Institut des
NanoSciences de Paris
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Des « nano-pièges » pour la lumière visible

Les cristaux photoniques bidimensionnels suscitent un grand intérêt pour la réalisation de circuits photoniques intégrés. Ils permettent de guider, filtrer ou piéger la lumière sur de très petits volumes et peuvent être obtenus à partir de motifs de trous séparés de quelques nanomètres. Ce piégeage en cavité a souvent été réalisé pour la lumière infrarouge, mais les longueurs d’onde visibles ont été peu étudiées. La fabrication de cavités aux longueurs d’onde visibles nécessite d’utiliser des nouveaux matériaux, transparents à ces longueurs d’onde, et des procédures de gravure plus délicats. L’INSP, en collaboration avec le LAAS (Toulouse) a donc réalisé des cavités, de modes compris entre 700 et 800 nm. Par une technique de spectroscopie de diffusion non destructive originale développée à l’INSP, les chercheurs de l’équipe ont mesuré les performances de ces cavités et l’influence de la taille des trous du motif.

Les cristaux photoniques considérés sont des motifs réguliers de trous, séparés les uns des autres de 350 nm, percés dans une couche de 280 nm de nitrure de silicium ; les cavités sont constituées par des lacunes de trois trous (fig. 1a). Les échantillons ont été fabriqués par lithographie électronique au Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes (LAAS, Toulouse), qui dispose d’une des principales plateformes de micro/nanofabrication en France. Un faisceau d’électrons a été utilisé pour dessiner un motif de trous dans une résine électrosensible ; le motif a ensuite été révélé par une suite de réactions chimiques (fig. 1b). A l’INSP, les échantillons ont été modélisés par des calculs de différences finies dans le domaine temporel (FDTD) et caractérisés par ellipsométrie et par microscopie à force atomique (fig. 1a), ce qui a permis d’optimiser la géométrie du motif et le protocole de gravure des trous.

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Figure 1 : (a) Image d’un cristal photonique obtenue par microscopie à force atomique (AFM). (b) Etapes de fabrication des cristaux photoniques par lithographie électronique.

Les propriétés optiques des échantillons ont été étudiées suivant une technique développée à l’INSP, présentant l’avantage d’être non destructive et résolue en polarisation. L’échantillon est éclairé sur la tranche par une source de lumière blanche. La lumière diffusée par l’échantillon est collectée par un microscope et analysée par un spectromètre (fig. 2a). Un spectre typique diffusé par une cavité est présenté sur la figure 2b. En ajoutant un polariseur, on distingue deux modes polarisés parallèlement à la cavité, et deux modes polarisés perpendiculairement à la cavité. Les facteurs de qualité (Q=λ/Δλ) de ces modes sont respectivement 40, 80, 140 et 280.

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(a) (b) Figure 2 : (a) Schéma du dispositif de spectroscopie de diffusion. (b) Spectres de diffusion de la lumière par la cavité (trait noir : polarisation suivant l’axe y ; gris : suivant l’axe x ; pointillé : pas d’analyse en polarisation).

Différentes cavités ont été réalisées avec des trous de différente taille. Par exemple, la figure 3a présente les spectres de diffusion mesurés pour trois cavités avec trois tailles de trous différentes : 120, 130 et 145 nm (mesurés par AFM). La position des différents modes se décale vers le rouge à mesure que la taille des trous diminue. Cette tendance est bien reproduite par les calculs de FDTD (fig. 3b) et permet ainsi un ajustement de la position des modes de cavité en jouant sur la taille des trous. L’utilisation de trous de bords de cavité plus petits et légèrement décalés (voir fig. 1a) a aussi été étudiée ; elle permet un ajustement plus fin de la position des modes et une amélioration de leur facteur de qualité.

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Figure 3 : (a) Spectres de diffusion de trois cavités avec trois tailles de trous (r0) différentes. (b) Simulations des trois spectres de diffusion par FDTD, avec la distribution d’intensité du champ électrique de chaque mode.

Sur la base de ces travaux, l’équipe de l’INSP étudie actuellement le spectre lumineux émis par des nanocristaux semiconducteurs déposés sur le cristal photonique. L’objectif est d’utiliser le couplage à la cavité pour manipuler la fluorescence du nanocristal afin de l’utiliser en optique quantique.

Pour en savoir plus :

Amaury Avoine, Céline Vion, Julien Laverdant, Sophie Bonnefont, Olivier Gauthier-Lafaye, Laurent Coolen et Agnès Maître, « Photonic crystal cavity modes in the visible range characterized by scattering spectroscopy », Physical Review A 82, 063809 (2010).

Collaborations :

Emmanuelle Lacaze (INSP) : caractérisation par microscopie à force atomique
Bruno Gallas (INSP) : caractérisation par ellipsométrie
Emmanuelle Daran (LAAS) : caractérisation par microscopie électronique à balayage avec coupe par faisceau d’ions (réalisée au CEMES-CNRS)