Cristaux photoniques et Nanophotonique Lu3.2 FABRICATION ET CARACTERISATION DE CAVITES A CRISTAUX PHOTONIQUES FONCTIONNANT DANS LE VISIBLE/PROCHE VISIBLE Céline Vion1, Olivier Gauthier-Lafaye2, Sophie Bonnefont2, Françoise Lozes-Dupuy2 et Agnès Maitre1 1 Institut des NanoSciences de Paris, Unité mixte de Recherche – CNRS 7588, Université Pierre et Marie Curie, Paris 2 LAAS, CNRS, Toulouse [email protected] RESUME Nous présentons la fabrication et la caractérisation de cavités à cristaux photoniques de type L3 (3 trous manquants) dans un guide d'onde en nitrure sur substrat verre. Nous présentons des premiers résultats de caractérisation obtenus sur des membranes non suspendues, obtenus en utilisant une technique originale basée sur un microscope optique couplé à un spectromètre imageur. L'éclairement de l'échantillon est réalisé en injectant de la lumière blanche dans le guide d'onde en nitrure. Les mesures ainsi obtenues sont en excellent accord avec les prédictions théoriques. MOTS-CLEFS : cristaux photoniques, nitrure, diffusion 1. INTRODUCTION Par sa fenêtre de transparence, le nitrure est un matériau très intéressant car il permet la réalisation de cavités à base de cristal photonique fonctionnant dans le spectre visible. D’après des simulations de FDTD à trois dimensions (Finite Difference Time Domain) [1], des cristaux photoniques réalisés dans un guide d'onde en nitrure sur un substrat de verre, possédant des cavités de type L3 (3 trous manquants) avec un paramètre de maille de 325nm, ont un facteur de qualité pouvant atteindre 300 pour des longueur d’ondes voisines de 800nm, et ce bien que l’indice du nitrure de l’ordre de 2 soit peu élevé. Les simulations montrent que des facteurs de qualité de l’ordre de 1000 peuvent être atteints dans ce système, en utilisant des membranes suspendues de Si3N4. Nous simulons et fabriquons des cristaux photoniques en nitrure de contraste d’indice faible, mais fonctionnant dans le domaine visible. Nous les caractérisons ensuite par microscopie spectrométrique. 2. FABRICATION Le cristal photonique est gravé dans une couche mince de nitrure de 280nm déposée par LPCVD sur substrat de verre permettant l’obtention d’un nitrure de bonne qualité [2]. Fig. 1 : Images MEB et AFM d’une cavité dans un cristal photonique de nitrure sur substrat de silice. 45 JNOG, Lannion 2008 Cristaux photoniques et Nanophotonique Lu3.2 Le cristal photonique est défini par lithographie électronique et est ensuite transféré dans les couches nitrure et substrat par gravure ICP. La figure 1 présente la caractérisation par microscopie d’un cristal photonique. De faibles rugosités de surfaces sont obtenues lorsque le masque de gravure utilisé est suffisamment résistant pour être préservé tout au long de la gravure. 3. CARACTERISATIONS OPTIQUES ET CONFRONTATION AUX CALCULS DE DIAGRAMME DE BANDE ET DE FDTD 3D Fig. 2 : Caractérisation optique d’une cavité. : images de cavités obtenues en filtrant la lumière diffusée à 493 nm (gauche) et 724 nm (droite). Expérimentalement, nous caractérisons les cristaux photoniques et effectuons la mesure du facteur de qualité par une technique de microscopie spectroscopique. Nous affranchissons ainsi des méthodes classiques de caractérisation nécessitant des procédés technologiques supplémentaires (utilisation de boîtes quantiques dans le substrat comme source interne de test, gravure d’un guide d’onde à proximité du cristal photonique, pour un couplage évanescent de la lumière). La méthode utilisée consiste à injecter de la lumière blanche dans le guide d’onde de nitrure et à collecter avec un microscope optique couplé à un spectromètre imageur la lumière diffusée : l'information spectrale est obtenue pour chaque pixel de l'image. La zone de mesure est sélectionnée par microscopie avec une résolution spatiale de l’ordre du micromètre et est analysée spectralement dans tout le domaine visible (400-800nm). Nous déterminons ainsi la réponse spectrale du cristal photonique et de la cavité et en déduisons la bande interdite photonique du cristal photonique et les modes de résonance de la cavité. Les résultats sont obtenus en utilisant une technique basée sur un microscope optique couplé à un spectromètre imageur : La figure 2 présente la lumière diffusée par le cristal photonique pour des longueurs d’onde de 493 nm et de 724 nm. On observe nettement la diffusion du cristal photonique dans le bleu, et que la résonance de la cavité photonique à 724 nm. Pour retrouver ces résultats, de nouvelles simulations FDTD 3D sont effectuée pour modéliser le plus précisément possible l’expérience. Dans les simulations une source gaussienne large spectralement est injectée par la tranche, un détecteur placé au dessus de la cavité permet de mesurer la lumière diffusée. Sur la figure 3, le spectre expérimental en rouge est confronté aux calculs de diagramme de bande et de FDTD 3D en prenant une épaisseur de nitrure de 180nm (correspondant à l’épaisseur mesurée par ellipsométrie sur l’échantillon) et un facteur de remplissage de 45%. La bande interdite photonique expérimentale est bien positionnée au bon endroit par rapport au diagramme de bande. Sur le spectre expérimental, le mode de cavité (flèche rouge) est légèrement décalé par rapport au mode de cavité obtenu par FDTD (flèche verte). L’ajustement des résultats théoriques aux mesures spectrales permettra de déterminer les paramètres réels du cristal photonique tel que le facteur de remplissage ou la forme des trous. 46 JNOG, Lannion 2008 Cristaux photoniques et Nanophotonique Lu3.2 Fig. 3 : Caractérisation optique d’une cavité. (a) Diagramme de bande d’un cristal sans défaut (b) Spectre de la lumière diffusée par le défaut mesuré par microscopie. (c) Simulations FDTD 3D du spectre diffusé par la cavité et répartition d’intensité du mode confiné dans le défaut. CONCLUSION Nous avons réalisé des cristaux photoniques à base de nitrure fonctionnant dans le visible (720 nm). Nous avons caractérisé le gap, le mode et le facteur de qualité de ces structures photoniques par une méthode originale de microscopie couplée à un spectroscope imageur. Les spectres réalisés ont montré un bon accord avec les prédictions théoriques obtenues par des calculs de diagrammes de bande et de FDTD à trois dimensions. Par un ajustement précis des paramètres de simulation pour la FDTD, les caractéristiques géométriques du cristal photonique peuvent être déterminées précisément La prochaine génération de cristaux photoniques dans le visible; utilisera des membranes suspendues de Si3N4, pour lesquelles des facteurs de qualité de l'ordre de 1000 peuvent être attendus. RÉFÉRENCES [1] Johnson, S. G. & Joannopoulos, J. D. Block-iterative frequency-domain methods for Maxwell's equations in a planewave basis Opt. Express, 2001, 8, 173-190 [2] O. Gauthier-Lafaye, D. Mulin, S. Bonnefont, X. Checoury, J. Lourtioz, A. Talneau, & F. Lozes-Dupuy. Highly monomode W1 waveguide square lattice photonic crystal lasers IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 2005, 17, 1587-1589. 47 JNOG, Lannion 2008