Soutenance Lacour

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  • Propagation de la lumire dans les nanostructures et les cristaux photoniques planaires associs aux guides donde : fabrication et caractrisationFrdric Lacour

    22 Fvrier 2005

  • IntroductionNanostructures et cristaux photoniques (CP) : objet de nombreuses recherches depuis une dizaine dannes.Structuration priodique du milieu de propagationFabrication :Domaine des micro-ondes : priode de lordre du millimtreDomaine optique : priode sub-microniqueEnjeu technologique notamment du point de vue des prcisions gomtriques requisesCP de type planaireNanostructures associes des guides donde. Proposition : Utilisation dun FIB.Caractrisation des nanostructures par microscopie en champ proche optique.

  • Plan de lexposContexteModlisation des nanostructuresFabrication de nanostructures par FIBCaractrisation des nanostructures par microscopie en champ procheApplication des mthodes de fabrication par FIB au LiNbO3Conclusion et perspectives

  • Partie IContexte

  • Les cristaux photoniquesArrangement priodique de matriaux dilectriques ou mtalliques.1D3D2DBande interdite photonique : la lumire ne peut pas se propager pour certaines gammes de longueur dondeIntroduction de lacunes ou de dfauts : possibilit de confinementCavitGuide dondeI Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adopte II Modlisation des nanostructures III Fabrication

  • Les cristaux photoniques bidimensionnelsDeux types :Structures connectesStructures dconnectesApplications loptique intgre planaire :Structures 2D + confinement verticalDfauts : cration de guides donde ou de cavitsPermet une miniaturisation des principaux composants optiquesContrle total de la lumire dans un plan

    I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adopte II Modlisation des nanostructures III Fabrication

  • Cristaux photoniques 2D associs des guides dondeDeux configurations ont t retenues :Coupleur : Injection par onde vanescente (D. Mulin, Thse de doctorat, 2000)Trous directement gravs sur le guide : injection par une onde propagativeSimulations prliminaires : coupleur configuration ambitieuse et complexeChoix des structures validation de la fabrication de nanostructures par FIB I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adopte II Modlisation des nanostructures III Fabrication

  • Fabrication dun cristal photonique bidimentionnel associ un guide dondeTechniques de fabrication issues de la technologie des semi-conducteursMthode la plus rpandue : lithographie lectronique MEB associe une technique de gravure (chimique ou sche)Avantages : prcision (rsolution jusqu 5nm), ensemble des motifs gravs en mme temps (homognit de la structure)Inconvnient : difficult de positionnements (utilisation de repres)Mthode choisie : utilisation dun FIBMotivation : positionnement de visu par rapport aux guides, rsolution (moins de 50nm), possibilit de gravure directe

    I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adopte II Modlisation des nanostructures III Fabrication

  • Choix du guide optiqueStructure mixte guide/nanostructuresModes de propagation peu enterrs (caractrisation par microscopie champ proche)Choix dune structure multicouche : confinement vertical de la lumire dans les structures

    Guide ruban structure multicouche SiO2/SiON/SiO2 sur substrat de siliciumI Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adopte II Modlisation des nanostructures III Fabrication

  • Caractristiques des guides dondemonomodes de 700 nm 900 nm (compatible avec le laser titane saphir (700-950nm))Dcoupe des chantillons la scie (Disco DAD400) vite le polissageOnde vanescente la surface du guideMode Calcul par BPM :I Contexte I-1 Les cristaux photoniques I-2 Configuration adopte II Modlisation des nanostructures III Fabrication

  • Partie IIModlisation des nanostructures

  • Calcul des diagrammes de bandesBut :Dterminer les paramtres de la structure (diamtre des trous, maille, priode de la matrice)Dtermination des diagrammes de bande par un logiciel commercial (RSoft BandSolve) utilisant la mthode PWE (Plane Wave Expansion)Conditions :neff=1.489Fabrication d
  • Calcul des diagrammes de bandesParamtres :Choix dune matrice maille triangulaire d=0.7aPolarisation TE : Champ E parallle laxe des structures!I Contexte II Modlisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures

  • Calcul des diagrammes de bandesParamtres :Choix dune matrice maille triangulaire d=0.7aPolarisation TM : Champ H parallle laxe des structures!I Contexte II Modlisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures

  • Calculs 2D-FDTDUtilisation dun logiciel commercial (FullWave) de FDTD (Finite-Difference Time-Domain)La mthode FDTD permet de: Calculer le spectre de transmission (excitation par impulsion).Montrer linteraction entre la lumire injecte et les nanostructures (excitation continue).Paramtres pour les calculs 2D-FDTD :Trous supposs infinisGuides donde monomodes de 4m de largeMatrice maille triangulaire de 40x40 trous (a=360nm, d=200nm)Propagation dans la direction Mx=z=0.02mt=2.4 10-17sPML : paisseur=0.5m

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

  • Calculs 2D-FDTDSpectre de transmissionPolarisation TESpectre de transmissionPolarisation TMI Contexte II Modlisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures

  • Calculs 2D-FDTDDistribution en intensit des champs lectrique et magntique (polarisation TE), matrice de 40x40 trous (d=200nm, a=360nm)I Contexte II Modlisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures

  • Calculs 2D-FDTDDistribution en intensit des champs lectrique et magntique (polarisation TE)I Contexte II Modlisation des nanostructures II-1 Calcul des BIP II-2 Calculs 2D-FDTD III Fabrication de nanostructures

  • Partie IIIFabrication de nanostructures par FIB

  • Fabrication des nanostructuresMatrice priodique de trous, maille triangulaire (d=200nm, a=360nm, Profondeur de gravure : 1m) grave sur les guides dondeUtilisation du FIB (Faisceau dions focalis, Focused Ion Beam)Avantages :Haute rsolution ('50nm)Systme dimagerie associPositionnement par rapport au guide visuel

    FIB: double colonne MEB/FIB Orsay Physics LEO-FIB 4400 (FEMTO-ST, Besanon) ; FIB FEI Beam Strata 235 (Isis, Strasbourg)

    III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramtres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combine FIB-RIE IV Cara

  • Premire mthode : gravure directe par FIBIII Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramtres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combine FIB-RIE IV Cara

  • RsultatsMatrice de maille triangulaire de 20x20 trousDiamtre : 200nmPriode : 360nmProfondeur de gravure : 1,2m)Coupe par FIBimage MEBimage FIBIII Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramtres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combine FIB-RIE IV Cara

  • Autres structures gravesMatrice triangulaire de 2430 trous circulaires (d=200nm, a=360nm)Matrice triangulaire de 2448 trous circulaires (d=200nm, a=360nm) avec une ligne de dfautsImages MEB, Gravures ralises lINIST, StrasbourgIII Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramtres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combine FIB-RIE IV Cara

  • DiscussionRglages FIB (astigmatisme, alignement de la colonne) dlicats risque de saut ou de driveProblme du redpt de matriau profondeur de gravure limite et flancs des trous inclins.Solutions proposes : Utilisation dun gaz ractifAugmentation du nombre de passagesCombinaison FIB-RIE (Reactive Ion Etching)

    III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramtres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combine FIB-RIE IV Cara

  • Deuxime mthode : action combine FIB-RIEAvantages :gravure FIB 250nm de profondeur (paisseur du mtal) temps de gravure rduitProfondeur des trous ne dpend que de la RIE

    III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramtres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combine FIB-RIE IV Ca

  • Premiers essaisGravure du masque mtallique par FIBImage FIB20 minutes de gravure RIEThoriquement : ' 1920nm. Profondeur mesure lAFM : 100nmNcessit dune optimisation de la gravure RIE pour les nanostructures.III Fabrication de nanostructures par FIB III-1 Paramtres III-2 Gravure directe III-3 Gravure combine FIB-RIE IV Ca

  • Partie IVCaractrisation des nanostructurespar microscopie en champ proche

  • Caractrisation par microscopie en champ procheDispositif exprimentalIV Caractrisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif exprimentale IV-2 Caractrisation de guides dondes IV-3

  • Caractrisation en champ proche des guides donde optiquesImage optique correspondanteImage topographique (30x30m)Images champ proche dun coupleur (spars de 8m)IV Caractrisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif exprimentale IV-2 Caractrisation de guides dondes IV

  • Caractrisation en champ proche des guides donde optiquesCoupe de limage optique correspondanteSectionsCoupe de limage topographiqueIV Caractrisation des nanostructures par SNOM IV-1 Dispositif exprimentale IV-2 Caractrisation de guides dondes IVx (m)y(A)ox (m)I(U.A.)

  • Caractrisation en champ proche des guides donde optiquesImage optique exprimentaleComparaison Thorie/exprienceIV Caractrisation des nanostr