Réalisation d`un banc de caractérisations optiques de couches

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Rapport de stage
Master 2 Optique, Matière, et Plasma
Parcours Optique et Photonique
Université Denis Diderot Paris 7
Réalisation d’un banc de
caractérisations optiques de couches
minces et de structures photoniques
par
Quentin Ripault
Responsables de stage :
A. Fisher (MC), A. Martinez – Gil (MC) et A. Boudrioua (Pr.)
Equipe LUMEN
Laboratoire de Physique des Lasers
Unité mixte du CNRS – Université Paris Nord

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Remerciements
Je tiens tout d’abord à remercier Azzedine Boudriouat, Alexis Fisher et Amanda Martinez-Gil
pour l’accueil qu’ils m’ont réservé ainsi que le soutien et les connaissances qu’ils m’ont
apportés tout au long de mon stage.
Je n’oublie pas non plus leurs grandes patiences ainsi que la confiance qui m’a été accordé
lorsqu’ils m’ont proposé de participer à leurs travaux de recherche.
Un grand merci à tous les membres de l’équipe LUMEN, en particulier Sebastien Chénais,
Sebastien Forget, Melanie Lebental, Philippe Taillepierre et Laurent Philippet qui m’ont
également initié au travail de recherche et beaucoup appris durant mon stage.
Je remercie tout particulièrement Albert Kaladjan et Michel Fosse de l’atelier mécanique de
l’Institut Galilée qui m’ont apportés leurs concours à la conception du banc.

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Table des matières
Introduction …………………………………………………………………………………..4
Chapitre 1 : Rappels Théoriques ……………………………………………….5
1.1. Introduction à l’optique intégrée …………………………………………………………...5
1.1.1. Rappel théorique sur les guides d’ondes …………………………………………......5
1.1.2. Résolution des équations de Maxwell par méthode analytique ……………………...6
1.2. Matériaux et fabrication …………………………………………………………………...12
1.2.1. Propriété des résines organiques ………………………………………………….....12
1.2.2. Processus de fabrication des couches minces …………………………………….....12
1.2.3. Procédés par échange ionique …………………………………………………….....14
Chapitre 2 : Le montage expérimental ……………………………………….15
2.1. La spectroscopie m-line………………………………………………………………........15
2.1.1. Le couplage par prisme ... ….………………………………………………………..15
2.1.2. Le dispositif de mesure…………………………………………………………........17
2.2. Le montage expérimental réalisé ………………………………………………….…........19
2.2.1. Vue d’ensemble………………………………………………………………...........19
2.2.2. Arrangements expérimentaux …………………………………………………….....20
2.2.3. Evaluation de l’indice et de l’épaisseur des couches minces…………………..…….22
2.2.4. Le couplage transversal par la tranche………………………………………….........24
Chapitre 3 : Résultats et discussion (Tests et qualifications) ……………….25
3.1. Caractérisation de couches minces avec le METRICON prisme coupler …………….......25
3.1.1. Mesure de l’indice du substrat …………………………………………………........25
3.1.2. Caractérisation de structures guidantes ……………………………………………..27
3.2. Caractérisation des couches minces avec le banc m-lines …………………………….......31
3.2.1. Observation des lignes noires ………………………………………………….........31
3.2.2. Précision de la mesure …………………………………………………………........32
3.2.3. Le couplage par la tranche …………………………………………………………..33
Conclusion …………………………………………………………………………………..34
Annexe A : Programmes effectués sur MATLAB …………………………………………….35
Annexe B : Caractérisation de l’épaisseur avec le profilomètre ………………………….......37
Annexe C: Complément d’information sur la résine Shipley ……………………………........39
Bibliographie ……………………………………………………………………………….40

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Introduction
Le progrès dans le domaine de l’optique est incontestablement déterminé par la fabrication et la
caractérisation de structures photoniques de manipuler la lumière à l’échelle micro et nanométrique. Par
exemple, les guides d'ondes optiques constituent l'élément de base de tout circuit optique intégré (COI).
De plus, la possibilité de réaliser des structurer à l'échelle micro et nano métrique (sub-micrométrique)
permet d'une part d'ajuster leurs propriétés optiques linéaires et non linéaires aux applications envisagées
et d'autre part de mettre au point des nouveaux composants photoniques pour manipuler la lumière.
Par ailleurs, dans le contexte de l’optoélectronique organique de nombreux matériaux organiques
deviennent intéressant à étudier et à intégrer dans l’optique guidée.
Cependant, avant toute utilisation pratique de ces structures, il est nécessaire de se rendre compte de leurs
propriétés optiques. Pour cela, plusieurs techniques de caractérisation peuvent être envisagées. Ainsi
pour la mesure de l’épaisseur de guide, il est possible d’utiliser la mesure profilométrique, des méthodes
réfractométriques par rayons X rasant ou par ellipsométrie à annulation, ou encore la spectroscopie par
transmission (méthode pratique dans le cas de couches minces absorbantes). Pour la mesure d’indice des
méthodes comme la technique angulaire de Brewster ou l’ellipsométrie peuvent être employées.
Par ailleurs, l’utilisation optimale des potentialités de la technique m-lines permet une caractérisation
complète des structures guidantes sous forme de couches minces ou de guides obtenus dans des
monocristaux.
Cette technique ‘classique’ si elle est utilisée dans des conditions optimales peut se révéler un outil de
caractérisation très performant. Ce montage peut être utilisé en configuration lignes noires ou lignes
brillantes et il peut être associé à un montage de couplage découplage par la tranche afin d’utiliser
efficacement le potentiel fabuleux qu’offre cet outil de caractérisation de couches minces.
Parmi les investigations que l’on peut réaliser, on peut citer :
- Détermination des profils d’indices ( no et ne ) et de l’épaisseur.
- Mesure des pertes optiques.
- Etude de l’anisotropie optique parallèlement et perpendiculairement au plan de la couche mince.
On peut également envisager des études de type mesure des coefficients électrooptiques et optiques non
linéaires. De plus, ce type de montage peut être également utilisé pour la caractérisation de cristaux
photoniques.
Dans cette optique, mon travail de stage de Master 2 porte sur la réalisation d’un montage expérimental
utilisant la spectroscopie m-lines et le couplage-découplage par la tranche pour la caractérisation de
structures guidantes et photoniques.
Ce travail a été réalisé au sein de l’équipe LUMEN du laboratoire de Physique des Lasers à l’Université
Paris 13 (Villetaneuse). Les activités de l’équipe LUMEN porte essentiellement sur l’étude des diodes
électroluminescentes organiques (OLED). Plus récemment, cette équipe s’est intéressé à l’utilisation de
cristaux photoniques afin d’améliorer les performances des OLEDs.
La première partie porte sur une étude bibliographique cernant la problématique, les contraintes liées au
montage d’un tel banc associant deux systèmes :
- Le montage m-line de couplage longitudinal par prisme.
- un système de couplage et de découplage par la tranche, permettant d’observer le caractère guidant
d’une couche mince et de quantifier les pertes optiques…
La deuxième partie présente la prise en main expérimentale du système de couplage par prisme en
utilisant le Metricon (Modèle S2010/M), instrument de mesure utilisant le principe m-line par réflexion.
L’avantage de disposer de ce type d’instrument est qu’il est possible de comparer les performances du
montage à réaliser.
Enfin, la dernière partie de ce travail porte sur le test et la qualification du banc réalisé. Pour cela, nous
avons utilisé des couches minces polymères déposées par la tournette ainsi que des guides d’ondes de
LiNbO3. A noter que nous avons également réalisé des programmes informatiques pour analyser les
résultats obtenus.

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Chapitre 1
Rappels Théoriques
1.1. Introduction à l’optique intégrée
1.1.1. Rappels théoriques sur les guides d’ondes
Un guide d’onde plan est constitué d’une couche guidante d’indice 1 n et d’épaisseur d, d’un substrat
d’indice connue 2
net d’un superstrat d’indice a n (celui de l’air).
Figure 1.1 : Guide d’onde plan. La couche guidante doit avoir un indice de réfraction supérieure à ceux du
substrat et superstrat pour pouvoir confiner et propager l’onde.
Le confinement de l’onde optique se fait par réflexions totales internes aux interfaces guide-substrat et
guide-superstrat, avec comme condition :
1
n > 2 n > a n
Dans ce cas, il existe un angle limite c
θ
tel que pour tout cc Θ−=≤ 2
π
θθ , avec ⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=Θ −
1
2
1
sin n
n
c il y
aura réflexion totale. De plus, l’angle t
Θ
de l’onde transmise est complexe dans le substrat et le
superstrat.
Par conséquent, pour une propagation suivant Oz, l’onde décroît exponentiellement dans la direction Ox
(onde évanescente).
z
x