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 I. II. III. IV. V. VI. 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 I Contexte 5 Les cristaux photoniques Arrangement périodique de matériaux diélectriques ou métalliques. 1D 2D 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 cavity waveguide Cavité I Contexte 3D Guide d’onde I-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 : I Contexte 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-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication … Cristaux photoniques 2D associés à des guides d’onde I Contexte 7 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-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication … 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) 8 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 I Contexte Motivation : positionnement de visu par rapport aux guides, résolution (moins de 50nm), possibilité de gravure directe I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II 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 Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication … 10 Caractéristiques des guides d’onde monomodes de 700 nm à 900 nm (compatible avec le laser titane saphir (700950nm)) Mode Calcul par BPM : Onde évanescente à la surface du guide 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 … 11 Partie II Modélisation 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 : I Contexte neff=1.489 Fabrication d<0.75a II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 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 Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 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 Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures… 15 Calculs 2D-FDTD Utilisation d’un logiciel commercial (FullWave) de FDTD (FiniteDifference Time-Domain) La méthode FDTD permet de: Paramètres pour les calculs 2D-FDTD : I Contexte Calculer le spectre de transmission (excitation par impulsion). Montrer l’interaction entre la lumière injectée et les nanostructures (excitation continue). 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=0.02m t=2.4£ 10-17s PML : épaisseur=0.5m II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures… 16 Calculs 2D-FDTD Spectre de transmission I Contexte Polarisation TM TE II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures… 17 Calculs 2D-FDTD Distribution en intensité des champs électrique et magnétique (polarisation TE), matrice de 40x40 trous (d=200nm, a=360nm) x y I Contexte z II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures… 18 Calculs 2D-FDTD Distribution en intensité des champs électrique et magnétique (polarisation TE) x y I Contexte z II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures… 19 Partie III Fabrication 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 Paramètres III-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 Paramètres III-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 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara… 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 l’INIST, Strasbourg …III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-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 Paramètres III-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 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Ca… 26 Premiers essais Gravure du masque métallique par FIB Image 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. …III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Ca… 27 Partie IV Caractérisation des nanostructures par microscopie en champ proche 28 Caractérisation par microscopie en champ proche Dispositif expérimental …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 29 Images champ proche d’un coupleur (séparés de 8µm) Image topographique (30x30µm²) …IV Caractérisation des nanostructures par SNOM Image optique correspondante IV-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV… Caractérisation en champ proche des guides d’onde optiques 30 Sections Coupe de l’image topographique Coupe de l’image optique correspondante o y(A) I(U.A.) x (m) …IV Caractérisation des nanostructures par SNOM x (m) IV-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV… Caractérisation en champ proche des guides d’onde optiques 31 Comparaison Théorie/expérience Image optique expérimentale I(U.A.) I(U.A.) x (m) …IV Caractérisation des nanostructures par SNOM x (m) IV-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV… 32 Caractérisation d’une nanostructure sans lacune l=850nm l=900nm Image topographique (5x5µm²) Image optique Caractérisation par correspondante 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 l=700nm et l=900nm pour une polarisation TM …-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4… Caractérisation d’une nanostructure possédant une ligne de trous manquante 33 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 l=700nm et l=900nm pour une polarisation TM …ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut … Caractérisation d’une nanostructure possédant une ligne de trous manquante l=725nm Pertes importantes en entrée de la nanostructure Image Topographique (10x10µm²) 34 Image Optique correspondante …ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut … Caractérisation d’une nanostructure possédant une ligne de trous manquante Image Topographique (10x10µm²) 35 Image Optique correspondante 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 … Caractérisation d’une nanostructure possédant une ligne de trous manquante 36 Comparaison image expérimentale / simulation FDTD Distribution de l’intensité du champ H, polarisation TM 50£40 trous, maille triangulaire a=360nm, d=200nm l=752nm …ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut … 37 Discussion Structures sans défaut : Chute de transmission observée à partir de l=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 Échantillon fabriqué: Effet de BIP pour des cristaux photoniques 2D très Redépôt de matière lors du sensibles à de nombreux paramètresFIB introduisant traitement formes principalement des pertes coniques hors-du-plan : Profondeur desde trous : Angle a proche 2.5°. importance du recouvrement entre les trous et le mode guidé La profondeur des trous La forme des trous : forme cylindriqueentre la théorie (compromis Aspect en surface : la et les contraintes surface doit être régulière. technologiques) ne permet pas un recouvrement complet des modes guidés 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… 39 Partie V Application de la méthode de fabrication des nanostructures par FIB au LiNbO3 40 Contexte Niobate de Lithium, LiNbO3 Nombreuses propriétés optiques (ferro-électrique, piézoélectrique, électro-optique, photoréfractif, acousto-optique…) Fort indice de réfraction : nLiNbO3, l=1.55m¼2.2 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) 0.321l<a<0.349l …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 Images MEB d2=130nm 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 VI Conclusion 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 LiNbO 3 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 LiNbO 3 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 nonabsorbant, 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 51 Fabrication des guides d’onde Fabrication réalisée par A. Sabac I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication … 52 Remerciements Eloïse Devaux (INIST, Strasbourg) Andrei Sabac Maria Pilar Bernal Nadège Bodin Matthieu Rousset 53 Calcul des diagrammes de bandes d=0.7a I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…