Fabrication and optical properties of mono and bidimensional photonic cristals on silicon

Fabrication et propriétés optiques des cristaux photoniques mono et bidimensionnel basés sur silicium

• Auteur / Autrice : Michele Belotti
• Direction : Yong Chen, Giorgio Guizetti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Paris 6 en cotutelle avec Pavia, Università degli studi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés optiques

Cristaux photoniques

Résumé

In this work, we have fabricated and studied photonic crystal slabs in waveguide configuration made by SOI. There are realised by standard fabrication processes and new ones. We have in particular studied optical dispersion of defect modes in a one and two-dimensional array. This thesis is presented in three parts. In the first one optical properties of photonic crystals are presented; in the second one fabrication methods are explained. In particular, we described the conventional method and innovative one developed during this work. By this techniques we fabricated large surface photonic crystal at low cost. In the last part, the optical results are presented. In particular, optical characterization of W1. 5 defect in membrane is presented.

Ce travail de thèse avait pour but de réaliser et d'étudier des cristaux photoniques deux dimensionnels à base de couches minces. Celles-ci sont élaborées dans une configuration de silicium sur isolant (SOI), par des méthodes de nanofabrication conventionnelles et non conventionnelles. J'ai effectué en particulier une recherche systématique sur la dispersion des modes associés aux défauts dans les systèmes unidimensionnels (1D) et bidimensionnels (2D) en configuration de guide d'onde planaire. Ce manuscrit est divisé en trois parties. Dans la première partie, les propriétés optiques des cristaux photoniques ont été présentées, en considérant la théorie de dispersion du champ électromagnétique. L'accent a été mis sur la dispersion des modes des défauts dans les systèmes 1D et 2D. Dans la deuxième partie, les procédés de fabrication des échantillons ont été détaillés. L'étude s'appuis sur les méthodes de nanofabrication couramment utilisés dans les laboratoires de recherche, c'est à dire la lithographie électronique et la gravure ionique réactive des couches SOI. En particulier, nous présentons une nouvelle technique de nanofabrication dite non conventionnelle. Il s'agit de la lithographie par nano-impression assistée par irradiation UV, qui est basée sur le principe de moulage et de photo-polymérisation à température ambiante et à basse pression. Cette méthode nous a permis de reproduire des motifs de cristaux photoniques sur une grande surface à un très faible coût. Sont également décrites les techniques de transfert pour la réalisation des membranes de silicium nano-structurées. Dans la troisième et la dernière partie sont illustrées les techniques de caractérisation optique ansi que les résultats obtenus. Nous présentons les résultats des mesures optiques sur les systèmes 1D et 2D, avec et sans défauts, en configuration de guide d'onde planaire asymétrique de hauts contrastes d'index de réfraction. En suite, sont discutés les résultats des cristaux photoniques 2D en membrane du silicium avec défauts linéaires de largeur variable. L'ensemble des résultas expérimentaux ont été confirmés par des calculs numériques, qui montrant un très bon accord pour l'ensemble des systèmes étudiés.