[論文レビュー] Nanostructuring Optical Waveguides by Focused Ion Beam Milling. Near-Field Characterization

F. Lacour, Andreï Sabac+1 more|ArXiv.org|Jan 26, 2008

Near-Field Optical Microscopy参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、集束イオンビーム（FIB）マシニングと走査近接場光学顕微鏡（SNOM）を組み合わせた2段階のプロセスにより、光子結晶格子を有するSiO2/SiON/SiO2波guidesをナノ構造化する手法を提示する。FIBマシニングによる穴の不完全さにもかかわらず、SNOMによる評価では波長依存の光の閉じ込めが確認された。850 nm（バンドギャップ外）では900 nm（バンドギャップ内）よりも5倍の透過率が観測され、ライン欠陥構造では明確なガイド励起が確認された。これは、2次元モデル予測を超える複雑な3次元ナノ構造に対して、近接場プローブが有効であることを示している。

ABSTRACT

Nanostructures have become an attractive subject due to many applications, particularly the photonic bandgap effect observed in photonic crystals. Nevertheless, the fabrication of such structures remains a challenge because of accurate requirement concerning regularity, shape, hole depth etc. of the structure. E-beam lithography permits a good control of dimensional parameters but needs a 1-step fabrication process. In our work, we have to combine traditional strip-load waveguides (SiO2/SiON/SiO2 on Si) and nanostructures whose dimension are totally different. This imposes a 2-step process where waveguides and nanostructures are successively fabricated. We have at our disposal different ways to characterize these nanostructures. A direct aspect control during and after FIB treatment can be achieved by FIB and SEM imaging. Scanning near-field optical microscopy (SNOM) is currently the most effective way to test guiding confinement in such surface structures by detecting the evanescent field.

研究の動機と目的

• 集積光回路用に、従来の波guides形成プロセスとFIBマシニングによる光子ナノ構造の組み合わせを用いたハイブリッドプロセスの開発。
• FIBマシニングによる欠陥（例：アスペクト比の低さ、形状の不備）を補うために、FIBで金属マスクをパターン形成し、その後にRIEエッチングを実施する手法の開発。
• 走査近接場光学顕微鏡（SNOM）を用いて、低屈折率光子結晶構造における光の閉じ込めと伝搬を実験的に評価すること。
• 2次元近似モデルによる予測された光子バンドギャップ効果を、3次元の不完全ナノ構造に対する実験結果と照合して検証すること。
• 2次元シミュレーションでは予測できない複雑な不完全光子デバイスにおける、SNOMの診断能力を実証すること。

提案手法

• 2段階のプロセス：まず、標準的手法でSiO2/SiON/SiO2波guidesを形成し、次にFIBを用いて波guides表面に三角格子の穴をマシニングする。
• FDTDシミュレーション（RSoft FullWaveを用いて）により、2次元同等構造における電磁界の伝搬をモデル化し、穴径d=200 nm、周期a=360 nmとして設定。
• PWE（RSoft BandSolveを用いて）による光子バンドギャップ（PBG）計算により、d=0.7aの場合にλ=900 nmで狭いTMバンドギャップが存在することが確認された。
• SNOMを用いて表面状態に近い場の分布（エバネッセント場）を測定し、λ=825 nm、850 nm、900 nmにおける近接場強度分布を取得。
• 表面の地形と光の伝搬挙動の相関関係を評価するため、走査型顕微鏡による表面形状と光学的SNOM画像を同時に取得。
• 透過効率は、異なる波長における出力光パワーと入力光パワーの比として定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 屈折率対比Δn≈0.49のやや低い屈折率差を有する低屈折率誘電体材料（SiO2/SiON）において、光子バンドギャップ効果が観測可能か。
• RQ2 FIBマシニングによる製造不備が、2次元近似構造における光子バンドギャップ挙動に及ぼす影響は何か。
• RQ3 走査近接場光学顕微鏡（SNOM）は、不完全な3次元光子結晶波guidesにおける光の閉じ込めと伝搬をどの程度正確に明らかにできるか。
• RQ4 光子結晶格子内にライン欠陥が存在する場合、光のガイド励起および回折パターンにどのような影響を与えるか。
• RQ5 構造的不備が存在するにもかかわらず、SNOMはナノ構造波guidesにおけるバンドギャップと非バンドギャップ挙動を区別できるか。

主な発見

• TM偏光において、λ=900 nm（a/λ ≈ 0.485）で数値的に完全な光子バンドギャップが予測されたが、実験結果では製造不備のため明確なバンドギャップ効果は観測されなかった。
• λ=850 nm（理論的バンドギャップ外）では、λ=900 nm（バンドギャップ内）よりも透過効率が5倍高く、波長依存の光の浸透が顕著に確認された。
• λ=850 nmにおけるSNOM画像では、穴格子内への深く浸透した光の分布が観測されたが、λ=900 nmでは構造内部で光強度が急速に減少し、バンドギャップ挙動と整合的であった。
• ライン欠陥構造では、欠陥の行に沿って暗い線、両側に明るい線が観測され、欠陥に沿ったガイドモードが確認された。さらに、θ=18.8°で回折ビームも検出された。
• 実験的SNOM結果はFDTDシミュレーションと定性的に良好に一致しており、不完全な3次元ナノ構造に対して近接場プローブが有効であることが示された。
• FIBマシニングによる構造的不備が存在する中でも、SNOMはガイドモードおよび波長依存の閉じ込めを明確に特定でき、実用デバイスの特性評価におけるSNOMの有効性が裏付けられた。