[논문 리뷰] Nanostructuring Optical Waveguides by Focused Ion Beam Milling. Near-Field Characterization

F. Lacour, Andreï Sabac외 1명|ArXiv.org|2008. 01. 26.

Near-Field Optical Microscopy참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 집중 이온 비임 (FIB) 연마와 스캐닝 인프라레드 광학 현미경 (SNOM)을 조합한 이단계 공정을 통해 광결정 격자로 나노구조화된 SiO2/SiON/SiO2 파장구를 제작한다. 완벽하지 않은 FIB로 연마한 구멍에도 불구하고, SNOM 측정 결과 파장에 따라 빛의 구속이 달라지는 것으로 나타났다: 850 nm에서의 전송은 900 nm에서의 전송보다 5배 높았으며, 이는 밴드 갭 외부(850 nm)에서의 전송이 밴드 갭 내부(900 nm)에서의 전송보다 높음을 시사한다. 또한 선결함을 가진 구조에서는 명확한 빛의 유도가 관찰되어, 2차원 모델 예측을 뛰어넘는 복잡한 3차원 나노구조에서의 효과적인 근접장 탐측이 가능함을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 통합 광학을 위한 전통적인 파장구 제조 공정과 FIB로 연마한 광나노구조를 조합한 하이브리드 공정 개발
• FIB 연마의 한계(예: 낮은 급경사비, 형상 불완전성)를 보완하기 위해 FIB로 금속 마스크를 패턴화한 후 후속 RIE 에칭을 수행함으로써 문제 해결
• 스캐닝 인프라레드 광학 현미경(SNOM)을 이용해 저지수 광결정 구조에서의 빛의 구속 및 전파 특성을 실험적으로 측정함
• 2차원 근사 모델에서의 광밴드 갭 효과 이론 예측을 3차원 불완전 나노구조에서의 실험 결과와 대조하여 검증함
• 2차원 시뮬레이션으로는 예측할 수 없는 행동을 보이는 복잡한 불완전 광학 장치에서 SNOM의 진단 능력을 입증함

제안 방법

• 이단계 공정: 첫 번째 단계로 표준 기술을 이용해 SiO2/SiON/SiO2 파장구를 제조하고, 두 번째 단계로 FIB를 사용해 파장구 표면에 삼각형 격자 형태의 구멍을 연마함
• FDTD 시뮬레이션(RSoft FullWave 사용)을 통해 2차원 등가 구조에서 전자기장 전파를 모델링함. 구멍 지름 d=200 nm, 격자 간격 a=360 nm
• PWE(기준 RSoft BandSolve)를 이용한 광밴드 갭(PBG) 계산 결과, d=0.7a일 때 λ=900 nm에서 좁은 TM 밴드 갭 존재 확인
• SNOM을 이용해 응집장(field)을 탐측하고, λ=825 nm, 850 nm, 900 nm에서 근접장 강도 분포 측정
• 표면 형태와 빛 전파 행동 간의 상관관계를 분석하기 위해 표면형상 및 광학적 SNOM 이미지 확보
• 전송 효율은 다양한 파장에서의 출력 및 입력 광출력의 비율로 정량화함

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저지수 유전체 물질(SiO2/SiON)에서 중간 정도의 굴절률 대비(Δn≈0.49)로도 광밴드 갭 효과를 관찰할 수 있는가?
• RQ2 FIB 연마로 인한 제조 불완전성이 2차원 근사 모델에서의 광밴드 갭 행동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 스캐닝 인프라레드 광학 현미경(SNOM)이 불완전한 3차원 광결정 파장구에서 빛의 구속 및 전파를 어느 정도 정확하게 드러내는가?
• RQ4 광결정 격자 내 선결함 존재 시 빛의 유도 및 회절 패턴은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 구조적 불완전성에도 불구하고 SNOM이 나노구조 파장구에서 밴드 갭 및 비밴드 갭 행동을 구분할 수 있는가?

주요 결과

• TM 편광에서 λ=900 nm(a/λ ≈ 0.485)에 대해 수치적으로 완전한 광밴드 갭 예측되었으며, d/a = 0.65–0.82 범위에서 좁은 밴드 갭 존재, 그러나 제조 불완전성으로 인해 실험 결과에서는 명확한 밴드 갭 효과 관찰되지 않음
• 이론적 밴드 갭 외부인 λ=850 nm에서의 전송 효율은 λ=900 nm에서의 전송 효율보다 5배 높았으며, 이는 격자 내로의 빛 침투가 파장에 따라 크게 달라지는 것을 시사함
• λ=850 nm에서의 SNOM 이미지에서는 깊은 빛의 침투가 관찰되었고, λ=900 nm에서는 빛 강도가 구조 내에서 급격히 감소하여 밴드 갭 행동과 일치함
• 선결함이 있는 구조에서는 결함 라인을 따라 어두운 선과 양쪽으로 두 개의 밝은 선이 관찰되어 결함을 따라 유도 모드 존재를 확인하였으며, θ=18.8°에서 산란된 빛의 광선도 감지됨
• 실험적 SNOM 결과는 FDTD 시뮬레이션과 양적 일치를 보였으며, 이는 불완전한 3차원 나노구조에서 복잡한 장치를 진단하는 데 근접장 탐측 기술의 유용성을 입증함
• FIB 연마로 인한 구조적 불완전성에도 불구하고, SNOM는 효과적으로 유도 모드 및 파장에 따른 빛의 구속을 드러내어, 실제 장치 특성 분석에 있어 SNOM의 활용 가능성을 확인함