soutenance lacour

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Propagation de la Propagation de la lumière dans les lumière dans les nanostructures et les nanostructures et les cristaux photoniques cristaux photoniques planaires associés aux planaires associés aux guides d’onde : guides d’onde : fabrication et fabrication et caractérisation caractérisation Frédéric Lacour 22 Février 2005

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Page 1: Soutenance Lacour

Propagation de la lumière Propagation de la lumière dans les nanostructures et dans les nanostructures et les cristaux photoniques les cristaux photoniques planaires associés aux guides planaires associés aux guides d’onde : fabrication et d’onde : fabrication et caractérisationcaractérisation

Frédéric Lacour

22 Février 2005

Page 2: Soutenance Lacour

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.

Page 3: Soutenance Lacour

3

Plan de l’exposéI. ContexteII. Modélisation des nanostructuresIII. Fabrication de nanostructures par

FIBIV. Caractérisation des nanostructures

par microscopie en champ procheV. Application des méthodes de

fabrication par FIB au LiNbO3

VI. Conclusion et perspectives

Page 4: Soutenance Lacour

4

Partie IPartie IContexteContexte

Page 5: Soutenance Lacour

5

Les cristaux photoniques Arrangement périodique de matériaux diélectriques ou métalliques.

1D 3D2D

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 confinementwaveguidecavity

Cavité Guide d’onde

I Contexte I-1 Les cristaux photoniquesI-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

Page 6: Soutenance Lacour

6Les cristaux photoniques bidimensionnels

Deux types :

Structures « connectées »

Structures « déconnectées »

Applications à l’optique intégrée planaire : 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 Contexte I-1 Les cristaux photoniquesI-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

Page 7: Soutenance Lacour

7Cristaux photoniques 2D associés à des guides d’onde

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 Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptéeI-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

Page 8: Soutenance Lacour

8Fabrication 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)

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 Motivation : positionnement de visu par rapport aux guides,

résolution (moins de 50nm), possibilité de gravure directe

I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptéeI-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

Page 9: Soutenance Lacour

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 adoptéeI-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

Page 10: Soutenance Lacour

10

Caractéristiques des guides d’onde monomodes de 700 nm à

900 nm (compatible avec le laser titane saphir (700-950nm))

Découpe des échantillons à la scie (Disco DAD400) évite le polissage

Onde évanescente à la surface du guide

Mode Calcul par BPM :

I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptéeI-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

Page 11: Soutenance Lacour

11

Partie IIPartie IIModélisation des Modélisation des nanostructuresnanostructures

Page 12: Soutenance Lacour

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 : neff=1.489 Fabrication d<0.75a

I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIPII-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

Page 13: Soutenance Lacour

13

Calcul des diagrammes de bandes

Paramètres : Choix d’une matrice à

maille triangulaire d=0.7a

Polarisation TE : Champ E parallèleà l’axe des structures

!

I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIPII-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

Page 14: Soutenance Lacour

14

Calcul des diagrammes de bandes

Polarisation TM : Champ H parallèleà l’axe des structures

!

Paramètres : Choix d’une matrice à

maille triangulaire d=0.7a

I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIPII-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

Page 15: Soutenance Lacour

15

Calculs 2D-FDTD Utilisation d’un logiciel commercial (FullWave) de FDTD

(Finite-Difference Time-Domain) La méthode FDTD permet de:

Calculer le spectre de transmission (excitation par impulsion).

Montrer l’interaction entre la lumière injectée et les nanostructures (excitation continue).

Paramètres pour les calculs 2D-FDTD : 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=0.02m t=2.4£ 10-17s PML : épaisseur=0.5m

I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTDII-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

Page 16: Soutenance Lacour

16

Calculs 2D-FDTD Spectre de transmission

Polarisation TE Spectre de transmission

Polarisation TM

I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTDII-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

Page 17: Soutenance Lacour

17

Calculs 2D-FDTD Distribution en intensité des champs électrique et

magnétique (polarisation TE), matrice de 40x40 trous (d=200nm, a=360nm)

z

x

y

I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTDII-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

Page 18: Soutenance Lacour

18

Calculs 2D-FDTD Distribution en intensité des champs électrique et magnétique

(polarisation TE)

z

x

y

I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTDII-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…

Page 19: Soutenance Lacour

19

Partie IIIFabrication de nanostructures

par FIB

Page 20: Soutenance Lacour

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 ParamètresIII-1 Paramètres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…

Page 21: Soutenance Lacour

21

Première méthode : gravure directe par FIB

…III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramètres III-2 Gravure directeIII-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…

Page 22: Soutenance Lacour

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 directeIII-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…

Page 23: Soutenance Lacour

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 directeIII-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…

Page 24: Soutenance Lacour

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 directeIII-2 Gravure directe III-3 Gravure combinée FIB-RIE IV Cara…

Page 25: Soutenance Lacour

25Deuxième 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-RIEGravure combinée FIB-RIE IV Ca…

Page 26: Soutenance Lacour

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-RIEGravure combinée FIB-RIE IV Ca…

Page 27: Soutenance Lacour

27

Partie IVCaractérisation des

nanostructurespar microscopie en champ

proche

Page 28: Soutenance Lacour

28Caractérisation par microscopie en champ proche

Dispositif expérimental

…IV Caractérisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif expérimentaleIV-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV-3 …

Page 29: Soutenance Lacour

29Caractérisation en champ proche des guides d’onde optiques

Image optique correspondante

Image topographique (30x30µm²)

Images champ proche d’un coupleur (séparés de 8µm)

…IV Caractérisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondesIV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV…

Page 30: Soutenance Lacour

30Caractérisation en champ proche des guides d’onde optiques

Coupe de l’image optique correspondante

Sections

Coupe de l’image topographique

…IV Caractérisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondesIV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV…

xm)

y(A)o

xm)

I(U.A.)

Page 31: Soutenance Lacour

31Caractérisation en champ proche des guides d’onde optiques

Image optique expérimentale

Comparaison Théorie/expérience

…IV Caractérisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondesIV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV…

xm) xm)

I(U.A.)I(U.A.)

Page 32: Soutenance Lacour

32Caractérisation d’une nanostructure sans lacune

=850nm

=900nm

Image optique correspondante

Image topographique (5x5µm²)

…-1 Dispositif expérimentale IV-2 Caractérisation de guides d’ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défautIV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4…

Caractérisation par 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 =700nm et =900nm pour une polarisation TM

Frédéric Lacour
Page 33: Soutenance Lacour

33Caractérisation d’une nanostructure possédant une ligne de trous manquante

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 =700nm et =900nm pour une polarisation TM

…ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défautIV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …

Page 34: Soutenance Lacour

34Caractérisation d’une nanostructure possédant une ligne de trous manquante

Image Optique correspondante

Image Topographique (10x10µm²)

=725nm Pertes

importantes en entrée de la nanostructure

…ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défautIV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …

Page 35: Soutenance Lacour

35Caractérisation d’une nanostructure possédant une ligne de trous manquante

=825nm Confinement du

champ autour de la ligne de lacunes.

Image Optique correspondante

Image Topographique (10x10µm²)

…ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défautIV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …

Page 36: Soutenance Lacour

36Caractérisation d’une nanostructure possédant une ligne de trous manquante

Comparaison image expérimentale / simulation FDTD Distribution de

l’intensité du champ H, polarisation TM

50£40 trous, maille triangulaire

a=360nm, d=200nm

=752nm

…ondes IV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défautIV-4 Caractérisation de nanostructures avec une ligne de défaut …

Page 37: Soutenance Lacour

37

Discussion Structures sans défaut :

Chute de transmission observée à partir de =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

Page 38: Soutenance Lacour

38

Influence du profil des trous

Effet de BIP pour des cristaux photoniques 2D très sensibles à de nombreux paramètres introduisant principalement des pertes hors-du-plan :

Profondeur des trous : importance du recouvrement entre les trous et le mode guidé

La forme des trous : forme cylindrique

Aspect en surface : la surface doit être régulière.

Échantillon fabriqué: Redépôt de matière lors du

traitement FIB formes coniques

Angle proche de 2.5°.

La profondeur des trous (compromis entre la théorie et les contraintes 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 défautIV-3 Caractérisation de nanostructures sans défaut IV-4…

Page 39: Soutenance Lacour

39

Partie VApplication de la méthode de fabrication des nanostructures

par FIB au LiNbO3

Page 40: Soutenance Lacour

40

Contexte Niobate de Lithium, LiNbO3

Nombreuses propriétés optiques (ferro-électrique, piézo-électrique, électro-optique, photoréfractif, acousto-optique…) Fort indice de réfraction : nLiNbO3, =1.55m¼2.2 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 LiNbOV Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO33 VI Conclusion…

Page 41: Soutenance Lacour

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) 0.321<a<0.349

…érisation des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbOV Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO33 VI Conclusion…

Page 42: Soutenance Lacour

42Fabrication 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 LiNbOV Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO33 VI Conclusion…

Page 43: Soutenance Lacour

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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 LiNbOV Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO33 VI Conclusion…

Page 44: Soutenance Lacour

44

Gravure combinée FIB-RIE Le FIB ne sert qu’à graver le masque métallique Résultats différents selon le diamètre des trous

d2=130nmd1=250nm

Profondeur de gravure mesuré au bout de 10min de RIE-SF6 : 500nm

Images MEB

…érisation des nanostructures par SNOM V Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbOV Applications des méthodes de fabrication par FIB au LiNbO33 VI Conclusion…

Page 45: Soutenance Lacour

45

Partie VIConclusion et perspectives

Page 46: Soutenance Lacour

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 LiNbO3 VI Conclusion et perspectivesVI Conclusion et perspectives

Page 47: Soutenance Lacour

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 LiNbO3 VI Conclusion et perspectivesVI Conclusion et perspectives

Page 48: Soutenance Lacour

48Quelques exemples de Zone de Brillouin Zone de Brillouin : cellule élémentaire de l’espace réciproque

Page 49: Soutenance Lacour

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 non-

absorbant, 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)

!

Page 50: Soutenance Lacour

50

Étude spectrale

Spectre de transmission expérimental Variation de

850nm à 980nm

Ne montre pas de réelles bandes interdites

Page 51: Soutenance Lacour

51

Fabrication des guides d’onde

Fabrication réalisée par A. Sabac

I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adoptéeI-2 Configuration adoptée II Modélisation des nanostructures III Fabrication …

Page 52: Soutenance Lacour

52

Remerciements Eloïse Devaux (INIST, Strasbourg) Andrei Sabac Maria Pilar Bernal Nadège Bodin Matthieu Rousset

Page 53: Soutenance Lacour

53

Calcul des diagrammes de bandes

d=0.7a

I Contexte II Modélisation des nanostructures II-1 Calcul des BIPII-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures…