide. Une autre méthode d’injection, qui a été déjà étudiée dans de nombreuses publications, permet une injection par une onde propagative en gravant la structure directement sur et dans le guide. L’avantage de cette structure est que la lumière est confinée verticalement dans la nanostructures par le guide lui-même. Par simplicité (taille des structures plus fines, phénomène plus connue), nous avons décidé de nous intéresser d’abord à cette configuration. Simulations préliminaires : coupleur  configuration ambitieuse et complexe Choix des structures  validation de la fabrication de nanostructures par FIB I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

31/03/2017 Fabrication d’un cristal photonique bidimentionnel associé à un guide d’onde 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 jusqu’à 5nm), ensemble des motifs gravés en même temps (homogénéité de la structure) Inconvénient : difficulté de positionnements (utilisation de repères) Méthode choisie : utilisation d’un FIB Motivation : positionnement de visu par rapport aux guides, résolution (moins de 50nm), possibilité de gravure directe La plupart des technique de fabrication sont issues de la technologie des semi-conducteurs. Bien entendu, le choix d’une technique ou d’une autre dépandra du matériaux utilisés. I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

Choix du guide optique Structure mixte guide/nanostructures 31/03/2017 Choix du guide optique Structure mixte guide/nanostructures Modes de propagation peu enterrés (caractérisation par microscopie champ proche) Choix d’une structure multicouche : confinement vertical de la lumière dans les structures Guide ruban à structure multicouche SiO2/SiON/SiO2 sur substrat de silicium Un autre choix s’est imposé à nous: le matériau. Choix d’une structure multicouche I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

Caractéristiques des guides d’onde 31/03/2017 Caractéristiques des guides d’onde monomodes de 700 nm à 900 nm (compatible avec le laser titane saphir (700-950nm)) Onde évanescente à la surface du guide Mode Calcul par BPM : Monomode de… Calcul BPM… Onde évanescente Le choix de ce matériau s’est fait en considérant que la forme du mode guidé pouvait à la fois permettre une caractérisation optique au dessus du guide et permettre une injection dans des structures gravées sur le côté de ces guides pour la première configuration qui avait été retenue pour la thèse. Découpe Découpe des échantillons à la scie (Disco DAD400)  évite le polissage I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

Partie II Modélisation des nanostructures 31/03/2017 Partie II Modélisation des nanostructures Une première étude des nanostructures pourra aider à la détermination des paramètres utilisés pour la gravure.

Calcul des diagrammes de bandes 31/03/2017 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 : neff=1.489 Fabrication  d<0.75a Theorical study of nanostructures : first step use of RSoft BandSolve to show complete photonic band gaps : give a first rough information on the parameters First step : band diagrams in two polarization (TE and TM), for triangular matrix of holes in substrate (nsubstrate=1.53) (diameter of holes = 0.70*period). The first Brillouin zone for this geometry First polarisation TE (E field perpendicular to holes axes) doesn’t show any bandgaps Second polarisation TM (E field parallel to holes axes) shows a very thin complete bandgap for relative frequency a little less than 0.5. Conclusion : low index materials don’t show easily bandgaps but it exists. We will see how nanostructures will behave in restraint experimental conditions. FDTD simulation will give us crucial information. I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

Calcul des diagrammes de bandes 31/03/2017 Calcul des diagrammes de bandes Paramètres : Choix d’une matrice à maille triangulaire d=0.7a Theorical study of nanostructures : first step use of RSoft BandSolve to show complete photonic band gaps : give a first rough information on the parameters First step : band diagrams in two polarization (TE and TM), for triangular matrix of holes in substrate (nsubstrate=1.53) (diameter of holes = 0.70*period). The first Brillouin zone for this geometry First polarisation TE (E field perpendicular to holes axes) doesn’t show any bandgaps Second polarisation TM (E field parallel to holes axes) shows a very thin complete bandgap for relative frequency a little less than 0.5. Conclusion : low index materials don’t show easily bandgaps but it exists. We will see how nanostructures will behave in restraint experimental conditions. FDTD simulation will give us crucial information. ! Polarisation TE : Champ E parallèle à l’axe des structures I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

Calcul des diagrammes de bandes 31/03/2017 Calcul des diagrammes de bandes Paramètres : Choix d’une matrice à maille triangulaire d=0.7a Theorical study of nanostructures : first step use of RSoft BandSolve to show complete photonic band gaps : give a first rough information on the parameters Second step FDTD (RSoft Fullwave) simulation : will give a better approximation of what will happen in the experimental conditions (light brought to structures by waveguides…) First step : band diagrams in two polarization (TE and TM), for triangular matrix of holes in substrate (nsubstrate=1.53) (diameter of holes = 0.70*period). The first Brillouin zone for this geometry First polarisation TE (E field perpendicular to holes axes) doesn’t show any bandgaps Second polarisation TM (E field parallel to holes axes) shows a very thin complete bandgap for relative frequency a little less than 0.5. Conclusion : low index materials don’t show easily bandgaps but it exists. We will see how nanostructures will behave in restraint experimental conditions. FDTD simulation will give us crucial information. ! Polarisation TM : Champ H parallèle à l’axe des structures I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

31/03/2017 Calculs 2D-FDTD Utilisation d’un logiciel commercial (FullWave) de FDTD (Finite-Difference Time-Domain) La méthode FDTD permet de: Calculer le spectre de transmission (excitation par impulsion). Montrer l’interaction entre la lumière injectée et les nanostructures (excitation continue). Paramètres pour les calculs 2D-FDTD : Trous supposés infinis Guides d’onde 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£ 10-17s PML : épaisseur=0.5m FDTD simulation will been used for two reasons : Transmission spectrum  show if a band gap can be found in experimental conditions and find exact parameters that will been used Cartography electromagnetic field and show interaction between… This informations will give a prevue of near-field characterization. I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

Calculs 2D-FDTD Spectre de transmission Spectre de transmission 31/03/2017 Calculs 2D-FDTD Spectre de transmission Polarisation TM Spectre de transmission Polarisation TE Transmission spectra are calculated by 2D-FDTD. Description of simulation : A plane waveguide is defined to guide a single mode to the matrix of holes. Two “time monitors” measure field (Ey for TM polarisation and Hy for TE polarization”) before and after nanostructure. A previously calculated mode (by BPM) is launched in the plane waveguide. For spectra, a pulsed excitation is used. Polarization TE Although Band diagram didn’t show complete bandgaps, a band gap is found for l=0.85 to 0.93µm. Polarization TM A larger bandgap is shown for this polarisation (l=0.80 to 0.93µm). I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

31/03/2017 Calculs 2D-FDTD Distribution en intensité des champs électrique et magnétique (polarisation TE), matrice de 40x40 trous (d=200nm, a=360nm) z x y Second results with FDTD calculations : Field cartography For a wavelength outside previously calculated band gaps, light passes through nanostructures. I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

31/03/2017 Calculs 2D-FDTD Distribution en intensité des champs électrique et magnétique (polarisation TE) z x y For a wavelength took in the band gap, nanostructure stop light propagation and behave like a mirror, reflecting light in the launch guide. Once can see interference fringes. Field intensity decrease as the light penetrate in nanostructure. From 10 periods of holes field intensity have decrease to half of its launched intensity. I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

Partie III Fabrication de nanostructures par FIB 31/03/2017 Partie III Fabrication de nanostructures par FIB

Fabrication des nanostructures 31/03/2017 Fabrication des nanostructures Matrice périodique de trous, maille triangulaire (d=200nm, a=360nm, Profondeur de gravure : 1µm) gravée sur les guides d’onde Utilisation du FIB (Faisceau d’ions focalisé, Focused Ion Beam) Avantages : Haute résolution ('50nm) Système d’imagerie 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) Chosen parameters : those who have shown best results in theorical studies Advantages of FIB …III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…

Première méthode : gravure directe par FIB 31/03/2017 Première méthode : gravure directe par FIB Décrire le schéma Cr thin deposition to spread (distribute) electric charges which come from FIB action. Metallic layer is linked to ground with a silver lacquer point. FIB etching : numerous parameters to examine (FIB dose, passage number, etch time etc…) Substrate is then clean out from metal by Cr etching …III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…

Résultats Matrice de maille triangulaire de 20x20 trous 31/03/2017 Résultats Matrice de maille triangulaire de 20x20 trous Diamètre : 200nm Période : 360nm Profondeur de gravure : 1,2µm) Coupe par FIB Fabricated structures : top image by MEB (40x40 holes matrix) Surface aspect seem good. For better characterization, a cross section is proceeded at the edge of the structure to see holes profile. Cross section (FIB image)  holes depth : 1.2µm Holes shape is not cylindrical as expected and seem conic. Top holes diameter bigger than expected (220nm instead of 200nm) and surface aspect seems damaged. Bottom diameter more little than expected (120nm). This shape seem to be a recurrent default of FIB etching, mostly because of redeposition. More recent FIBs seem to show better resolution (less than 10nm !!!) and so will be more efficient for nanostructuring. An other solution is to use reactive gaz to avoid redeposition. image MEB image FIB …III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…

Autres structures gravées 31/03/2017 Autres structures gravées Matrice triangulaire de 24£48 trous circulaires (d=200nm, a=360nm) avec une ligne de défauts Matrice triangulaire de 24£30 trous circulaires (d=200nm, a=360nm) Images MEB, Gravures réalisées à l’INIST, Strasbourg …III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…

31/03/2017 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 d’un gaz réactif Augmentation du nombre de passages Combinaison FIB-RIE (Reactive Ion Etching) …III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…

Deuxième méthode : action combinée FIB-RIE 31/03/2017 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 …III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Ca…

Premiers essais Gravure du masque métallique par FIB 31/03/2017 Premiers essais Gravure du masque métallique par FIB 20 minutes de gravure RIE Théoriquement : ' 1920nm. Profondeur mesurée à l’AFM : 100nm Nécessité d’une optimisation de la gravure RIE pour les nanostructures. Image FIB …III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Ca…

31/03/2017 Partie IV Caractérisation des nanostructures par microscopie en champ proche

Caractérisation par microscopie en champ proche 31/03/2017 Caractérisation par microscopie en champ proche Dispositif expérimental Fig description : Injection Detection (Stand-alone microscope, servo control)  Microscope has been tested on simple waveguide. …IV Caractérisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV-3 …

Caractérisation en champ proche des guides d’onde optiques 31/03/2017 Caractérisation en champ proche des guides d’onde optiques Images champ proche d’un coupleur (séparés de 8µm) Image topographique (30x30µm²) Image optique correspondante topo/optic Image (single mode multilayer waveguide) Special shape of evanescent wave. Maximum at the center of waveguide and to rebounds at the edge (better shown with sections) Comparaison of theorical optic image at constant distance and experimental image show similar results  Application on nanostructures …IV Caractérisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV…

Caractérisation en champ proche des guides d’onde optiques 31/03/2017 Caractérisation en champ proche des guides d’onde optiques Sections Coupe de l’image optique correspondante Coupe de l’image topographique o y(A) I(U.A.) topo/optic Image (single mode multilayer waveguide) Special shape of evanescent wave. Maximum at the center of waveguide and to rebounds at the edge (better shown with sections) Comparaison of theorical optic image at constant distance and experimental image show similar results  Application on nanostructures x (m) x (m) …IV Caractérisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV…

Caractérisation en champ proche des guides d’onde optiques 31/03/2017 Caractérisation en champ proche des guides d’onde optiques Comparaison Théorie/expérience Image optique expérimentale I(U.A.) I(U.A.) topo/optic Image (single mode multilayer waveguide) Special shape of evanescent wave. Maximum at the center of waveguide and to rebounds at the edge (better shown with sections) Comparaison of theorical optic image at constant distance and experimental image show similar results  Application on nanostructures x (m) x (m) …IV Caractérisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV…

Caractérisation d’une nanostructure sans lacune 31/03/2017 Caractérisation d’une nanostructure sans lacune l=850nm l=900nm Image topographique (5x5µm²) Image optique correspondante 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 Two images (o/t) at two wavelengths, one in band gap, the other outside bandgap Image realised with dielectric tips Topography is not clear, but we can discern nanostructures (between white lines) Light propagation : from top to bottom Optic is very different for the wavelength. The first one show light intensity into structures, light penetrate into structures. In the second image, light intensity has been detect at the enter of holes matrix but disappear rapidly. It’s also interessant to notice fringes into and before structure : multiple reflexion Althought transmission spectrum doesn’t seem to show photonic bandgap effect, a similar phenomenon is observed by near-field characterization. …-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4…

31/03/2017 Caractérisation d’une 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 d’onde Mesure réalisée tous les 25nm entre =700nm et =900nm pour une polarisation TM …ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …

31/03/2017 Caractérisation d’une nanostructure possédant une ligne de trous manquante l=725nm Pertes importantes en entrée de la nanostructure Image Optique correspondante Image Topographique (10x10µm²) …ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …

31/03/2017 Caractérisation d’une nanostructure possédant une ligne de trous manquante Image Optique correspondante Image Topographique (10x10µm²) l=825nm Confinement du champ autour de la ligne de lacunes. …ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …

31/03/2017 Caractérisation d’une nanostructure possédant une ligne de trous manquante Comparaison image expérimentale / simulation FDTD Distribution de l’intensité du champ H, polarisation TM 50£40 trous, maille triangulaire a=360nm, d=200nm =752nm …ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …

Structures sans défaut : 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 d’onde ponctuels

Influence du profil des trous 31/03/2017 Influence du profil des trous Échantillon fabriqué: Redépôt de matière lors du traitement FIB  formes coniques Angle a proche de 2.5°. 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. La profondeur des trous (compromis entre la théorie et les contraintes technologiques) ne permet pas un recouvrement complet des modes guidés Pour le calcul de l’angle : le trou (défini à l’origine pour être un cylindre de 200nm, se retrouve un peu plus large en surface (220nm) et plus fin au fond (100 à 120nm à la profondeur de 1200nm). Si on représente ce trou, il aura la forme d’un cone tronqué : on peu trouvé l’angle a=sin^(-1) (60/1200)=2.8° Un angle >1° est dramatique pour l’effet de band gap, et c’est le cas… Ferrini and al., Appl. Phys. Lett., 82, 7, 2003 …-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4…

31/03/2017 Partie V Application de la méthode de fabrication des nanostructures par FIB au LiNbO3

Contexte Niobate de Lithium, LiNbO3 31/03/2017 Contexte Niobate de Lithium, LiNbO3 Nombreuses propriétés optiques (ferro-électrique, piézo-électrique, électro-optique, photoréfractif, acousto-optique…) Fort indice de réfraction : nLiNbO3, =1.55m¼2.2 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) …érisation des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO3 VI Conclusion…

Existence d’une BIP dans le LiNbO3 Calculs réalisés à l’aide de BeamProp (N. Bodin) Existence d’une BIP TM totale pour d>0,4a Paramètres pour la fabrication : d=0,5a (compromis entre technologie et simulation) 0.321<a<0.349 …érisation des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO3 VI Conclusion…

Fabrication de nanostructures sur LiNbO3 par FIB 31/03/2017 Fabrication de nanostructures sur LiNbO3 par FIB Procédure de gravure directe par FIB Procédure de gravure combinée FIB-RIE …érisation des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO3 VI Conclusion…

Résultats par gravure directe par FIB 31/03/2017 Résultats par gravure directe par FIB Image FIB de la coupe d’une matrice 4£ 4 Diamètre des trous à 1µm de profondeur : 432nm Toujours le problème du redépôt …érisation des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO3 VI Conclusion…

Gravure combinée FIB-RIE 31/03/2017 Gravure combinée FIB-RIE Le FIB ne sert qu’à graver le masque métallique Résultats différents selon le diamètre des trous d1=250nm d2=130nm Images MEB Profondeur de gravure mesuré au bout de 10min de RIE-SF6 : 500nm …érisation des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO3 VI Conclusion…

Partie VI Conclusion et perspectives 31/03/2017 Partie VI Conclusion et perspectives

31/03/2017 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 (LiNbO3) 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) … des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO3 VI Conclusion et perspectives

Perpectives Optimisations nécessaires : 31/03/2017 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 d’une Deep-RIE dédiée au LiNbO3 Caractérisation en champ proche : suppose des guides peu enterrés Réalisation de composants actifs à cristaux photoniques sur LiNbO3 … des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO3 VI Conclusion et perspectives

Quelques exemples de Zone de Brillouin 31/03/2017 Quelques exemples de Zone de Brillouin Zone de Brillouin : cellule élémentaire de l’espace réciproque Pour calculer les diagrammes de bande, il faudrait logiquement s’intéresser à tous les vecteurs de propagations possibles dans la structure. Une autre technique, issue de la Physique des structures, consiste à limiter l’étude à certains vecteurs d’onde compris dans une zone limitée (la zone de Brillouin), en considérant les symétries du cristal. Nous définissons la zone de Brillouin comme étant la cellule… 2D : Réseau carré et triangulaire : direction privilégiée, lettres grecques

Théorie des cristaux photoniques 31/03/2017 Théorie des cristaux photoniques Milieu linéaire, non-absorbant et isotrope Permittivité diélectrique relative, réelle et périodique r( r ) Équations de Maxwell donnent l’équation maître (milieu non-absorbant, linéaire et isotropes): ! Théorème de Floquet-Bloch : Nous nous plaçons dans un milieu L, NA, I Dans de tels matériaux : nous définissons la permittivité relative comme réelle et périodique Grâce aux équations de Maxwell : équation’maître Equation-maitre = equation aux valeur-propre = opérateur vecteur propre Equation-maitre = equation aux valeur-propre Où est fonction de la périodicité du réseau. Permet la simplification de l’équation maître. Obtention des courbes de dispersion ( k ) et des diagrammes de bande (méthode des ondes planes) !

Spectre de transmission expérimental 31/03/2017 Étude spectrale Spectre de transmission expérimental Variation de l=850nm à 980nm Ne montre pas de réelles bandes interdites

Fabrication des guides d’onde 31/03/2017 Fabrication des guides d’onde Guides fabriqués au labo Fabrication réalisée par A. Sabac I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

Eloïse Devaux (INIST, Strasbourg) Andrei Sabac Maria Pilar Bernal 31/03/2017 Remerciements Eloïse Devaux (INIST, Strasbourg) Andrei Sabac Maria Pilar Bernal Nadège Bodin Matthieu Rousset

Calcul des diagrammes de bandes 31/03/2017 Calcul des diagrammes de bandes Theorical study of nanostructures : first step use of RSoft BandSolve to show complete photonic band gaps : give a first rough information on the parameters Second step FDTD (RSoft Fullwave) simulation : will give a better approximation of what will happen in the experimental conditions (light brought to structures by waveguides…) First step : band diagrams in two polarization (TE and TM), for triangular matrix of holes in substrate (nsubstrate=1.53) (diameter of holes = 0.70*period). The first Brillouin zone for this geometry First polarisation TE (E field perpendicular to holes axes) doesn’t show any bandgaps Second polarisation TM (E field parallel to holes axes) shows a very thin complete bandgap for relative frequency a little less than 0.5. Conclusion : low index materials don’t show easily bandgaps but it exists. We will see how nanostructures will behave in restraint experimental conditions. FDTD simulation will give us crucial information. d=0.7a I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…