2.2 Optimisation des paramètres opto-géométriques de la structure DMG
2.2.2 La structure optimisée
Nous avons convergé vers une structure optimisée qui répondait à toutes nos at-tentes, aussi bien en spectres résultants qu’en difficultés de fabrication. Nous voulions une réponse polarisée optiquement pour savoir si l’EOE est présente dans les deux polarisations donc nous avons choisi une structure invariante dans une direction. Le schéma de cette structure est présenté figure 2.5. Les réseaux ont pour période d
= 1930nm, pour fente w = 730nm et pour épaisseur d’or tAu = 230nm. L’espace entre les deux réseaux a une épaisseur de tspacer = 900nm et les couches d’encapsu-lations supérieure et inférieure ont une épaisseur dettop=tbottom= 670nm. Pour la permittivité de l’or nous utilisons le modèle de Drude rappelé dans l’équation 2.5.
Au(λ) = 1− 1
(λλp +iγ)λλp (2.5)
Avec la longueur d’onde du plasma λp = 160nm et les pertes dans le métal γ = 0,0077.
Pour le nitrure de silicium, nous avons considéré un diélectrique transparent idéal et non dispersif avec un indice SiNx = 4.
Le spectre calculé sous incidence normale pour chaque polarisation (TE/TM) est représenté dans la figure 2.6. Dans les deux polarisations nous observons un pic
38 Mécanisme de résonance et modélisation de la structure DMG encapsulée
Figure 2.5 – Schéma de la structure DMG encapsulé avec le nom de ses pa-ramètres géométriques. Pour l’orientation des champs la polarisation TE est en rouge et TM en bleu.
3.5 4 4.5 5 5.5
Longueur d'onde (µm)
Transmission
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
TM
TE
Figure 2.6 – Spectre calculé en transmission sous incidence normale du DMG encapsulé pour les polarisations TM et TE.
de transmission.
Dans le but de mettre en évidence les fortes variations de transmission nous avons tracé figure 2.7 le spectre calculé sous incidence normale pour chaque polarisation (TE/TM) en échelle logarithmique.
Les spectres en transmission possèdent différentes particularités surtout en po-larisation TM. Tout d’abord nous observons la TOE à la longueur d’ondeλT OE = 3.8 µm ce qui est similaire aux résultats décrits dans l’article de Chan et al. [61].
Dans cet article, Chanet al.présentent les mesures en transmission d’une structure DMG en aluminium encapsulée dans de l’oxyde de silicium. Ces mesures montrent un pic de transmission en polarisation TM (figure 2.6). Dans notre cas ce pic de transmission est dû à deux résonances en mode guidé : en observant la carte de
2.2 Optimisation des paramètres opto-géométriques de la structure DMG
encapsulée 39
b)
Longueur d'onde (µm)
Extinction Optique Extraordinaire
Transmission Optique Extraordinaire
Extinction aux basses longueurs d'onde
a)
Figure 2.7 – a) Spectre calculé en transmission sous incidence normale du DMG encapsulé pour les polarisations TM et TE en échelle logarithmique.
b) Les cartes de champs magnétiques (TM) et électriques (TE) calculées au minima et maxima de transmission pour les polarisations TE et TM
40 Mécanisme de résonance et modélisation de la structure DMG encapsulée
Figure 2.8– Spectres calculés en transmission pour différentes épaisseurs d’es-pace entre les deux réseaux.
champs correspondante de la figure 2.7, nous constatons qu’une résonance se situe dans la couche supérieure et qu’une autre se situe dans la couche intermédiaire.
Grâce aux choix des épaisseurs de ces couches, les longueurs d’onde de ces deux résonances sont identiques. Pour séparer ces deux résonances nous avons tracé diffé-rents spectres en changeant l’épaisseur de nitrure de silicium entre les deux réseaux, les résultats sont présentés figure 2.8. Nous constatons que pour une épaisseurtspacer
= 800nm les deux résonances sont séparées : Nous avons donc deux résonateurs dont on peut ajuster les longueurs d’onde afin d’élargir la bande passante du filtre. Une seule des deux résonances est dépendante de l’espace entre les deux réseaux, ce qui traduit la présence de deux résonateurs indépendants.
Dans le spectre figure 2.7 nous remarquons à la longueur d’ondeλEOE = 4.06 µm l’EOE prédite par Estruch et al. [43]. À cette longueur d’onde seul l’ordre 0 est propagatif dans le nitrure de silicium, les ordres supérieurs sont évanescents. Aux basses longueurs d’onde, une extinction se produit àλ= 3.32 µm. Cette extinction, à l’inverse de l’extinction de la structure DMG suspendue, n’est pas l’anomalie de Rayleigh Wood. Cette extinction est prédite par Morenoet al.[67]. Dans cet article il étudie une structure composée d’un réseau métallique et d’une couche de diélec-trique. Cette étude montre la présence d’une extinction pour une longueur d’onde inférieure au pic de transmission. Cette extinction est due à une résonance en mode guidée dans la couche supérieure de notre structure. Ceci est confirmé par la carte de champs de la figure 2.7 b) àλ=3320nm. La faible transmission en dehors de la bande
2.2 Optimisation des paramètres opto-géométriques de la structure DMG
encapsulée 41
Nombre d'onde (cm-1 )
T
Kx (π/d)
EOE
TOE2
TOE1
Figure 2.9– Diagramme en transmission calculé pour des angles de 0◦ à 41◦en polarisation TM. Les composantes de la transmission extraordinaire (lignes vertes) et l’extinction extraordinaire (ligne bleue) sont indiquées.
passante est démontrée. Nous pouvons le vérifier sur la figure 2.6 où la transmission reste en dessous deT = 0.01 pourλ <3.65 µm et entre 3.97 et 4.38 µm.
En polarisation TE, nous avons un pic de transmission qui est dû à une résonance dans la couche intermédiaire, comme le montre la carte de champ à λ = 4370nm dans la figure 2.7. En revanche, nous n’observons pas d’extinction extraordinaire, signe de l’influence de la polarisation sur ce phénomène et du probable rôle des plasmons de surfaces, ondes polarisées TM.
Nous avons aussi étudié les réponses en transmission selon l’angle d’incidence dans les deux polarisations. Les diagrammes de transmission sont présentés figure 2.9 pour la polarisation TM et figure 2.10 pour la polarisation TE. Dans ces figures, on représente l’intensité transmise selon une échelle de couleur logarithmique en fonction du nombre d’onde et de la composante du vecteur d’onde perpendiculaire aux barreaux. Dans le cas de la polarisation TM nous retrouvons l’EOE (bande noire indiquée par la ligne bleue) qui dépend de l’angle d’incidence. Nous remarquons aussi que les deux mécanismes, représentés par des lignes vertes sur la figure 2.9, qui participent à la transmission extraordinaire n’ont pas la même dépendance angulaire, en particulier pour les faibles incidences, mais sont confondus pour θ = 0◦. Dans le cas de la polarisation TE nous constatons que le pic de transmission ne dépend pas de l’angle d’incidence ce qui ressemble à une résonance de Fabry-Perot. Nous observons également l’absence de phénomène d’extinction en polarisation TE (pas
42 Mécanisme de résonance et modélisation de la structure DMG encapsulée
Nombre d'onde (cm-1 )
Kx (π/d)
T
Figure 2.10 – Diagramme en transmission calculé pour des angles de 0◦ à 41◦ en polarisation TE.
de bande noire).
2.3 Conclusion
Ce chapitre a traité des structures DMG pour le filtrage spectral. La littérature présentait l’existence de transmission résonante (démonstration expérimentale) et d’extinction de la transmission de part et d’autre de cette résonance (démonstration théorique). Nous avons pour notre part conçu une structure DMG améliorée, dans laquelle les réseaux métalliques sont encapsulés dans un diélectrique, compatible avec un procédé de fabrication. Une étude numérique a été réalisée et a confirmé l’existence des phénomènes cités ci-dessus en polarisation TM tandis qu’en polarisa-tion TE, seule la transmission extraordinaire était présente. Une étude paramétrique sur les géométries et l’angle d’incidence a permis de mettre en évidence l’existence de plusieurs résonateurs, et donc la possibilité d’élargir la bande-passante du filtre.
Chapitre
3 Étude expérimentale de la structure DMG encapsulée
Sommaire
3.1 Fabrication de la structure DMG encapsulée . . . . 43 3.1.1 Procédé de fabrication de la structure DMG encapsulée . . . 44 3.1.2 Modélisation avec les paramètres de la structure DMG
fabri-quée. . . 53 3.2 Caractérisation de la structure DMG encapsulée fabriquée 56 3.2.1 Description du banc optique utilisé pour la caractérisation . . 56 3.2.2 Caractérisation de la structure DMG encapsulée . . . 56 3.3 Conclusion . . . . 57
D
ans le chapitre précédent, nous avons optimisé les paramètres d’un DMG en-capsulé pour que la transmission et les deux extinctions qui l’encadrent se situent dans le moyen infrarouge. Nous avons choisi d’étudier la structure DMG en-capsulée dans le but de la fabriquer et le caractériser. Dans ce chapitre nous allons détailler les différentes étapes du procédé de fabrication que nous avons développé pour ce composant. Puis nous détaillerons la méthode de caractérisation et les ré-sultats expérimentaux obtenus avec les échantillons : des spectres en transmission ont été mesurés, en fonction de l’angle d’incidence et de la polarisation.3.1 Fabrication de la structure DMG encapsulée
La fabrication du filtre va nécessiter le dépôt des 5 couches sur un substrat de silicium (3 couches de nitrure de silicium et 2 couches de réseaux d’or avec du nitrure de silicium). Nous retirerons ensuite le substrat laissant le filtre sous forme de mem-brane. L’architecture membranaire facilite la conception car il n’est pas nécessaire de prendre en compte l’influence du substrat sur les propriétés optiques. Par ailleurs d’un point de vue technologique, des structures membranaires ont déjà été fabriquées au LPN. Nous pouvons citer en exemple les structures de l’article [68] constituées d’un réseau diélectrique sublongueur d’onde suspendu qui peux être recouvert d’or.
Un autre exemple de structure suspendue est présenté dans l’article [35]. Elle est constituée d’un réseau métallique sur une couche de diélectrique. La difficulté de
43
44 Étude expérimentale de la structure DMG encapsulée
Figure 3.1 – Schéma de la structure DMG encapsulée optimisée avec ses pa-ramètres géométriques.
notre structure réside dans le nombre important de couches qui la compose. Lors de la mise en membrane d’une structure il est nécessaire que les couches présentent des contraintes mécaniques en tension. La méthode habituelle est de faire un recuit de structure. Dans notre cas cela n’est pas possible, car la température du recuit est élevée et cela déformerait les rubans en or contenus dans le nitrure. Nous avons donc choisi un diélectrique qui avait déjà des contraintes mécaniques en tension. Outre les problèmes de membranes, l’encapsulation des réseaux de métal dans du diélectrique nécessite la mise en place d’un nouveau procédé.