Lentille plane à base de cristaux Lentille plane à base de cristaux photoniques : conception et fabricationphotoniques : conception et fabrication

Photonic crytal flat lens : design and fabricationPhotonic crytal flat lens : design and fabrication

O. Vanbesien, N. Fabre, X. Mélique, D. Lippens.O. Vanbesien, N. Fabre, X. Mélique, D. Lippens.

Institut d’électronique, de Microélectronique et de NanotechnologieInstitut d’électronique, de Microélectronique et de NanotechnologieUMR CNRS 8520, Université des Sciences et Technologies de LilleUMR CNRS 8520, Université des Sciences et Technologies de LilleAvenue Poincaré, BP 60069Avenue Poincaré, BP 6006959655 VILLENEUVE D ’ASCQ Cedex59655 VILLENEUVE D ’ASCQ Cedex

Contexte : du rêve à la réalité Contexte : du rêve à la réalité

En optique : du principe de la « superlentille »En optique : du principe de la « superlentille »

......

n = -1 et z = 1 / = -1 et µ = -1

réfraction négative / rétropropagation(changement de signe de la vitesse de phase)

en théorie :- résolution parfaite- amplification des ondes évanescentes

Contexte : du rêve à la réalité Contexte : du rêve à la réalité

… … à la réalité expérimentaleà la réalité expérimentale

...... mise en évidence de la réfraction négative

focalisationdans la lentilleen régime deréfractionnégative

résolution :1.3 à la premièrerefocalisation

SommaireSommaire

1.1. Cristaux photoniques et réfraction négativeCristaux photoniques et réfraction négative1.1. généralités - réfraction négativegénéralités - réfraction négative2.2. la lentille et son environnementla lentille et son environnement

2.2. Fabrication d ’un prototypeFabrication d ’un prototype

3.3. Conclusions et prospectivesConclusions et prospectives

1.1. Cristaux photoniques et réfraction Cristaux photoniques et réfraction négativenégative

OutilOutil Type PCType PC Réseau Réseau MatériauMatériau

DescriptionDescription Logiciel Rsoft Logiciel Rsoft >Fullwave >Fullwave >Bandsolve>Bandsolve

(2D)(2D)

Réseau deRéseau de

trous d ’airtrous d ’air

dans un SCdans un SC

TriangulaireTriangulaire InPInP

IntérêtIntérêt Rapide,Rapide,

pratique pratique

FaisabilitéFaisabilité

technolo-technolo-giquegique

Haut degréHaut degré

d’isotropied’isotropie

HétérostructureHétérostructure

confinanteconfinante

λλ télécoms télécoms

GénéralitésGénéralités

1.1. Cristaux photoniques et réfraction Cristaux photoniques et réfraction négativenégative

Structure de bandeStructure de bande

Cellule unitaire

Première zone de

Brillouin

1.1. Cristaux photoniques et réfraction Cristaux photoniques et réfraction négativenégative

Structure de bande TEStructure de bande TE

Période ~ 495 nmDiamètre ~ 355 nm Taux remplissage en air : 47 %

Extraction du n à partir des iso-fréquences : n ~ -1 à = 1.55 µm

Inversion de la courbure en seconde bande :

vg opposée à v

Guide d’onde de Guide d’onde de largeur variablelargeur variable

terminé par un trouterminé par un troudiffractant ( ~ diffractant ( ~ /10) /10)

(L = 30 (L = 30 µm, l = 12 µm)µm, l = 12 µm)

Source “ponctuelle”Source “ponctuelle”

Effets d’ombre à éviterEffets d’ombre à éviterPertes à optimiserPertes à optimiser

1.1. Cristaux photoniques et réfraction Cristaux photoniques et réfraction négativenégative

Choix d ’une sourceChoix d ’une source

Instantanés : Instantanés : t~15fst~15fs

1.1. Cristaux photoniques et réfraction Cristaux photoniques et réfraction négativenégative

Cartographie de champ électriqueCartographie de champ électrique

Reconstruction de l’image de la source dans et derrière la lentille (en champ proche : distance source lentille ~ n ~ -1 mais z 1 : forte réflexion (forte dépendance en fonction de l’angled ’incidence)

optimisation de la résolution à mener

Résine négative à haute résolutionRésine négative à haute résolution Degré de viscosité permettant des épaisseurs de Degré de viscosité permettant des épaisseurs de

résine compatibles aves la gravure profonderésine compatibles aves la gravure profonde

Résine HSQRésine HSQ

résine dépôt tournette

litho électronique (spot<10nm)

Révélation

base KOH

Zone écrite

1.1. Fabrication d ’un prototypeFabrication d ’un prototype

Deux étapes : - lithographie électronique- gravure profonde

Un seul niveau de masque

Dureté suffisante pour servir de masque à l ’attaque

Oxydation par plasma O2 (P=80W,Pr=50mT, T=10min)Sélectivité HSQ / III-V ~ 8

D. Lauvernier , S. Garidel, C. Legrand, J-P. Vilcot, “Realization of sub-micron patternson GaAs using a HSQ etching mask,” Microelectronic Engineering 77 (2005)

Résine HSQRésine HSQ

Inorganique

1.1. Fabrication d ’un prototypeFabrication d ’un prototype

Lithographie électroniqueLithographie électronique

1.1. Fabrication d ’un prototypeFabrication d ’un prototype

Prise en compte des effets de proximité(par simulation Monte-Carlo)

Variations de doses adaptées à la géométrie locale

Heterostructure InP/InGaAsPHeterostructure InP/InGaAsP : confinement du champ : confinement du champ optique par une strucutre multicoucheoptique par une strucutre multicouche

longueur d ’onde visée : longueur d ’onde visée : 1,551,55µmµm Profondeur de gravure permettant une capture qusi-Profondeur de gravure permettant une capture qusi-

complète du champ dans la direction transverse : complète du champ dans la direction transverse : > 2µm> 2µm

Gravure profondeGravure profonde

M. Mulot, S. Anand, M. Swillo, M. Qiu, B. Jaskorzynska, and A.Talneau, “Low loss InP-based photonic crystal waveguides etched with Ar/Cl chemical assisted ion beam etching,” in Proc. ECOC’01, vol. 6.

Champ optique

InP (200 nm) InGaAsP (500 nm)

z

1.1. Fabrication d ’un prototypeFabrication d ’un prototype

Gravure ICP (anisotropie, vitesse gravure)Gravure ICP (anisotropie, vitesse gravure)

Gaz : Gaz : CHCH44/H/H22; Cl; Cl2 2

1.1. Fabrication d ’un prototypeFabrication d ’un prototype

Gravure profondeGravure profonde

Vitesse de gravure :~ 400 nm/minSelectivité~ 8 Flancs de gravureFaible rugosité, anisotrope Aspect ratio ~ 8

Cristal photonique après gravureCristal photonique après gravure

• La correction d eproximité est efficace

• Le masque HSQ est de bonne qualité

1.1. Fabrication d ’un prototypeFabrication d ’un prototype

Démonstration numérique en 2D de la possibilité de Démonstration numérique en 2D de la possibilité de fabriquer une lentille plane à base de cristaux fabriquer une lentille plane à base de cristaux photoniquesphotoniques

Fabrication d ’un dispositif à partit d ’une cristal Fabrication d ’un dispositif à partit d ’une cristal photonique (réseaux de trous d ’air dans une photonique (réseaux de trous d ’air dans une hétérostructure semiconductrice pour fonction-hétérostructure semiconductrice pour fonction-nement à 1.55 µm. Environnement adapté pour nement à 1.55 µm. Environnement adapté pour caractérisation SNOM.caractérisation SNOM.

1.1. ConclusionsConclusions

Ensuite...

1.1. ProspectivesProspectives

En théorie… en 2D : approche paramétrique détaillée (épaisseur lentille,position de la source, adaptation d ’impédance, …) .Comment s’approcherde la super-lentille(est-ce possible ?) ?

approches tridimensionnelles complètes (ressources)

1.1. ProspectivesProspectives

Expérimentalement …

Caractérisation en SNOM (en collaboration avec L. Lalouat etF. de Fornel - LPUB - Université de Dijon

La topographie du réseau a étéréalisée avec succès

Premières mesuresen focalisationencourageantes maisà confirmer...

Groupe DOME - IMEN : N. Fabre, X. Mélique, and D. Lippens.

Groupe LPUB - Dijon : L. Lalouat et F. De Fornel.

C. Legrand (Chimie-Plasma) , M. Muller et M. Francois (Lithographie- Masqueur electronique)

DES QUESTIONS ?

1.1. Remerciements...Remerciements...