Desenvolupament d'un microscopi òptic de camp proper (SNOM) per a la caracterització de components optoelectrònics integrats

Abstract

L'objectiu principal d'aquesta tesi és el desenvolupament d'una nova eina de caracterització local, basada en tècniques de microscòpia d'escombrat, que permeti estudiar la propagació de la llum en medis de guiat òptic. Aquest nou microscopi s'anomena microscopi òptic de camp proper (SNOM). L'aplicació d'aquest nou instrument a diferents estructures i dispositius òptics integrats ha permès obtenir informació del comportament de la propagació de la llum en funció dels paràmetres del procés tecnològic. <br/><br/>La informació que és pot obternir es pot separar en dues parts: una caracterització topogràfica que permet estudiar l'estructura morfològica del dispositiu (rugositat de la superfície, dimensions geomètriques dels dispositius, etc) amb gran resolució (~nm), i sense malmetre la mostra; per altra banda, capturant les ones evanescents presents a la superfície de l'estructura, s'estudia la propagació modal de la llum a través del dispositiu, amb una resolució per sota del límit de difracció, essent l'única tècnica que permet aquest tipus de caracterització. Addicionalment s'obté la l'índex de refracció efectiu de propagació per la guia, i la mesura del paràmetre de decaïment del camp evanescent. <br/><br/>El microscopi s'ha construït al propi laboratori, i és del tipus "stand-alone", perfectament compatible amb un banc òptic de mesura. Els rangs del microscopi són de 300mmx150mm en el pla de la mostra, i de 5mm verticalment. El control de la distància punta-mostra és del tipus "tuning fork shear force control".<br/><br/>El tipus de mostres estudiades es basen en la tecnologia de silici. Primer s'han estudiat dispositius basats en guies de nitrur de silici d'estructura en esglaó, amb un nucli de 200nm. S'ha estudiat la distribució modal en funció de l'amplada de la guia, i s'ha determinat l'índex efectiu de propagació. Finalment s'ha caracteritzat l'atac Reactive Ion Etching per obtenir esglaons < 10nm.<br/><br/>A continuació s'han estudiat dispositius basats en l'estructura ARROW, del tipus multicapa, amb un nucli ~3mm. S'ha determinat la condició de propagació monomode, s'ha avaluat el camp evanescent vertical i lateral de guies rectes, s'ha estudiat la unió en Y d'un interferòmetre Mach-Zehnder, i finalment s'ha mesurat a través del camp evanescent, la longitud d'acoblament d'un acoblador direccional.<br/><br/>Finalment, la última part de la tesi s'ha dedicat a explorar l'ús de diferents tècniques litogràfiques per modificar guies microfabricades de forma estàndard, per tal d'obtenir dispositius nous i de menors dimensions. Les guies modificades són guies de nitrur de silici. La primera tècnica estudiada és una combinació de litografia Làser i atac químic, i s'ha aconseguit visualtizar un nou comportament en aquestes guies, la conversió de mode TE a TM. La segona tècnica estudiada és una combinació de litografia AFM i atac RIE, i s'ha determinat les condicions d'atac per provocar canvis significatius en la propagació de la llum

The main objective of this thesis is to develop a new instrument, a Scanning Near-Field Optical Microscope (SNOM), based on scanning microscopy techniques, for the characteritzation of optical guiding devices. Applied to different integrated optical structures and devices, information on the light propagation as a function of technological parameters will be obtained.<br/><br/>The obtained information can be separated in two branches: first, a topographic characterization, which allows to study the morphology of the structure (surface roughness, geometric dimensions, etc) with a resolution below 1nm without any special preparation of the sample; and second, an optical characterization which allows to study the light propagation with a resolution below the classical diffraction limit. By picking up the evanescent waves presents on the surface of the optical guiding devices the modal propagation is visualized, being the unique technique allowing such measurement. Also the decay length of the evanescent field is characterized, as well as the effective refractive index of the structure. <br/><br/>The home-made built microscope is a stand-alone design, fully compatible with a standard optical bench for the characterization of optical waveguiding devices. The ranges of the microscope are 300mmx150mm in the plane and 5mm vertical, and the tip-sample distance control is based on tuning fork shear force control. <br/><br/>Based on silicon technology, two different waveguide structures has been studied. The first one is a silicon nitride based rib waveguides, with a thin core of about 200nm The modal propagation depending on the width of the structure is characterized, as well as the evanescent field. Finally, the Reactive Ion Etching used to make the rib has been teste to produce steps below 10nm.<br/> <br/>The second structure is known as ARROW structure, which is a multilayer structure with a core similar to that of a fiber (~3mm). In this case the single mode propagation condition has been determined, and the vertical and lateral evanescent field have been measured. A Y-branch of an interferometer has been also studied, and finally the coupling length of a directional coupler has been experimentally determined.<br/><br/>The last part of the thesis is devoted to the modification of standard microfabricated optical waveguides by new lithographic techniques, in order to obtain new and smaller devices. The first technique is a combination of laser lithography and chemical etching, and by modifying a standard rib silicon nitride waveguide is has been observed a polarization conversion (TE-TM conversion). The second technique is a combination of AFM-lithography and RIE, which allows nanometer-scale modifications. The results of this new technique shows whether the modification can significantly changes the propagation conditions or not