Etude en champ proche optique de guides à cristaux photoniques

N° d’ordre : 06 ISAL0090 Année 2006
Thèse
Etude en champ proche optique
de guides à cristaux photoniques
sur SOI
Présentée devant
L’institut national des sciences appliquées de Lyon
Pour obtenir
Le grade de docteur
École doctorale: Electronique, Electrotechnique et Automatisme de Lyon
Spécialité : Dispositifs de l'Electronique Intégrée
Par
Delphine NEEL
Ingénieur de l'Ecole Centrale de Lyon
Soutenue le 21 Novembre 2006 devant la Commission d’examen
Jury
Mr. Henry BENISTY Professeur Rapporteur
Mr. Gilles LERONDEL Professeur Rapporteur
Mr. Dries VAN THOURHOUT Professeur Examinateur
Mme Frédérique DE FORNEL Directrice de recherche Examinatrice
Mr. Gérard GUILLOT Professeur Examinateur
Mr. Taha BENYATTOU Chargé de recherche Directeur de thèse

Table des matières
1
Table des matières
Table des matières ____________________________________________ 1
Introduction__________________________________________________ 5
Chapitre I - Les cristaux photoniques_____________________________ 9
1 - Les cristaux photoniques 3D ________________________________________ 10
2 - Les cristaux photoniques 2D idéaux __________________________________ 11
3 - Les cristaux photoniques 2D en géométrie guide d'onde _________________ 13
3 - 1 - La ligne de lumière___________________________________________ 13
3 - 2 - Approche membrane ou substrat ________________________________ 15
3 - 3 - Modes de défauts ____________________________________________ 16
3 - 4 - Guides d'onde à cristaux photoniques ____________________________ 16
4 - Fabrication des cristaux photoniques _________________________________ 19
4 - 1 - Lithographie ________________________________________________19
4 - 2 - Gravure____________________________________________________ 21
4 - 3 - Bilan: les différences étapes de fabrication d'un cristal photonique 2D___ 23
5 - Méthodes de simulation ____________________________________________ 24
5 - 1 - Rappels sur les équations de Maxwell ____________________________ 24
5 - 2 - Propagation dans un milieu périodique - Théorème de Bloch __________ 25
5 - 3 - La méthode des ondes planes ___________________________________ 26
5 - 4 - La méthode FDTD ___________________________________________ 27
6 - Conclusion _______________________________________________________ 28
Chapitre II - La microscopie en champ proche optique _____________ 31
1 - Les principes de la microscopie en champ proche optique ________________ 32
1 - 1 - Limite de résolution optique____________________________________ 32
1 - 2 - Notion de champ proche_______________________________________ 33
1 - 3 - Historique de la microscopie en champ proche optique_______________ 38
1 - 4 - Les différentes configurations __________________________________ 40
1 - 5 - L'asservissement_____________________________________________ 44
2 - Les pointes SNOM et leur fabrication_________________________________ 45
2 - 1 - Méthodes de fabrication _______________________________________ 45
2 - 2 - Métallisation ________________________________________________ 50
3 - Conclusion _______________________________________________________ 51
Chapitre III - Techniques expérimentales ________________________ 53
1 - Montage SNOM expérimental _______________________________________ 53
1 - 1 - Description générale__________________________________________ 53
1 - 2 - L'asservissement shear-force ___________________________________ 55

Table des matières
2
1 - 3 - Adaptation pour l'étude de guides d'onde _________________________ 58
1 - 4 - Vue d'ensemble du montage expérimental ________________________ 58
1 - 5 - Choix des paramètres d'acquisition______________________________ 60
2 - La fabrication des pointes SNOM ___________________________________ 61
2 - 1 - Contexte __________________________________________________ 61
2 - 2 - Attaque chimique avec et sans gaine_____________________________ 62
2 - 3 - Etirage au centre Nanoptec ____________________________________ 64
2 - 4 - Métallisation _______________________________________________ 65
2 - 5 - Comparaison des différents types de pointes ______________________ 65
3 - Conclusion ______________________________________________________ 68
Chapitre IV - Le guidage – Etude d'une structure simple: le guide W1 69
1 - Caractéristiques du guide W1 étudié _________________________________ 70
1 - 1 - Description de l'échantillon____________________________________ 70
1 - 2 - Etude numérique préliminaire__________________________________ 71
2 - Etude en champ proche optique _____________________________________ 71
2 - 1 - Etude des ondes de Bloch _____________________________________ 71
2 - 2 - Relation de dispersion expérimentale ____________________________ 74
2 - 3 - Etude à hauteur constante _____________________________________ 76
3 - Conclusion ______________________________________________________ 80
Chapitre V - Le couplage ______________________________________ 81
1 - Introduction _____________________________________________________ 81
2 - Couplage entre guide diélectrique et guide à cristal photonique __________ 82
2 - 1 - Les tapers planaires __________________________________________ 83
2 - 2 - Description des structures _____________________________________ 84
2 - 3 - Spectres en transmission ______________________________________ 86
2 - 4 - Etude champ proche _________________________________________ 88
2 - 5 - Conclusion_________________________________________________ 99
3 - Couplage entre guide à cristal photonique et guide à cavités couplées_____ 100
3 - 1 - Principe de fonctionnement___________________________________ 100
3 - 2 - Description des structures ____________________________________ 102
3 - 3 - Spectres en transmission _____________________________________ 103
3 - 4 - Mesure des pertes par propagation dans les cavités par SNOM _______ 105
3 - 5 - Conclusion________________________________________________ 112
4 - Conclusion générale sur les deux parties_____________________________ 113
Chapitre VI - Le démultiplexage_______________________________ 115
1 - Coupleurs directionnels et démultiplexage ___________________________ 116
1 - 1 - Les cristaux photoniques pour le démultiplexage__________________ 116
1 - 2 - Principe du coupleur directionnel ______________________________ 116
2 - Conception _____________________________________________________ 117
2 - 1 - Description des structures ____________________________________ 118
2 - 2 - Simulations _______________________________________________ 118

Table des matières
3
3 - Résultats expérimentaux __________________________________________ 122
3 - 1 - Observations MEB __________________________________________ 122
3 - 2 - Spectres en transmission______________________________________ 122
3 - 3 - Images SNOM sur échantillons non encapsulés____________________ 124
4 - Conclusion ______________________________________________________ 127
Conclusion _________________________________________________ 129
Annexe ____________________________________________________ 133
Bibliographie _______________________________________________ 135