Les métamatériaux à réseau sub-longueur d'onde (SWG) ont suscité un grand intérêt pour leur capacité singulière à façonner les propriétés du matériau et la propagation de la lumière, permettant la réalisation de dispositifs aux performances sans précédent. Cependant, les implémentations pratiques des SWG sont limitées par des contraintes de fabrication, telles que la taille minimale des caractéristiques, qui restreignent l'espace de conception disponible ou compromettent la compatibilité avec les technologies de fabrication à grand volume. En effet, la plupart des réalisations SWG réussies jusqu'à présent reposaient sur des techniques de lithographie par faisceau d'électrons, ce qui compromet l'évolutivité de l'approche. Nous présentons ici la démonstration expérimentale d'un séparateur de faisceau à métamatériau SWG fabriqué par lithographie par immersion dans l'ultraviolet profond dans une technologie silicium sur isolant de 300 mm. Le séparateur de faisceau métamatériau présente des performances élevées sur une largeur de bande mesurée dépassant 186 nm centrée sur 1550 nm. Ces résultats ouvrent une nouvelle voie pour le développement de circuits photoniques en silicium évolutifs exploitant l'ingénierie flexible des métamatériaux.
Les métamatériaux à réseau sub-longueur d'onde (SWG) consistent en des arrangements périodiques de structures diélectriques dont la période est sensiblement inférieure à la longueur d'onde de la lumière qui se propage. Dans ce régime, le réseau agit effectivement comme un matériau homogène dont les propriétés optiques (par exemple, l'indice effectif, la dispersion et l'anisotropie) sont déterminées par l'ensemble des matériaux constitutifs et peuvent être modifiées en concevant correctement la géométrie des cellules unitaires du réseau. Ce type de métamatériaux a été mis en œuvre avec succès, notamment dans des guides d'ondes photoniques en silicium, permettant un contrôle sans précédent de la distribution du champ et des propriétés de propagation des modes guidés, ce qui augmente considérablement la flexibilité de la conception par rapport aux guides d'ondes conventionnels. La plupart des démonstrations réussies ont jusqu'à présent reposé sur la lithographie par faisceau d'électrons, qui offre une résolution plus élevée au prix d'un débit largement réduit, ce qui limite son applicabilité à la recherche ou aux productions en petits volumes.
Nous exploitons ici une technologie de fabrication basée sur des plaquettes SOI de 300 mm et la lithographie DUV par immersion pour démontrer expérimentalement un séparateur de faisceau intégré à large bande basé sur un coupleur d'interférence multimode (MMI) conçu par SWG. Le dispositif a une épaisseur de silicium de 300 nm et une taille minimale nominale de 75 nm, bien en dessous des capacités de résolution de la lithographie DUV sèche. Nous pensons que l'utilisation de techniques lithographiques couramment disponibles dans les processus CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) sera d'une importance fondamentale pour amener les potentialités de l'ingénierie de l'indice de réfraction vers une exploitation commerciale. Cela permettra de fabriquer des dispositifs de haute performance pour le couplage fibre-puce, la division de puissance, la gestion de la polarisation et le filtrage spectral, avec des applications prometteuses, par exemple, dans les communications cohérentes, la détection et la spectroscopie.
- Références
Metamaterial-Engineered Silicon Beam Splitter Fabricated with Deep UV Immersion Lithography
Vladyslav Vakarin1,†,‡, Daniele Melati1,*,‡ , Thi Thuy Duong Dinh1, Xavier Le Roux1, Warren Kut King Kan2, Cécilia Dupré2, Bertrand Szelag2, Stéphane Monfray3, Frédéric Boeuf3, Pavel Cheben4,5, Eric Cassan1, Delphine Marris-Morini1, Laurent Vivien1 and Carlos Alberto Alonso-Ramos1
Nanomaterials 2021, 11(11), 2949
https://doi.org/10.3390/nano11112949
- Affiliations
1Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CNRS, Université Paris-Saclay, 91120 Palaiseau, France
2LETI, University Grenoble Alpes and CEA, 38054 Grenoble, France;
3STMicroelectronics SAS, 850 rue Jean Monnet, 38920 Crolles, France;
4National Research Council Canada, 1200 Montreal Road, Ottawa, ON K1A 0R6, Canada
5Center for Research in Photonics, University of Ottawa, Ottawa, Ontario K1N 6N5, Canada
*Auteur correspondant : daniele.melati@c2n.upsaclay.fr
Figure 1. Panneau supérieur : Image optique d'une wafer SOI de 300 mm. Panneau inférieur : Image au microscope électronique à balayage du séparateur de faisceaux en silicium métamatériel fabriqué. La taille minimale des caractéristiques est de 75 nm.
