[论文解读] 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 3

一句话总结

本论文提出一种两步法制造工艺，结合聚焦离子束（FIB）铣削与扫描近场光学显微镜（SNOM），对SiO2/SiON/SiO2波导进行光子晶体晶格的纳米结构化。尽管FIB铣削孔洞存在不完美，SNOM表征仍揭示了波长相关的光限制：在850 nm（禁带外）的传输比900 nm（禁带内）高5倍，且在线缺陷结构中表现出清晰的导光行为，证明了近场探测在超越二维建模预测的复杂三维纳米结构中的有效性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种结合传统波导制备与FIB铣削光子纳米结构的混合制造工艺，用于集成光学器件。
• 通过使用FIB图案化金属掩膜以进行后续反应离子束蚀刻（RIE），克服FIB铣削的局限性（如纵横比差、形状缺陷等）。
• 利用扫描近场光学显微镜（SNOM）实验表征低折射率光子晶体结构中的光限制与传播行为。
• 将二维近似模型中的光子禁带效应理论预测与三维不完美纳米结构的实验结果进行对比验证。
• 展示SNOM在复杂、不完美光子器件中的诊断能力，这些器件的行为无法通过二维仿真准确预测。

提出的方法

• 采用两步法制造工艺：首先通过标准技术制备SiO2/SiON/SiO2波导；其次利用FIB在波导表面铣削出三角形孔阵列。
• 使用FDTD方法（RSoft FullWave）对二维等效结构中的电磁场传播进行建模，孔径直径d=200 nm，周期a=360 nm。
• 通过PWE方法（RSoft BandSolve）进行光子禁带（PBG）计算，确认当d=0.7a时，在λ=900 nm处存在窄的TM禁带。
• 采用SNOM探测倏逝场，测量在λ=825 nm、850 nm和900 nm处的近场强度分布。
• 获取形貌与光学SNOM图像，以关联表面形貌与光传播行为。
• 将传输效率量化为不同波长下输出与输入光功率的比值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低折射率介质材料（SiO2/SiON）中，具有中等折射率对比度（Δn≈0.49）时，能否观测到光子禁带效应？
• RQ2 FIB铣削带来的制造缺陷如何影响二维近似结构中的光子禁带行为？
• RQ3 扫描近场光学显微镜（SNOM）在多大程度上能够揭示不完美三维光子晶体波导中的光限制与传播行为？
• RQ4 光子晶体晶格中线缺陷的存在如何影响光的导引与衍射图案？
• RQ5 尽管存在结构缺陷，SNOM能否在纳米结构波导中区分禁带与非禁带行为？

主要发现

• 在TM偏振下，数值模拟预测在λ=900 nm（a/λ≈0.485）处存在完整的光子禁带，且d/a的范围为0.65–0.82时禁带较窄，但实验结果因制造缺陷未显示明显的禁带效应。
• 在λ=850 nm（理论禁带外）时，传输效率是λ=900 nm（禁带内）的五倍，表明光在晶格中的穿透具有显著的波长依赖性。
• 在λ=850 nm处的SNOM图像显示光深入穿透孔阵列，而在λ=900 nm处光强在结构内部迅速衰减，与禁带行为一致。
• 在线缺陷结构中，观察到缺失行处有一条暗线，两侧各有一条亮线，表明缺陷处存在导模，且在θ=18.8°处检测到衍射光束。
• 实验获得的SNOM结果与FDTD模拟结果在定性上具有良好一致性，证明了近场探测在诊断复杂、不完美三维纳米结构中的有效性。
• 尽管FIB铣削导致结构存在缺陷，SNOM仍成功揭示了导模与波长相关的光限制行为，验证了其在真实器件表征中的实用性。