Fabrication et caractérisation de cavités à cristaux

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
1Institut 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.
Cristaux photoniques et NanophotoniqueLu3.2
45JNOG, Lannion 2008

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.
Cristaux photoniques et NanophotoniqueLu3.2
46JNOG, Lannion 2008

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.
Cristaux photoniques et NanophotoniqueLu3.2
47JNOG, Lannion 2008