Les puces fabriquées pour la caractérisation des guides d’ondeSWG sont les mêmes que celles
pour l’étude des guides d’onde, discutées à la section 2.3 et présentées à l’annexe A. Elles sont fabriquées par Applied Nanotools Inc. Avant de faire la prise de mesures expérimentales, chacune des puces est nettoyée en suivant la procédure décrite à la section 2.4.1.
5.2.1 Caractérisation physique par microscopie électronique à balayage
Les images prises par microscopie électronique à balayage permettent de visualiser la qualité de la fabrication et du nettoyage, ainsi que d’identifier divers problèmes. La figure5.2montre un guide d’onde SWG sur la puce # 6 ne présentant aucun défaut. Les dimensions mesurées
sont en accord avec les dimensions nominales de conception, en considérant l’angle de gravure des bords. Les valeurs mesurées moyennes de la période Λ=294 nm et de la largeur W=809
nm sont près des valeurs attendues de Λ=300 nm et de W=800 nm. On note toutefois que
le rapport-cyclique de DC=0.55 du guide fabriqué est quelque peu supérieur à celui de la
conception deDC=0.5.
(a) Vue en perspective (b) Vue du dessus avec mesures de la largeur Figure 5.2 – Images SEM de guide d’onde SWG de la puce #6
visualisées sur une fraction des structures fabriquées de la puce caractérisée, tel que présenté à la figure 5.3.
On y recense premièrement, à la figure5.3ades résidus de photorésine. Ces résidus causent des fluctuations aléatoires de l’indice de réfraction dans le guide d’onde, et augmentent les pertes de propagation. Ce problème a été réglé suite à des discussions avec Applied Nanotools Inc. pour les puces #5 et #6. Subséquemment, le fabricant a ajouté une étape finale de nettoyage par mélange piranha à leur procédé de fabrication.
Ce qui semble être une gravure légèrement insuffisante à la figure 5.3b ajoute des particules de SiO2 près de la base des blocs de silicium. Ceci est aussi susceptible d’augmenter les pertes
par diffusion.
La segmentation des guides d’ondeSWG diminue drastiquement leur surface et donc l’adhésion
de la structure au substrat. La longueur de la surface d’adhésion correspond à la longueur complète du guide dans le cas des guides d’onde en ruban, mais correspond à la longueur du bloc de silicium pour le guide d’onde SWG. La structure est ainsi mécaniquement beaucoup
plus fragile face à des stress, pressions ou chocs, ce qui la rend propice à des bris, tel que montré à la figure5.3c. Ces bris peuvent être visualisés au microscope optique et ont été régulièrement visualisés sur diverses structures de tests et puces au cours du projet. Ceci a souvent un impact négatif important sur la qualité des mesures par méthode de coupure puisque les structures brisées ne peuvent pas être caractérisées.
Par ailleurs, on note que dans le cas de puces recouvertes de dioxyde de silicium, des régions de bulles d’air sont présentes entre les piliers de silicium des guides d’onde SWG, tel que montré
(a) Résidus de photorésine, puce #4 (b) Gravure insuffisante, puce #5
(c) Bris de guide d’onde (d) Bulles d’air entre les blocs de silicium, recouvre- ment de SiO2, puce #2
Figure 5.3 – ImagesSEM de guide d’ondeSWG ayant divers problèmes de fabrication faible taille (≈150 nm). Cela a assurément des conséquences sur les propriétés des modes de propagation pour les guides d’onde SWG ayant un revêtement, mais cette étude est hors du
cadre de ce projet.
5.3
Mesures expérimentales
Dans cette section, les mesures expérimentales des guides d’onde en réseaux sous-longueur d’onde fabriqués sont présentées. On y retrouve la caractérisation des pertes par courbure et des pertes d’insertion des convertisseurs de mode. Les pertes de propagation y sont présentées et discutées en détail par la suite.
Les structures de test pour ces caractérisations sont presque les mêmes que pour les guides d’onde en ruban présentés à la section2.2, et la technique de mesure est basée sur la méthode de coupure. La différence est l’ajout de convertisseurs de mode adiabatiques ruban-SWG pour
relier la section du guide d’ondeSWG à caractériser auxI/Os optique, puisque le routage est
réalisé par guide d’onde en ruban par simplicité de mise en plan et pour diminuer les pertes. Les bancs de mesures pour les deux cas possibles de I/Os, coupleurs de réseaux ou coupleurs de bord, ont étés discutés auparavant à la section 2.5.1 et sont les même ici. L’ensemble des résultats présentés sont pour des composants caractérisés à la longueur d’onde deλ=1653 nm
et exposées à l’air sur puce SOI.
5.3.1 Convertisseurs de mode
Puisqu’ils font partie de la structure de test des guides d’ondeSWG, les pertes d’insertion des
convertisseurs de modes adiabatiques ruban-SWG sont caractérisés. La forme géométrique de
ce composant est présentée à la figure 5.1b (pas à l’échelle). Une modification géométrique linéaire entre un guide d’onde SWG et un guide d’onde en ruban permet de transformer le
mode guidé d’un guide d’onde à l’autre de façon adiabation, sans perte, si la variation du profil est lente, c’est-à-dire lorsque le convertisseur est de longueur suffisante. Pour un guide d’onde fabriqué présentant des pertes causées par la rugosité des parois, il existe une longueur optimale où la somme des pertes de propagation et des pertes causées par la transformation non adiabatique du mode est minimale.
Dans le cas d’étude, seulement deux convertisseurs de mode sont nécessaires par structure de test et les pertes d’insertion de ces derniers n’ont pas d’influence sur la mesure des pertes de propagation mesurées par la méthode de coupure. Il est toutefois préférable que les pertes soient faibles afin de minimiser l’impact de leur présence sur le budget de puissance, permettant ainsi de mesurer la puissance de sortie pour des structures ayant des pertes élevées, telles que des guides d’onde de longueur importantes (ex. 5 à 10 cm)
Les pertes d’insertion sont mesurées par méthode de coupure pour un convertisseur de mode de longueur L=80 µm entre un guide d’onde SWG ayant les paramètres W=1 µm, Λ=300
nm et DC=0.5 et un guide d’onde en ruban de largeurW=600 nm, pour le modeTE0. Entre chaque convertisseur, un guide d’onde de 10 µm est présent, alternativement en ruban ou
SWG. Ces sections de guide d’onde permettent d’inclure les pertes causées par la transition
du mode aux interfaces entre le convertisseur et les guides d’onde. Les pertes de propagation causées par les guides d’onde sont négligeables. Ces mesures sont réalisées avec la puce #4 et présentées à la figure 5.4.
On obtient des pertes d’insertion de -0.16±0.03 dB/convertisseur et on conclue que ces pertes sont suffisamment faibles et que la longueur du convertisseur est acceptable. On suppose que les pertes d’insertion pour les convertisseurs de mode pour les guides d’onde SWG ayant des
Figure 5.4 – Mesures de puissance de sortie en fonction du nombre de convertisseurs de mode
SWG-ruban permettant de calculer les pertes d’insertion par méthode de coupure. Puce #4.
paramètres différents sont du même ordre de grandeur et sont donc également acceptables pour les besoins de cette étude.
5.3.2 Pertes par courbure
Pour faire le routage des guides d’onde SWG dans les structures de test, que ce soit des
allers-retours ou des spirales carrées, des courbes sont nécessaires. Dans le but de minimiser les pertes par courbure des guides d’onde SWG, il est possible de prédéformer le profil de
l’indice de réfraction du guide. Cela est réalisé en accordant indépendamment le rapport- cyclique à l’intérieur de la courbe DCint de celui à extérieur DCext. Plutôt que d’avoir des
piliers de silicium de forme rectangulaire, ceux-ci deviennent de forme trapézoïdale (voir Fig.
5.5). Cela permet de modifier le profil spatial du mode, et par conséquent, de réduire les pertes par radiation et par chevauchement de mode aux interfaces droit-courbe. Les détails de cette méthode sont expliqués dans [108]. Celle-ci est d’abord appliquée par simulation pour vérifier son efficacité. Des simulations par 3D FDTD sur des courbes de rayon R=5 µm ont montré
que les pertes sont effectivement moindres lorsque DCint>DCext sur un certain intervalle de
valeurs (0.5≤ DCint≤0.7 et 0.3≤ DCext≤0.5). La largeur est fixée àW=1 µm et la période à Λ=300 nm pour cette étude. Les paramètres DCint=0.60 et DCout=0.40 permettent d’obtenir
les pertes minimales, par simulation et expérimentalement. Ces résultats sont présentés à la figure 5.6et ont étés obtenues par la méthode de coupure avec la puce #4.
On remarque que les pertes mesurées expérimentalement sont supérieures et d’une différence constante avec les pertes obtenues par simulation. Ceci peut être expliqué par les pertes de diffusion causées par la rugosité de surface des guides d’onde fabriqués. Or, bien que les pertes expérimentales de la courbe accordée de façon optimale sont moindres que dans le cas non- accordé, elles sont encore élevées (-0.67 dB/courbe 90°).
Dans un cas pratique, il est également possible de réduire les pertes des guides courbe en ayant un rayon de courbure plus élevé, tel queR=30 µm. Toutefois, le domaine de simulation
nécessaire pour simuler des courbes de rayon élevé est trop large et demande donc un temps et des ressources de calculs inacceptables. Ainsi, la recherche des paramètres DCintet DCext
(a) Courbe non-accordée (b) Courbe accordée
Figure 5.5 – ImagesSEM de courbes de guide d’ondeSWG de rayonR=5 µm. Puce #4 .
optimaux a été faite expérimentalement avec des structures de test sur la puce #4. Les résultats obtenus sont présentés à la figure 5.7. Les pertes expérimentales par courbe de 90° sont de -0.21±0.03 dB pour le cas non-accordé (DCint=DCext=0.5) et de -0.12±0.2 dB pour le cas
accordé optimal ((DCint=0.55, DCext=0.5)). Ceci correspond à une réduction d’un facteur 2
des pertes par courbe.
Pour les puces #5 et #6 fabriquées subséquemment, ces paramètres sont utilisés sur les struc- tures de test des pertes de propagation pour minimiser l’impact de ces dernières. Les pertes par courbe mesurées, également par méthode de coupure, sur la puce #5 sont de 0.05±0.01 dB/courbe. Cette faible valeur indique que les pertes par courbure avec cette méthode sont négligeables puisque cela correspond à des pertes de 10±2 dB/cm. La valeur plus faible de pertes mesurées pour la puce #5 en comparaison avec la puce #4 peut être expliquée par la présence de résidus de photorésine pour cette dernière.
5.3.3 Pertes de propagation
La méthode de coupure, décrite à la section 2.5.2, est utilisée pour caractériser les pertes de propagation des guides d’onde en réseaux sous-longueur d’onde exposés à l’air et à λ=1653
nm. Les résultats présentés ici sont ceux provenant des puces #5 et #6. Ces deux puces sont composées de structures de test ayant des guides d’onde SWG possédant les mêmes
ensembles de paramètres. Les deux puces ont également été fabriquées par le même procédé par lithographie e-beam. Les configurations des structures de test et les entrées-sorties optiques sont toutefois différentes.
Sur la puce #5, on retrouve des guides d’ondeSWG en configuration de spirales carrées et des
coupleurs en réseaux pourI/Os. Ces structures présentent les avantages d’être plus compactes, de permettre une prise de mesure de transmission rapide, et de garantir une polarisation TE en
Figure 5.6 – Pertes par courbe de 90° de rayonR=5 µm pour un guide d’ondeSWG avecDC non-accordée (DCint=DCext=0.5) et accordé (DCint6= DCext6=0.5). Résultats de simulations
et expérimentaux de la puce #4.
Figure 5.7 – Pertes par courbe de 90° de rayonR=30 µm pour un guide d’ondeSWG avecDC non-accordé (DCint=DCext=0.5) et accordé (DCint6= DCext6=0.5). Résultats expérimentaux
des puces #4 et #5.
injection. Toutefois, le montage est plus enclin à bouger mécaniquement, et ainsi la puissance injectée dérive avec le temps.
Cet inconvénient est minimisé avec la puce #6, dont les structures constituées de coupleurs de bords commme I/Os et des guides d’onde en configuration d’allers-retours, sont mécani- quement robustes. Cette configuration nécessite plus d’espace sur la puce, la prise de mesure de transmission nécessite un alignement manuel qui est plus long en temps et la polarisation
d’injection peut être non-optimale. Ainsi, la puce #5 est mieux adaptée pour la caractérisation des pertes de propagation des guides d’onde SWG, tandis que la puce #6 est mieux adaptée
à la détection de méthane.
Pour les puces #5 et #6, plusieurs structures de test ayant des ensembles de paramètres de conception (W, Λ, DC) différents sont caractérisées. Celles-ci ont été auparavant simulées
lors la conception de la puce pour s’assurer qu’elles supportaient le mode fondamental de Bloch transverse électrique TE0 de façon monomode et qu’elles opéraient dans la région sous- longueur d’onde. Les structures de test sont composées, respectivement, de 8 et 5 guides d’onde ayant des longueurs variant de 0.015 cm à 3 cm et 0.8 à 6 cm. Les courbes sont optimisées par accordage afin de minimiser les pertes par courbure dans les structures de test.
Les résultats de mesures des pertes de propagation de la puce #5 sont présentés à l’annexe
C. Les cas d’intérêt sont discutés en détail dans cette section. La puissance de sortie de tous les guides d’onde caractérisés par le même ensemble de paramètres de conception est mesurée pour les différentes longueurs L. Seuls les cas de guides d’onde ayant un ensemble de données
respectant les conditions suivantes sont présentés. Les conditions sont choisies pour mitiger l’effet des structures déficientes sur les mesures et pour augmenter le degré de confiance face aux résultats en s’assurant que les données sont bien conditionnées. Tout d’abord, le coefficient de détermination R2 de la régression linéaire permettant de calculer les pertes de propagation
doit être supérieur à 0.95. De plus, le nombre de mesures (longueurs L) de l’ensemble de
données doit être supérieur ou égal à 3. Également, les mesures de puissance aberrantes, ayant des pertes trop élevées comparativement aux structures du même ensemble, ne sont pas prises en compte pour la régression. Ces données aberrantes peuvent, entres autres, être causées par un bris, une poussière ou un défaut de fabrication de la structure de test. Finalement, on note que certaines puissances de sortie sont en dessous du plancher de bruit pour les structures les plus longues, rendant impossible la mesure de ces structures.
Les premiers cas d’intérêt sont les pertes de propagation des deux guides d’ondeSWG conçus
au chapitre 4, l’un opérant dans la région de la lumière lente et l’autre dans la région méta- matériau1. Les paramètres de conception, les résultats de simulation des propriétés modales, les pertes de propagation mesurées et les figures de mérite des guides d’onde fabriqués sont présentés au tableau 5.1. Ici, seuls les mesures de la puce # 5 sont présentées puisque les coupleurs de bord pour ces ensembles de structures de test sont brisés sur la puce #6, rendant impossible leur caractérisation.
Les pertes de propagation mesurées sont de -43±13 dB/cm pour le guide d’onde conçu dans la région métamatériau et de -97±30 dB/cm pour le guide d’onde SWG avec lumière lente. Ces
valeurs mesurées sont supérieures à celles attendues. Cela peut être causé par des structures de test déficientes : brisées, ayant des défauts de fabrication ou sales. En effet, les coefficients de
Région W (nm) Λ (nm) DC Kx nef f ng γ αprop (dB/cm) F OMf ab (dB/cm)−1 Métamatériau 900 350 0.5 0.36 1.68 3.4 0.56 -43±13 0.013±0.004 Lumière lente 800 430 0.5 0.44 1.69 5.6 1.1 -97±30 0.011±0.003 Table 5.1 – Pertes de propagation mesurées et propriétés modales simulées pour les concep- tions de guides d’onde SWG présentées dans le chapitre4, puce #5
détermination R2 pour ces deux ensembles de données sont de 0.92 pour le guide d’onde dans
la région métamatériau et de 0.84 pour le guide d’onde avec lumière lente, indiquant une faible qualité de la régression et ne respectant pas le critère de sélection proposé précédemment. Des guides d’onde fabriqués sur la puce #5 avec des ensembles de paramètres différents, mais ayant des propriétés modales similaires et un coefficient de détermination élevé, possèdent des pertes de propagation plus faibles. Les deux guides d’onde offrant les figures de mérite les plus élevées sont présentés au tableau 5.2. Ce sont ces deux guides d’onde SWG qui seront
comparés et discutés pour le reste de ce chapitre, nommés guide d’onde SWG métamatériau
et guide d’onde SWG avec lumière lente. Des pertes minimales de -8.1±0.5 dB/cm ont été
mesurées pour un guide d’onde SWG dans la région métamatériau (Kx=0.31), tandis qu’on obtient des pertes plus élevées de -25.9±0.9 dB/cm dans la région lumière lente (Kx=0.45). De plus, les mesures de la puce #6 sont en accord avec celles de la puce #5 pour le guide d’onde
SWG métamatériau ayant des paramètres identiques, c’est-à-dire des pertesαprop=-9.7±1.5. Le guide d’onde dans la région de lumière lente ayant les paramètres présentés au tableau 5.2
n’a pas été dupliqué pour la puce #6, dû à l’espace limitée de la puce. Les mesures de puissance en fonction de la longueur de propagation, permettant de calculer les pertes de propagation par méthode de coupure, sont présentées à la figure 5.8pour ces deux cas d’intérêt.
Avec les propriétés modales obtenues par simulation et en utilisant la même méthodologie que celle expliquée dans la section4.4.2, cela résulte en des figures de mérites deF OMf ab=0.056±0.003 pour la région métamatériau et F OMf ab=0.038±0.001 pour la région de la lumière lente. On rappelle ici que la figure de mérite correspond au facteur d’interaction γ divisé par les pertes
de propagation et que la figure de mérite du guide d’onde en ruban avec le mode TM0 est de
F OMf ab=0.067±0.006. Ce résultat est légèrement supérieur au guide d’onde SWG métama- tériau, mais le chevauche presque en tenant compte des incertitudes.
Région W (nm) Λ (nm) DC Kx nef f ng γ αprop (dB/cm) F OMf ab (dB/cm)−1 Métamatériau 1000 300 0.5 0.31 1.70 3.1 0.46 -8.1±0.5 0.056±0.003 Lumière lente 750 450 0.5 0.45 1.65 5.4 0.99 -25.9±0.9 0.038±0.001 Table 5.2 – Pertes de propagation mesurées minimales et propriétés modales simulées pour les conceptions de guide d’onde SWG, pour les régions métamatériau et lumière lente (Puce
(a) Région métamatériau (b) Région lumière lente
Figure 5.8 – Mesures de la puissance de sortie en fonction de la longueur du guide d’onde en ruban et les pertes de propagation résultantes, pour les guides d’ondeSWG ayant les meilleures
performances avec les paramètres et les propriétés modales présentés dans le tableau 5.2
Également, l’influence de l’indice de groupe sur les pertes de propagation est étudiée ici. La figure5.9présente une relation quadratique entre les pertes de propagation mesurées et l’indice de groupe simulé, dans le cas où trois des données mesurées incluses dans le tableau C.1 ne sont pas prises en compte. On note que les paramètres de conception (W,Λ,DC) sont tous
différents pour chaque point de donnée. Par ailleurs, les deux guides d’onde possédant les meilleures performances, présentés au tableau 5.2 font partie des données jugées aberrantes pour l’ajustement quadratique. En général donc, les pertes de propagation des guides d’onde
SWG sont plus élevées que les pertes qui sont reportées au tableau 5.2 pour les deux cas
optimaux (métamatériau et lumière lente) qui sont comparées avec les performances des guides d’onde en ruban dans le paragraphe précédent. Les pertes mesurées varient ainsi environ dans l’intervalle de αprop≈[20, 60] dB/cm en fonction de leur indice de groupe.
Ces résultats sont discutés dans la section suivante.
5.3.4 Discussion sur les pertes de propagation
Cette section discute des causes et conséquences des pertes de propagation des guides d’onde
SWG. Les résultats obtenus ici sont également comparés aux pertes rapportées dans la lit-
térature. La théorie sur les pertes de propagation dans les guides d’onde a été expliquée