Soutenance-Lacour - TEL (Thèses-en

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=0.02m
t=2.4£ 10-17s
PML : épaisseur=0.5m
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=1.55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)
0.321l<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…