3.2 Etude de microcavit´es H1 et H2
3.2.5 Bilan sur ces exp´eriences
Etude de microcavit´es H1 et H2 63
de travail. Quoi qu’il en soit, il ne s’agit que d’une hypoth`ese et nous n’avons pour le moment
aucune interpr´etation totalement fiable `a proposer pour expliquer ces structures d´elocalis´ees.
D’autres exp´eriences, par exemple en se pla¸cant entre deux modes confin´es, seront n´ecessaires
pour interpr´eter correctement ces r´esultats exp´erimentaux.
3.2.5 Bilan sur ces exp´eriences
Si on compare les r´esultats obtenus dans cette section `a ceux obtenus sur la cavit´e en
an-neau, il est clair que de grands progr`es ont ´et´e accomplis. Ceux-ci proviennent pour une part
de l’am´elioration du montage exp´erimental (notamment au niveau de la source) et d’autre part
de la meilleure qualit´e de l’´echantillon. Nos images mettent en ´evidence des structures
lumi-neuses localis´ees sur des domaines sub-longueurs d’onde et la comparaison avec les simulations
num´eriques indique que ces structures sont reli´ees aux modes propres des cavit´es. Nous avons
volontairement ´et´e prudents dans l’interpr´etation de nos r´esultats jusqu’`a pr´esent, notamment
en nous gardant bien d’affirmer que nous visualisions directement un mode de cavit´e. La raison
en a d´ej`a ´et´e ´evoqu´ee : il faudrait pour cela comparer les images exp´erimentales avec une
simula-tion r´eellement 3D d’un tel mode. Cependant, l’accord avec les simulasimula-tions 2D (pour la structure
H2-12 surtout) est d´ej`a satisfaisant et montre que la structure d´etect´ee en champ proche est
bel et bien li´ee `a la structure du mode confin´e au centre de la membrane. Une cartographie en
champ proche des modes support´es par une cavit´e `a cristal photonique est donc possible.
De plus, il nous semble que ces mesures ont un int´erˆet qui d´epasse celui de retrouver
exp´erimentalement ce qu’on voit sur les simulations num´eriques. Nous avons pu voir sur les
images SNOM que l’allure de la r´epartition d’intensit´e lumineuse pr´esentait parfois des sym´etries
impossibles `a pr´evoir par la simulation d’une structure parfaite : des variations tr`es faibles dans
l’environnement de la microcavit´e suffisent `a fortement d´eformer les modes confin´es. Or, il est
important de connaˆıtre parfaitement la distribution r´eelle de l’intensit´e du mode propre pour
certaines applications, par exemple dans le cadre d’exp´eriences d’´electrodynamique en cavit´e
visant `a mesurer la modification du taux d’´emission spontan´ee d’un ´emetteur en fonction de
sa position dans la cavit´e. Nos r´esultats indiquent que la microscopie en champ proche est un
moyen de connaˆıtre la distribution r´eelle de l’intensit´e lumineuse au voisinage d’une microcavit´e
`a cristal photonique.
Pour finir, il nous semble important de pr´eciser que ces r´esultats exp´erimentaux ont depuis
´et´e reproduits au LEOM. Avec un SNOM en mode collection et une structure similaire (mais
non rigoureusement identique), des modes confin´es similaires aux nˆotres ont pu ˆetre visualis´es.
Des modes en forme de marguerite (sans maximum au centre) ou en forme de couronne circulaire
apparaissent sur les images. L’analyse des r´esultats obtenus au LEOM et au LPUB est toujours
en cours dans le cadre de l’ ´Equipe Projet Snobip. Entre autres aspects, des simulations en
FDTD 3D permettraient sans doute d’en savoir plus sur les structures d´elocalis´ees que nous
observons sur certaines images.
Chapitre 4
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Etude de structures photoniques en
silicium sur isolant
Ce chapitre est consacr´e `a l’´etude de structures `a cristaux photoniques r´ealis´ees en silicium
sur isolant, ou SOI (Silicon On Insulator). Contrairement aux structures ´etudi´ees au chapitre
pr´ec´edent, ces cristaux ne poss´edent pas de source interne
1. L’´eclairage provient d’une source
coh´erente externe qu’il est n´ecessaire de coupler dans la structure `a cristal photonique – via
un guide ruban – `a l’aide d’une optique de focalisation. Les structures sont form´ees `a partir
de cristaux photoniques 2D sur membrane report´ee sur SiO
2. La r´ealisation a ´et´e effectu´ee au
laboratoire Silicium Nano´electronique Photonique et Structures (SiNaPS) du CEA Grenoble par
Benoˆıt Cluzel. Toutes les exp´eriences sur ces ´echantillons ont ´et´e faites avec son concours et les
r´esultats pr´esent´es ici sont le fruit d’un travail commun.
Nous avons ´etudi´e deux structures diff´erentes : une microcavit´e unidimensionnelle et un guide
r´ealis´e dans un cristal photonique 2D. Ces deux exp´eriences ayant ´et´e r´ealis´ees sur le mˆeme banc
exp´erimental, nous commencerons par pr´esenter celui-ci ainsi que les principes communs aux
deux exp´eriences. Puis nous d´etaillerons les r´esultats obtenus sur chacune des deux structures
photoniques.
4.1 Principe des exp´eriences
Si on les compare `a celles sur les structures actives, les exp´eriences men´ees sur les cristaux
photoniques passifs sont plus lourdes et ont n´ecessit´e de modifier le corps du microscope. En
effet, le cristal que nous souhaitons ´etudier est int´egr´e dans une puce comportant diff´erentes
structures, chacune d’entre elle ´etant adress´ee par un guide ruban en silicium. Pour ´eclairer
l’´echantillon choisi, il faut donc injecter la lumi`ere `a la longueur d’onde souhait´ee dans le guide
ruban correspondant. L’efficacit´e du couplage et sa stabilit´e sont v´erifi´ees `a l’aide d’une cam´era
infrarouge focalis´ee sur la face de sortie de la puce. Tous ces ´el´ements ´etant indispensables, il
nous fallait encore ajouter la tˆete SNOM et une optique de contrˆole malgr´e l’encombrement d´ej`a
important du syst`eme de couplage. De plus, il nous fallait pouvoir d´eplacer la tˆete SNOM sur
l’´echantillon sans pour autant modifier le couplage. Cela a pu ˆetre fait en r´ealisant une pi`ece
sur laquelle sont venus se greffer tous les ´el´ements (Fig. 4.1). La lumi`ere issue d’une source laser
est inject´ee via une optique de focalisation sur une face pr´ealablement cliv´ee de l’´echantillon.
1
Bien que le silicium soit un mat´eriau pr´esentant des propri´et´es de luminescence, celle-ci n’est pas exploitable `
a temp´erature ambiante.
66 Etude de structures photoniques en silicium sur isolant
platine XY caméra IR tete SNOM platine Z échantillon platines X, Y, Z vers détecteur source accordableFig.4.1 –Sch´ema du dispositif exp´erimental utilis´e pour l’´etude des structures photoniques sur
SOI.
De l’autre cot´e, un objectif de microscope recueille la lumi`ere en sortie de la puce jusqu’`a une
cam´era infrarouge qui sert `a controler la stabilit´e du couplage en cours d’exp´erience : nous savons
ainsi `a tout instant que la lumi`ere est bien inject´ee dans la structure et nous pouvons pr´evenir
les d´erives m´ecaniques. L’ensemble de ces deux syst`emes optiques plus l’´echantillon est mont´e
sur un syst`eme de d´eplacement trois axes qui permet de placer la pointe sur la zone `a ´etudier
sans modifier le couplage.
Une photographie du montage r´eel est pr´esent´ee Fig. 4.2. On peut y voir les diff´erents
´el´ements. L’´echantillon est au centre de l’image, coll´e sur une vis. En bas, un objectif de type
Cassegrain assure l’injection dans la puce. En haut, on voit l’objectif de microscope pour le
contrˆole de la qualit´e de l’injection. A droite se trouve la tˆete du microscope : sous une coque de
protection en aluminium, le tube pi´ezo´electrique de balayage et au bout (au niveau de l’extr´emit´e
de la fl`eche), le dither-tube. La pointe n’est pas visible sur cette photographie. Enfin, en haut
de l’image, on peut voir un objectif de microscope qui constitue l’extr´emit´e du syst`eme de
visualisation et de contrˆole de la position de la pointe SNOM.
En pratique, le d´eroulement des exp´eriences ´etait le suivant. Une fois l’´echantillon install´e,
la tˆete du microscope ´etait retir´ee et remplac´ee par une cam´era focalis´ee sur le dessus de
l’´echantillon, pour faciliter le r´eglage de l’injection. Ensuite, il fallait r´ealiser l’injection. Les
guides dans lesquels la lumi`ere issue du laser devait ˆetre inject´ee ayant une ´epaisseur de 400nm,
il va sans dire que cette ´etape ´etait particuli`erement d´elicate. Une fois l’injection dans la structure
voulue r´ealis´ee, il fallait remettre en place la tˆete du microscope et `a l’aide de l’optique de
visua-lisation, positionner la sonde `a proximit´e de la zone `a ´etudier. On pouvait alors enfin proc´eder
`a l’approche de la pointe et `a l’´etude. En cours d’exp´erience, grˆace `a la cam´era de contrˆole,
nous avons constat´e une bonne stabilit´e du couplage. Toutefois, il ´etait parfois n´ecessaire de
reculer la sonde hors du champ proche de l’´echantillon afin de proc´eder `a un nouveau r´eglage de
l’injection. En revanche, nous avons observ´e que le signal shear-force ´etait entach´e d’un
impor-tant bruit m´ecanique que nous attribuons aux vibrations naturelles du bˆatiment. Malgr´e toutes
les pr´ecautions prises lors de la conception des pi`eces m´ecaniques supportant le microscope, il
semblerait que cette configuration amplifie fortement les vibrations externes. La seule solution
´
Etude d’une microcavit´e 1D 67
Fig. 4.2 – Photographie du montage exp´erimental.
Si SiO2 air 215nm 760nm 90nm 400nm