Filtrage par multicouches nanostructuréesFiltrage par multicouches nanostructuréesA. L. Fehrembach, A. Sentenac, D. Maystre (1); S. Hernandez, O. Gauthier-Lafaye, P. Arguel, S. Bonnefont, F. Lozes Dupuy (2) A. L. Fehrembach, A. Sentenac, D. Maystre (1); S. Hernandez, O. Gauthier-Lafaye, P. Arguel, S. Bonnefont, F. Lozes Dupuy (2)

(1) Institut Fresnel, DU St Jérôme, 13397 Marseille cedex 20; (1) Institut Fresnel, DU St Jérôme, 13397 Marseille cedex 20; ((2) LAAS CNRS, 7, avenue du Colonel Roche, 31077 Toulouse Cedex 4;2) LAAS CNRS, 7, avenue du Colonel Roche, 31077 Toulouse Cedex 4;

Détermination des épaisseurs de l’empilement anti-reflet

Exciter deux modes indépendants [2]

x

z y

(S)

x

z y

x

z y

(S)

0

R

i

p

s

1|i1|2 sin2()

2 cos(2)

|i1|2 cos2()

=> 2 motifs du réseau 2D pour obtenir l’indépendance à la polarisation en incidence oblique [3]

Maille carréedouble périodeMaille hexagonale

inc

SiO2/air (e1, n=1.35)

Si3N4 (e3, n=2.02)

Si3N4 (e2, n=2.02)

Substrat Verre 500µm

SiO2 (e4, n=1.48)

e1 SiO2=113 nme2 Si3N4=182 nme3 Si3N4 = 182 nme4 SiO2 = 106 nm

Réalisation d’empilements anti-reflet

•Dépôt SiO2 PECVD

•Dépôt Si3N4 LPCVD

•Mesure des épaisseurs et indices par ellipsométrie

Mise au point d’un process d’écriture sur verre par lithographie électronique

•Insolation de motifs nanométriques dans du PMMA (calibration du masqueur, test de doses, raccord de champs…)

Gravure des motifs dans le SiO2 par ICP

•Sélectivité entre le SiO2 et le Si3N4

•Obtention de trous ronds avec flancs verticaux

Réalisation des premiers filtres sur une surface de 1 mm²

Travail en cours: montage du banc de test et caractérisation des échantillons

Réseau 2D éclairé dans un plan de symétrie Spectre des 2 polarisations donné par la méthode perturbative

Structure simulée

Anti-reflet simulé pour un angle d’incidence θ=15° pour une onde incidente polarisée s et p

Épaisseurs optimales

Paramètres du réseau hexagonal pour θ=15°

Spectre en réflexion de la structure complète pour une onde incidente polarisée s et p

Image AFM en 3D de la surface d’un filtre, trous gravés dans le SiO2, rugosité<2 nm

Photo au microscope électronique à balayage d’un filtre vu de dessus, trous gravés dans le SiO2

jusqu’au Si3N4, 5 nm d’or ont été déposé pour l’observation.

Photo au microscope électronique d’un échantillon incliné de 45°, les trous sont gravés dans le SiO2.Un substrat en Silicium a été utilisé permettant le clivage. Structure: Substrat Si, SiO2 2 µm, Si3N4 200 nm, SiO2 120 nm, Au 5nm

Développement du procédé de fabrication

Conception du filtre

Objectif: Réaliser un filtre en espace libre à bande spectrale très étroite, fonctionnant en incidence oblique et indépendant à la polarisation.

Condition de couplage :

i ~ p i + Kip ~ Re(p)

i: longueur d’onde incidentep, p : longueur d’onde et pulsation spatiale du mode propreinc : composante tangentielle du vecteur onde incidentK : vecteur du réseau réciproque permettant le couplage entre l’onde incidente et le mode p

Objectif et choix de la structure

0

1

R

r

liée à h

ii

r

inc K

p

hp

ii

r

inc K

p

hp

Anti-reflet

Indépendance à la polarisation:

Annuler l’expression ε12cos(2Φ)et

ε12 : cœfficient de fourier correspondant au couplage entre les deux modes (dépend de la géométrie du motif)

2Φ : angle entre la direction de propagation des 2 modes

Détermination des paramètres de la nanostructure 2D

Résultat de la simulation:

-Indépendance à la polarisation

-Taux de réjection > 100

-Largeur à mi-hauteur = 0.16 nm

0.16nmΔλ

(nm)

R

RsRp

d

rd=454nm

r=155nm

=60°

Solution proposée:

Filtrage en réflexion par réseau résonnant [1]:

-Empilement anti-reflet supportant un mode guidé-Nanostructuration de surface

Ki 2

902

inc

Ki 2

902

inc

902

inc

902

inc

902

inc

902

inc

902

inc

902

inc

Ki1[1] D. Maystre, "General study of grating anomalies", in Electromagnetic surface modes, A.D. Boardman ed. (John Wiley & Sons, Chichester, 1982), pp. 661-724. [2] (2002) A. L. Fehrembach, D. Maystre, A. Sentenac 'Phenomenological theory of filtering by resonant dielectric gratings' J. Opt. Soc. Am. A, 19, 1136-1144[3] (2003) A. L. Fehrembach et A. Sentenac 'Study of waveguide gratings eigenmodes for unpolarized filtering applications' J. Opt. Soc. Am. A, 20, 481-488

2Φ=90° ε12=0ou

Remerciements : Ce travail a bénéficié du soutien du CNES et de Astrium/EADS