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Frédéric Lacour 22 Février 2005

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. Introduction.

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Frédéric Lacour 22 Février 2005

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  1. 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

  2. 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.

  3. 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

  4. Partie IContexte

  5. 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 • Introduction de lacunes ou de défauts : possibilité de confinement Guide d’onde Cavité I ContexteI-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

  6. 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 I ContexteI-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

  7. 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) • Simulations préliminaires : coupleur  configuration ambitieuse et complexe • Choix des structures  validation de la fabrication de nanostructures par FIB I ContexteI-1 Les cristaux photoniquesI-2 Configuration adoptéeII Modélisation des nanostructures III Fabrication …

  8. 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 I ContexteI-1 Les cristaux photoniquesI-2 Configuration adoptéeII Modélisation des nanostructures III Fabrication …

  9. 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 I ContexteI-1 Les cristaux photoniquesI-2 Configuration adoptéeII Modélisation des nanostructures III Fabrication …

  10. 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 : • Découpe des échantillons à la scie (Disco DAD400)  évite le polissage I ContexteI-1 Les cristaux photoniquesI-2 Configuration adoptéeII Modélisation des nanostructures III Fabrication …

  11. Partie IIModélisation des nanostructures

  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 : • neff=1.489 • Fabrication  d<0.75a I ContexteII Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

  13. Calcul des diagrammes de bandes • Paramètres : • Choix d’une matrice à maille triangulaire • d=0.7a ! Polarisation TE : Champ E parallèle à l’axe des structures I ContexteII Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

  14. Calcul des diagrammes de bandes • Paramètres : • Choix d’une matrice à maille triangulaire • d=0.7a ! Polarisation TM : Champ H parallèle à l’axe des structures I ContexteII Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

  15. 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 I ContexteII Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTDIII Fabrication de nanostructures…

  16. Calculs 2D-FDTD • Spectre de transmission • Polarisation TM • Spectre de transmission • Polarisation TE I ContexteII Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTDIII Fabrication de nanostructures…

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

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

  19. Partie IIIFabrication de nanostructures par FIB

  20. 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) …III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 ParamètresIII-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…

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

  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 Fabrication de nanostructures par FIB III-1 ParamètresIII-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…

  23. 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 ParamètresIII-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…

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

  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 …III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 ParamètresIII-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIEIV Ca…

  26. 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 ParamètresIII-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIEIV Ca…

  27. Partie IVCaractérisation des nanostructurespar microscopie en champ proche

  28. Caractérisation par microscopie en champ proche • Dispositif expérimental …IV Caractérisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif expérimentaleIV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV-3 …

  29. Caractérisation en champ proche des guides d’onde optiques • Images champ proche d’un coupleur (séparés de 8µm) • Image optique correspondante • Image topographique (30x30µm²) …IV Caractérisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif expérimentaleIV-2 Caractérisation de guides d’ondesIV…

  30. 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.) x (m) x (m) …IV Caractérisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif expérimentaleIV-2 Caractérisation de guides d’ondesIV…

  31. Caractérisation en champ proche des guides d’onde optiques • Comparaison Théorie/expérience • Image optique expérimentale I(U.A.) I(U.A.) x (m) x (m) …IV Caractérisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif expérimentaleIV-2 Caractérisation de guides d’ondesIV…

  32. Caractérisation d’une nanostructure sans lacune • l=900nm • l=850nm • 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 …-1 Dispositif expérimentaleIV-2 Caractérisation de guides d’ondesIV-3 Caractérisation de nanostructures sans défautIV-4…

  33. 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 …ondesIV-3 Caractérisation de nanostructures sans défautIV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut…

  34. Image Topographique (10x10µm²) • Image Optique correspondante Caractérisation d’une nanostructure possédant une ligne de trous manquante • l=725nm • Pertes importantes en entrée de la nanostructure …ondesIV-3 Caractérisation de nanostructures sans défautIV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut…

  35. Image Topographique (10x10µm²) • Image Optique correspondante Caractérisation d’une nanostructure possédant une ligne de trous manquante • l=825nm • Confinement du champ autour de la ligne de lacunes. …ondesIV-3 Caractérisation de nanostructures sans défautIV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …

  36. 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 …ondesIV-3 Caractérisation de nanostructures sans défautIV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut…

  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 d’onde ponctuels

  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 a 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 …-1 Dispositif expérimentaleIV-2 Caractérisation de guides d’ondesIV-3 Caractérisation de nanostructures sans défautIV-4…

  39. Partie VApplication de la méthode de fabrication des nanostructures par FIB au LiNbO3

  40. 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…

  41. 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…

  42. 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…

  43. 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…

  44. 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…

  45. Partie VIConclusion et perspectives

  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 (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

  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 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

  48. Quelques exemples de Zone de Brillouin • Zone de Brillouin : cellule élémentaire de l’espace réciproque

  49. 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 : 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) !

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

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