WO2000025165A1 - Integration monolithique d'un systeme de detection pour la microscopie en champ proche base sur la reinjection optique dans un laser a cavite verticale emettant par la surface - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an original detection system for SNOM microscopy based on the monolithic integration of the component in III-V technology and using the effects of optical feedback in near field detection.
- the proposed optical detection architecture includes a VCSEL laser cavity, a photodetector, and a SNOM tip.
- the complete structure will be produced by successive growths of these elements in a single epitaxy.
- the SNOM tip acts as both a collecting and emitting near field probe, guaranteeing the sub-nanometric resolution of the measuring head.
- optical feedback is a source of concern for the experimenter which must be able to be mastered in order to use it as a means of detection.
- Controlled optical feedback has been widely used as a far field detection means (telemetry, velocimetry, microscopy) where the sample to be measured is placed at a distance greater than the emission wavelength of the output face of the laser. It is generally accepted that the intrinsic properties of the emission change because the light beam retroreflective mixes constructively with the emitted wave, modulating the gain profile and modifying the threshold current of the laser. It can be seen that the intensity modulation driven by a movable mirror placed in front of the laser cavity is similar to that produced by conventional optical interferometry.
- the phenomenon of optical reinjection is a source of concern for the experimenter, its control allows; use as a means of detection. It is then essential to know the specific parameters of the reinjection (make-up energy) and the operational regime of the laser cavity (threshold current) which will allow the optimal measurement sensitivity to be reached.
- a more sophisticated model of the reinjection phenomenon considers that the assembly made up of the laser cavity and the external reflector behaves like a triple Fabry-Pérot cavity. This model links intensity modulation to a change in the density of carriers in the laser cavity and assimilates it to a spectral modulation effect. This approach allowed the realization of several telemetry devices.
- the feedback effect is used to measure the vibrations of a microlever integrated into the detection system of a tunnel effect microscope (STM), sold by the American company Digital Instruments (Nanoscope II).
- STM tunnel effect microscope
- a microlever is mounted on a bimorph and disposed at a distance of several micrometers from the output face of the laser diode.
- the light emitted by the laser diode is retroreflected in the laser cavity and modulated by the vibration of the microlever.
- the resulting intensity modulation is measured by a detector integrated at the rear of the laser cavity.
- vibration amplitudes in the range of 10 nanometers have been measured with a spatial resolution of 800 angstroms.
- Different types of confocal microscopes based on the optical feedback effect already exist.
- a first confocal scanning microscope based on the optical feedback effect, is intended for the profilometry of surfaces, and achieves roughness in the range from 3 nm to 3 ⁇ m with a spatial resolution of 200 nm.
- Its very simple architecture includes a Fabry-Pérot cavity with a detector at the rear, and an optical system focusing the light beam on the sample playing the role of the external cavity. The positioning of the sample holder is ensured by a piezoelectric translator.
- a second confocal scanning microscope uses as a probe a cleaved single-mode optical fiber (this plays both the role of spatial filter for illumination and detection of the light beam).
- the phenomenon measured is based on interference produced between the wave backscattered by the probe and that reflected by the sample.
- An axial vibration of the probe, driven by a piezoelectric bimorph, associated with the analysis by a detector synchronous and frequency filtering allow the confocal signal to be extracted from the conventional interferometric signal.
- the laser cavity is constituted by an optical fiber doped with neodymium (Nd +3 ) and pumped by a krypton laser (Kr + ).
- Nd +3 neodymium
- Kr + krypton laser
- the field tip close to the optical probe is produced by chemical attack, also playing the role of one of the Fabry-Perot cavities of the laser.
- a second experimental device uses a fiber laser diode with a photodetector built into the back of the cavity.
- the fiber laser output beam is coupled in a section of optical fiber whose tip-cut end constitutes the local probe of the microscope.
- the SNOM optical microscope is a near field microscope with a local probe playing the role of both a collecting and emitting point.
- the essential element is the probe, generally made of optical fiber cut into a fine point whose role is to convert non-progressive evanescent waves into homogeneous waves which can propagate to the detection system.
- the generally adopted solution consists in using an optical fiber cut in point by chemical attack. This technology is not always reproducible and the collective manufacture of probes is limited. Furthermore, the weakness of the return signal returning to the probe by retroreflection constitutes another limitation of the conventional SNOM.
- the invention uses optical feedback as a means of detection. Thanks to the integration of the device, the realization of an optical detection system suitable for mass production and based on nanofabrication is possible.
- Collective manufacturing in III-V technology makes it possible to associate a low manufacturing cost with the possibility of monolithic integration of all the elements by simple epitaxy recoveries.
- the first semiconductor lasers were obtained by diffusion of a p-type doping element in an n-type gallium arsenide substrate.
- crystalline growth (epitaxy) of different semiconductor layers is carried out, the composition of which makes it possible to control and adjust the photon emission to the desired wavelengths.
- the resonant cavity of the Fabry-Perot type (or mirrors allowing the laser oscillation) is produced by cutting the facets on two sections perpendicular to the plane of the pn junction (cleavage). In this case the light is emitted parallel to the substrate and we speak of emission by the edge.
- Patent US5331658 gives an example of manufacturing a VCSEL.
- the invention in its most general sense, consists in monolithically integrating a detection device comprising a VCSEL laser cavity, a photodetector, and a SNOM tip.
- the monolithic device consists of an assembly of the laser cavity and the SNOM tip in a single block which allows the manufacture of these elements by successive growths of these two structures in a single epitaxy.
- An assembly of the laser cavity and the SNOM tip in a non-block monolithic, obtained by bonding is envisaged in the case of the manufacture of the SNOM tip by localized chemical attack.
- the assembly consisting of the detector and the VCSEL cavity will be produced by successive growths of these two structures in a single epitaxy.
- the detection system can be manufactured in two different versions ( Figures 1 and 6) which are as follows:
- These detection systems contain a SNOM tip (1), n (2) and p (3) contacts, a VCSEL cavity (4), a photodetector (5) and a substrate (6).
- optical feedback in near field detection constitutes the first element of the invention. If we consider that the weakness of the return signal returning to the probe by retroreflection constitutes one of the limitations of conventional SNOM, the use of the optical feedback phenomenon constitutes an improvement in the sensitivity of SNOM detection. This is linked to the fact that the optimal reinjection regime requires very low levels of retroreflection.
- the use of VCSELs constitutes the second element of the invention. VCSELs can easily be integrated into more complex components.
- the detection architecture contains three different components (VCSEL cavity, photodetector, SNOM tip), which can be integrated monolithically by simple epitaxy replays.
- collective manufacturing in III-V technology avoids delicate alignment operations; the result is a compact, reliable and economical measuring instrument.
- photodetector placed at the rear of the VCSEL cavity Two different architectures are envisaged: photodetector placed at the rear of the VCSEL cavity and photodetector placed at the front of the VCSEL cavity. These two architectures provide the same measurement functionality, but their manufacturing processes differ slightly.
- the key element of the proposed detection system is the SNOM tip in AlGaAs, whose radius of curvature is of the order of 50 nm, obtained by resumption of epitaxy on the upper part of the device. It acts as both a collecting and emitting near field probe, guaranteeing the sub-nanometric resolution of the measuring head.
- FIGS. 7 to 25 A preferred manufacturing process is described in detail in FIGS. 7 to 25. These figures will be better understood during the description of the stages of realization of the architecture.
- the different layers of the architecture correspond respectively to: DBR n (AlGaAs / AlAs) (11), Active area i (OW) (12), DBR p (AlGaAs / AlAs) (13), from top to bottom AlGaAs p / GaAs i / AlGaAs n (14), Substrate GaAs n (15).
- DBR n AlGaAs / AlAs
- OW Active area i
- DBR p AlGaAs / AlAs
- FIGS. 8 and following a mask of SI0 2 is observed with openings (16) and in FIGS. 9 and following, the reference (17) corresponds to a tip in III-V semiconductor.
- the reference (18) corresponds to layers A10 X (figure 13), whereas in figure 15 there is a layer of the electrode VPD (-) '(19), GND (20) and VLD (-) (21 ).
- the reference (22) corresponds to a layer of the VPD electrode (+).
- VLD represents the voltage applied to the VCSEL (negative voltage so that VCSEL is positively biased)
- VPD indicates the voltage applied to the photodetector PD (negative voltage so that PD is negatively biased) ( Figure 15);
- Controlling the probe-sample distance presents one of the difficulties of near-field microscopy with a local optical probe.
- the topography measurement is based on the detection of evanescent waves created above the surface of the sample, the information recorded does not correspond to the geometric profile of the sample.
- the distance between probe and sample is usually controlled by a shear force detection system.
- the detection system can be fixed by bonding to a beam whose deflection is obtained by means of a piezoelectric device placed at its embedding ( Figure 2).
- the beam is kept in vibration at a frequency close to its natural frequency of resonance.
- a loop signal from the synchronous detection amplifier is accessed, which provides information on variations around the setpoint height of the probe during sample scanning.
- the quality of the signal to noise ratio obtained from an interference system depends on the contrast (or visibility) of fringes.
- the contrast of fringes is maximum if the energies of two interfering waves are equal. In the case of the optical feedback phenomenon. The visibility of fringes is very low because the energy of the retroreflected wave in the cavity is negligible compared to that which is emitted by the cavity.
- J (t) direct current + J. sin ⁇ ⁇ + J 2 sin ⁇ 2 t
- J ⁇ and J 2 represent the amplitudes of the signals.
- the interference signal detected by the photodiode contains the phase information ⁇ :
- the spectral analysis of this signal reveals a series of harmonics which appear at the frequency ⁇ and at its multiple integers 2 ⁇ and 3 ⁇ .
- the evaluation of the optical feedback will be done by the frequency analysis of these spectral components.
- the diagram of the demodulation electronics is shown in Figure 3.
- a signal generator (51) modulates the emission frequency of the laser diode (53) with the signal J.
- the current delivered by the photodiode, integrated in the The rear of the laser cavity is amplified (55) and a bandpass filter (57) extracts the useful harmonics.
- Demodulation is provided by a PLL phase locked loop (60).
- a synchronous detector allows access to the phase signal linked to the optical properties of the sample.
- FIG. 4 schematically illustrates the emission spectra of a laser cavity in the absence of reinjection and for the low and moderate coupling regimes.
- a weakly coupled optical make-up Figure 4b
- These secondary modes are linked to the presence of the external cavity which constitutes the backscattering surface causing the reinjection of a portion of the light beam inside the laser cavity.
- the moderate make-up regime Figure 4c
- This coupling regime favors the modes of external cavity which then become dominant.
- the feedback phenomenon can be observed even if the distance between the output of the laser cavity and the external reflector is greater than the coherence distance of the laser used (in single-mode laser diodes emitting at 780 nm this is located in the millimeter range), and the fringes take the form of "sawtooth" beats changing inclination when the movable reflector changes its direction of movement.
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif de détection optique comprenant une pointe SNOM, une cavité laser, un photodétecteur, la dite pointe SNOM, la dite cavité laser et le dit photodétecteur sont assemblés monolithiquement dans une même structure, la cavité laser étant une cavité laser VCSEL. Le photodétecteur est soit situé sous l'ensemble constitué de la pointe SNOM et de la cavité laser VCSEL, soit situé entre la pointe SNOM et la cavité laser VCSEL.
Description
INTEGRATION MONOLITHIQUE D'UN SYSTEME DE DETECTION POUR LA MICROSCOPIE EN CHAMP PROCHE BASE SUR LA REINJECTION OPTIQUE DANS UN LASER A CAVITE VERTICALE EMETTANT PAR LA SURFACE
L'invention concerne un système original de détection pour la microscopie SNOM s ' appuyant sur l'intégration monolithique du composant en technologie III-V et utilisant les effets de la réinjection optique en détection champ proche.
Si le contrôle de la réinjection optique dans une cavité laser semi-conducteur a été largement utilisé comme un moyen de mesure en détection champ lointain, les effets de la réinjection en détection champ proche sont relativement ignorés.
L'architecture de détection optique proposée comprend une cavité laser VCSEL, un photodétecteur, et une pointe SNOM. La structure complète sera réalisée par croissances successives de ces éléments en une seule épitaxie. La pointe SNOM joue le rôle de sonde champ proche collectrice et émettrice à la fois, garantissant la résolution sub-nanométrique de la tête de mesure.
L'insertion d'une diode laser dans un montage optique s'accompagne toujours de réflexions du flux émis sur des interfaces successives de ce montage (éléments optiques) , produisant une réinjection de la lumière au sein de la cavité. Le phénomène de réinjection optique est une source de soucis pour l'expérimentateur qu'il faut pouvoir maîtriser pour l'utiliser en tant que moyen de détection. Plusieurs modèles du phénomène de réinjection optique existent déjà.
La réinjection optique contrôlée a été largement utilisée comme un moyen de mesure en détection champ lointain (télémétrie, vélocimétrie, microscopie) ou l'échantillon à mesurer est placé à une distance supérieure à la longueur d'onde d'émission de la face de sortie du laser. Il est généralement admis que les propriétés intrinsèques de l'émission changent car le faisceau lumineux
rétroréflechi se mélange de façon constructive avec l'onde émise, modulant le profil de gain et modifiant le courant de seuil du laser. On constate que la modulation d'intensité entraînée par un miroir mobile placé devant la cavité laser est similaire à celle produite par 1 ' interférométrie optique conventionnelle .
Cependant, certaines caractéristiques de cette modulation semblent contredire la théorie classique de 1 ' interférométrie. Ce phénomène est appelé interférences par l'effet de réinjection. Pour mieux comprendre la complexité du phénomène de réinjection optique il faut établir une relation entre la modulation d'intensité et le comportement spectral du système perturbé, et prendre en compte les variations de la courbe de gain produites par la réinjection. L'étude de ces effets sur les lasers semiconducteurs, faisant appel au modèle de la cavité externe, a suscité de nombreuses investigations qui ont mis en évidence les différents régimes de réinjection optique.
Si le phénomène de réinjection optique est une source de soucis pour l'expérimentateur, son contrôle permet de l; utiliser en tant que moyen de détection. Il est alors indispensable de connaître les paramètres spécifiques de la réinjection (énergie de réalimentation) et le régime opérationnel de la cavité laser (courant de seuil) qui permettront d'atteindre la sensibilité optimale de mesure.
Les interférences par l'effet de réinjection ont été exploitées largement en télémétrie optique, la mesure de distances, et la vélocimétrie par l'effet Doppler. Un modèle simplifié est basé sur l'interférence entre une onde lumineuse se propageant à l'intérieur de la cavité laser et une onde rétroréfléchie dans la cavité. Ce modèle ne prend pas en compte les effets de l'élargissement (ou de rétrécissement) de la largeur spectrale du laser et permettent seulement de valider le principe de la technique de mesure.
Un modèle plus sophistiqué du phénomène de la réinjection considère que l'ensemble composé par la cavité laser et le réflecteur extérieur se comporte comme une
triple cavité Fabry-Pérot. Ce modèle relie la modulation d'intensité à une modification de la densité de porteurs dans la cavité laser et l'assimile à un effet de modulation spectrale. Cette approche a permis la réalisation de plusieurs dispositifs de télémétrie.
L'effet de réinjection est utilisé pour mesurer les vibrations d'un microlevier intégré au système de détection d'un microscope à effet tunnel (STM) , commercialisé par la société américaine Digital Instruments (Nanoscope II) . Dans cette configuration un microlevier est monté sur un bimorphe et disposé à une distance de plusieurs micromètres de la face de sortie de la diode laser. La lumière émise par la diode laser est rétroréfléchie dans la cavité laser et modulée par la vibration du microlevier. La modulation d'intensité résultante est mesurée par un détecteur intégré à l'arrière de la cavité laser. Grâce à cette technique des amplitudes de vibrations dans la gamme de 10 nanomètres ont été mesurées avec une résolution spatiale de 800 angstrôms. Différents types de microscopes confocaux basés sur .l'effet de rétroinjection optique existent déjà. Un premier microscope confocal à balayage, basé sur l'effet de rétroinjection optique, est destiné à la profilomètrie de surfaces, et atteint des rugosités dans la gamme de 3 nm à 3μm avec une résolution spatiale de 200 nm. Son architecture très simple comprend une cavité Fabry-Pérot avec un détecteur à l'arrière, et un système optique focalisant le faisceau lumineux sur l'échantillon jouant le rôle de la cavité externe. Le positionnement du porte échantillon est assuré grâce à un translateur piézoélectrique.
Un second microscope confocal à balayage utilise comme sonde une fibre optique monomode clivée (celle-ci joue à la fois le rôle de filtre spatial pour l'illumination et de détection du faisceau lumineux) . Le phénomène mesuré est basé sur des interférences produites entre 1 ' onde rétro- diffusée par la sonde et celle réfléchie par l'échantillon. Une vibration axiale de la sonde, entraînée par un bimorphe piézoélectrique, associée à l'analyse par un détecteur
synchrone et un filtrage fréquentiel permettent d'extraire le signal confocal à partir du signal interféromètrique classique.
Si le contrôle de rétro-réflexions dans une cavité laser a été largement utilisé comme un moyen de mesure en détection champ lointain, les effets perturbateurs d'un échantillon placé à une distance sub-longueur d'onde de la face de sortie de la cavité Fabry-Pérot du laser sont relativement ignorés. Cette configuration particulière, exigeant un modèle de réinjection plus complexe, constitue la principale originalité de l'invention.
En microscopie champ proche par réflexion où la sonde optique fonctionne à la fois en émission et en détection, le signal de sortie rétroréfléchi dans la sonde est très faible. Pour pallier cette difficulté, deux microscopes optiques SNOM (Scanning Near Field Optical Microscope) , basés sur la réinjection dans la cavité de laser du faisceau lumineux réfléchi par l'échantillon, ont été récemment proposés. Dans ces dispositifs expérimentaux la perturbation introduite par la réalimentation de la diode laser est utilisée comme signal utile de sortie.
Dans un premier système, la cavité laser est constituée par une fibre optique dopée au néodyme (Nd+3) et pompée par un laser à krypton (Kr+) . A une des extrémités de la fibre on réalise par attaque chimique la pointe champ proche de la sonde optique, jouant également le rôle de l'une des cavités Fabry-Pérot du laser.
Un second dispositif expérimental utilise une diode laser fibrée avec un photodétecteur intégré à l'arrière de la cavité. Le faisceau de sortie du laser fibre est couplé dans une section de fibre optique dont l'extrémité taillée en pointe constitue la sonde locale du microscope.
Les images d'un objet test issues de ces deux microscopes SNOM, présentant localement des fortes variations de l'indice de réfraction, ont été comparées avec celles obtenues par la microscopie à force de cisaillement fonctionnant en mode topographique. Dans les deux cas, les
contours de l'objet test sont mieux visibles sur les images SNOM que sur les images topographiques . Ce résultat démontre que le microscope SNOM, basé sur la réinjection optique, s'avère un outil de mesure privilégié des propriétés optiques des matériaux.
Le microscope optique SNOM est un microscope en champ proche avec une sonde locale jouant le rôle de pointe collectrice et émettrice à la fois. L'élément essentiel est la sonde, généralement en fibre optique taillée en pointe fine dont le rôle est de convertir les ondes evanescentes non progressives en ondes homogènes pouvant se propager jusqu'au système de détection. La conversion des ondes evanescentes, due à la diffraction de la lumière par la sonde, ne dépend que de la taille de la pointe qui définit la résolution latérale du microscope. La solution généralement adoptée consiste à utiliser une fibre optique taillée en pointe par attaque chimique. Cette technologie n'est pas toujours reproductible et la fabrication collective de sondes se trouve limitée. Par ailleurs, la faiblesse du signal de retour revenant dans la sonde par rétroréflexion constitue une autre limitation du SNOM classique. Pour améliorer la sensibilité du microscope, tout en simplifiant son architecture, l'invention utilise la réinjection optique comme un moyen de détection. Grâce à l'intégration du dispositif, la réalisation d'un système de détection optique apte à une production de masse et s 'appuyant sur la nanofabrication est possible. La fabrication collective en technologie III-V permet d'associer un faible coût de fabrication à la possibilité d'intégration monolithique de tous les éléments par des simples reprises d'épitaxie.
Les lasers à semi-conducteurs sont bien connus dans l'art antérieur. Les premiers lasers à semi-conducteurs ont été obtenus par diffusion d'un élément dopant de type p dans un substrat d'arséniure de gallium de type n. Pour fabriquer les couches actives de ces lasers, on effectue une croissance cristalline (épitaxie) de différentes couches semi-conductrices dont la composition permet de contrôler et
ajuster l'émission de photons aux longueurs d'onde désirées. La cavité résonnante de type Fabry-Pérot (ou miroirs permettant l'oscillation laser) est fabriquée par découpage des facettes sur deux tranches perpendiculaires au plan de la jonction p-n (clivage) . Dans ce cas la lumière est émise parallèlement au substrat et on parle d'émission par la tranche .
La récente évolution de la technique d'épitaxie permet à la fois le contrôle de la croissance cristalline avec une précision de quelques nanomètres et l'obtention d'une excellente qualité cristalline. Il est donc possible de fabriquer des structures nécessitant l'obtention d'interfaces abruptes de matériaux semi-conducteurs (de l'ordre de la monocouche) qui trouvent des applications dans la réalisation de puits quantiques et de réflecteurs de Bragg à très fort pouvoir réfléchissant. Cette dernière structure est un réseau périodique déposé à proximité de la région active de la cavité laser qui est une alternative intéressante à la cavité Fabry-Pérot obtenue par clivage de facettes .
Ces progrès technologiques ont permis l'apparition, d'un laser émettant la lumière perpendiculairement au substrat, le VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) . Ce composant récent commence à atteindre sa maturité. Les matériaux semi-conducteurs employés pour sa réalisation sont généralement des composants ternaires d'éléments issus des colonnes III-V du tableau périodique des éléments (GaAlAs) . Le brevet US5331658 donne un exemple de fabrication d'un VCSEL. L'invention, dans son acception la plus générale, consiste à intégrer de manière monolithique un dispositif de détection comprenant une cavité laser VCSEL, un photodétecteur, et une pointe SNOM. Le dispositif monolithique consiste en un assemblage de la cavité laser et de la pointe SNOM dans un bloc unique que permet la fabrication de ces éléments par croissances successives de ces deux structures en une seule épitaxie. Un assemblage de la cavité laser et de la pointe SNOM dans un bloc non
monolithique, obtenu par collage est envisagé dans le cas de la fabrication de la pointe SNOM par attaque chimique localisée.
L'ensemble composé du détecteur et de la cavité VCSEL sera réalisée par croissances successives de ces deux structures en une seule épitaxie. Le système de détection peut être fabriqué dans deux versions différentes (Figures 1 et 6) qui sont les suivantes :
- le photodétecteur PD est placé à l'arrière de la cavité VCSEL (Figure 1) ;
- le photodétecteur PD est placé au-dessus de la cavité VCSEL (Figure 6) .
Ces systèmes de détection contiennent une pointe SNOM (1), des contacts n (2) et p (3), une cavité VCSEL (4), un photodétecteur (5) ainsi qu'un substrat (6) .
L'emploi de la réinjection optique en détection champ proche constitue le premier élément de l'invention. Si l'on considère que la faiblesse du signal de retour revenant dans la sonde par rétroréflexion constitue une des limitations du SNOM classique, l'utilisation du phénomène de réinj.ection optique constitue une amélioration de la sensibilité de la détection SNOM. Celle-ci est liée au fait que le régime optimal de réinjection exige des très faibles niveaux de rétroréflexion. L'utilisation des VCSEL constitue le second élément de l'invention. Les VCSEL peuvent facilement être intégrés au sein des composants plus complexes . L'architecture de détection contient trois composants différents (cavité VCSEL, photodétecteur, pointe SNOM) , pouvant être intégrés monolithiquement par des simples reprises d'épitaxie. En outre, la fabrication collective en technologie III-V permet d'éviter des opérations délicates d'alignement ; il en résulte un instrument de mesure compact, fiable et économique. Deux architectures différentes sont envisagées : photodétecteur placé à 1 ' arrière de la cavité VCSEL et photodétecteur placé à 1 ' avant de la cavité VCSEL . Ces deux architectures assurent la même fonctionnalité de mesure,
mais leurs processus de fabrication diffèrent légèrement. L'élément clé du système de détection proposé est la pointe SNOM en AlGaAs, dont le rayon de courbure est de l'ordre de 50 nm, obtenue par reprise d'épitaxie sur la partie supérieure du dispositif. Elle joue le rôle de sonde champ proche collectrice et emettrice à la fois, garantissant la résolution sub-nanométrique de la tête de mesure .
Un processus préférentiel de fabrication est décrit en détails sur les figures 7 à 25. Ces figures seront mieux comprises lors de la description des étapes de réalisation de l'architecture.
Sur ces figures 7 à 25, les différentes couches de l'architecture correspondent respectivement à : DBR n (AlGaAs/AlAs) (11), Zone active i (OW) (12), DBR p (AlGaAs/AlAs) (13), de haut en bas AlGaAs p / GaAs i / AlGaAs n (14), Substrat GaAs n (15). Sur les figures 8 et suivantes, on observe un masque de SI02 avec ouvertures (16) et sur les figures 9 et suivantes, la référence (17) correspond à une pointe en semi-conducteur III-V. La référence (18) correspond à des couches A10X (figure 13), alors que sur la figure 15 on trouve une couche de l'électrode VPD(-) '(19), GND (20) et VLD(-) (21). Sur la figure 25, la référence (22) correspond à une couche de l'électrode VPD(+) .
La réalisation complète de la structure ou le photodétecteur se trouve à 1 ' arrière de la cavité VCSEL est composée des étapes technologiques suivantes (figures 7 à 15) :
- Fabrication des couches de semi-conducteurs composant le photodétecteur PD et la cavité VCSEL par épitaxie en phase vapeur de composés organométalliques
(MOCVD) (figure 7) ;
Dépôt d'un masque de silice (Si02) et réalisation d'ouvertures dans ce dernier par lithographie électronique et gravure (figure 8) ; - Croissance localisée de la pointe SNOM et élimination du masque de silice (figure 9) ;
- Dépôt d'une électrode métallique plane en face arrière (contact ohmique de type n) (figure 10);
Dépôt d'une électrode métallique en forme d'anneau autour de la pointe SNOM (contact ohmique de type n) et recuit des métallisations n (figures 10 et 11) ;
- Gravure de la colonne définissant la structure de la cavité VCSEL (figure 12);
Oxydation sélective de couches riches en Aluminium (A10X) afin de définir la zone d'injection du courant dans la partie active du laser (figure 13);
Dépôt d'une électrode métallique en forme d'anneau autour de la colonne (contact ohmique de type p) (figure 14) ;
- Câblage par microsoudure des trois électrodes. GND est la masse commune, VLD représente la tension appliquée au VCSEL (tension négative afin que VCSEL soit polarisé positivement) , et VPD indique la tension appliquée au photodétecteur PD (tension négative afin que PD soit polarisé négativement) (figure 15) ;
La réalisation complète de la structure ou le photodétecteur se trouve au-dessus de la cavité VCSEL est composée des étapes technologiques suivantes (figures 16 à
25)
- Fabrication des couches de semi-conducteurs composant le photodétecteur PD et la cavité VCSEL par épitaxie en phase vapeur de composés organométalliques (MOCVD) (figure 16);
- Dépôt d'un masque de silice et réalisation d'ouvertures dans ce dernier par lithographie électronique et gravure (figure 17);
Croissance localisée de la pointe et élimination du masque de silice (figure 18);
- Dépôt d'une électrode métallique plane en face arrière (contact ohmique de type n) (figure 19);
- Dépôt d'une électrode métallique en forme d'anneau autour de la pointe SNOM (contact ohmique de type n) et recuit des métallisations n (figures 19 et 20) ;
- Gravure de la colonne définissant la structure du photodétecteur PD (figure 21);
Dépôt d'une électrode métallique en forme d'anneau autour de la colonne (contact ohmique de type p) (figure 22) ;
- Gravure de la colonne définissant la structure de la cavité VCSEL (figure 23);
Oxydation sélective des couches riches en Aluminium (AlOx) afin de définir la zone d'injection du courant dans la partie active du laser (figure 24);
- Câblage par microsoudure de trois électrodes . GND est la masse commune, VLD représente la tension appliquée au VCSEL (tension négative afin que VCSEL soit polarisé positivement) , VPD indique la tension appliquée au photodétecteur PD (tension positive afin que PD soit polarisé négativement) (figure 25) . Pour la réalisation de la pointe SNOM, il est possible d'envisager une seconde solution : la croissance par attaque chimique localisée. Les étapes de réalisation sont alors les suivantes :
- protection des zones qui ne doivent pas être gravées , définition des zones à graver par photolithographie,
- attaque chimique localisée de AsGa utilisant une solution à 10°C de H3P04 :H202 :H20 (dans les proportions 10:1:1) , et
- élimination du masque photolithographique.
L'asservissement de la distance sonde- échantillon présente une des difficultés de la microscopie en champ proches à sonde optique locale. Comme la mesure de topographie s'appuie sur la détection des ondes evanescentes créées au-dessus de la surface de l'échantillon, l'information enregistrée ne correspond pas au profil géométrique de l'échantillon. Pour assurer une mesure à résolution constante et éviter l'écrasement de la sonde sur la surface de l'échantillon on asservit habituellement la distance sonde-échantillon par un système de détection des forces de cisaillement (Shear Force) .
Avantageusement, le système de détection peut être fixé par collage sur une poutre dont la déflexion est obtenue grâce à un dispositif piézoélectrique placé à son encastrement (Figure 2). Ainsi, la poutre est maintenue en vibration à une fréquence proche de sa fréquence propre de résonance. Lorsque la distance sonde-échantillon devient très faible, l'amplitude de vibration de la poutre subit une brutale décroissance. Ce signal est utilisé comme une alarme pour éviter 1 ' écrasement de la sonde lors de 1 ' approche vers l'échantillon. Par un asservissement électronique on accède à un signal de la boucle, issu de l'amplificateur à détection synchrone, qui renseigne sur les variations autour de la hauteur de consigne de la sonde au cours de balayage de l'échantillon. La qualité du rapport signal sur bruit obtenu à partir d'un système d'interférences dépend du contraste (ou visibilité) de franges. Le contraste de franges est maximal si les énergies de deux ondes qui interfèrent sont égales. Dans le cas du phénomène de rétroinjection optique. La visibilité de franges est très faible car l'énergie de l'onde rétroréfléchie dans la cavité est négligeable devant celle qui est émise par la cavité. Pour tenir compte de cette difficulté, il est préférable d'utiliser la méthode de modulation à deux fréquences de la longueur d'onde d'émission de la diode laser. Au courant de polarisation de la diode laser, on superpose un courant de modulation composé de deux composantes sinusoïdales avec des fréquences respectives ΩX=2Ω et Ω2=3Ω :
J(t)= courant continu + J.sinΩ^ + J2sinΩ2t où J± et J2 représentent les amplitudes des signaux. Le signal d'interférence détecté par la photodiode contient 1 ' information de phase φ :
I ( t ) =I0K (φ + m- sinΩ- t + m2sinΩ2t ) ≈ I0K (φ + m. sin2Ωt + m_sin3Ωt )
où m. (i=l,2) représente les amplitudes de modulation.
L'analyse spectrale de ce signal révèle une série d'harmoniques qui apparaissent à la fréquence Ω et à ses multiples entiers 2Ω et 3Ω. L'évaluation de la réinjection optique se fera par l'analyse fréquentielle de ces composants spectraux. Le schéma de l'électronique de démodulation est représenté sur la Figure 3. Un générateur de signaux (51) module la fréquence d'émission de la diode laser (53) avec le signal J. Le courant délivré par la photodiode, intégrée à l'arrière de la cavité laser, est amplifié (55) et un filtre passe-bande (57) extrait les harmoniques utiles . La démodulation est assurée par une boucle à verrouillage de phase PLL (60) . Un détecteur synchrone permet l'accès au signal de phase lié aux propriétés optiques de l'échantillon.
De manière simplifiée, on observe deux régimes énergétiques distincts de réinjection optique : une réalimentation en couplage faible (moins de 1% de la lumière émise est réinjecté dans la cavité) , et une réalimentation en couplage modéré ou régime chaotique (entre 1% et 10% de lumière réinjectée) .
La figure 4 illustre schématiquement les spectres d'émission d'une cavité laser en l'absence de réinjection et pour les régimes de couplage faible et modéré. Dans le cas d'une réalimentation optique en couplage faible (Figure 4b) on observe une forte réduction de la largeur du spectre d'émission et l'apparition de faibles modes latéraux équidistants . Ces modes secondaires sont liés à la présence de la cavité externe que constitue la surface rétrodiffusante provoquant la réinjection d'une portion du faisceau lumineux à l'intérieur de la cavité laser. Dans la configuration du régime de réalimentation modérée (Figure 4c) on assiste à la diminution de la longueur de cohérence de la cavité laser, accompagnée par un élargissement du mode fondamental d'émission et une modification du courant de
seuil. Ce régime de couplage favorise les modes de cavité externe qui deviennent alors dominants . La figure 5 représente les courbes caractéristiques du flux en fonction du courant d'injection de la diode laser HL 6726MG de la marque "Hitachi", tracées respectivement en absence et en présence de la réinjection optique. Elles présentent des ondulations périodiques dont la période est définie par la longueur de la cavité externe perturbatrice .
Certaines conséquences du phénomène de réinjection ne sont pas encore parfaitement comprises et l'approche du phénomène basée sur la théorie classique des interférences est trop restrictive. Ainsi par exemple, le phénomène de réinjection est observable même si la distance entre la sortie de la cavité laser et le réflecteur extérieur est supérieure à la distance de cohérence du laser utilisé (dans les diodes lasers monomodes émettant à 780 nm celle-ci se situe dans la gamme millimétrique) , et les franges prennent la forme de battements en " dents de scie " changeant d'inclinaison lorsque le réflecteur mobile change son sens de déplacement .
Claims
Revendications
1 - Dispositif de détection optique comprenant une pointe SNOM, une cavité laser, un photodétecteur caractérisé en ce que la dite pointe SNOM, la dite cavité laser et le dit photodétecteur sont assemblés monolithiquement dans une même structure et en ce que la dite cavité laser est une cavité laser VCSEL.
2 - Dispositif de détection optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le photodétecteur est situé sous l'ensemble constitué de la pointe SNOM et de la cavité laser VCSEL.
3 - Dispositif de détection optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le photodétecteur est situé entre la pointe SNOM et la cavité laser VCSEL. 4 - Procédé de fabrication d'une architecture de détection optique caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- fabrication des couches de semi-conducteurs composant le photodétecteur PD et la cavité VCSEL par épitaxie en phase vapeur de composés organométalliques
(MOCVD) (figure 7) ; dépôt d'un masque de silice (Si02) et réalisation d'ouvertures dans ce dernier par lithographie électronique et gravure (figure 8) ; - croissance localisée de la pointe SNOM et élimination du masque de silice (figure 9) ;
- dépôt d'une électrode métallique plane en face arrière (contact ohmique de type n) (figure 10) ;
- dépôt d'une électrode métallique en forme d'anneau autour de la pointe SNOM (contact ohmique de type n) et recuit des métallisations n (figures 10 et 11) ;
- gravure de la colonne définissant la structure de la cavité VCSEL (figure 12); oxydation sélective de couches riches en Aluminium (AlOx) afin de définir la zone d'injection du courant dans la partie active du laser (figure 13);
dépôt d'une électrode métallique en forme d'anneau autour de la colonne (contact ohmique de type p) (figure 14) ;
- câblage par microsoudure des trois électrodes (figure 15) ;
5 - Procédé de fabrication d'une architecture de détection optique caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : fabrication des couches de semi-conducteurs composant le photodétecteur PD et la cavité VCSEL par épitaxie en phase vapeur de composés organométalliques (MOCVD) (figure 16) ;
- dépôt d'un masque de silice et réalisation d'ouvertures dans ce dernier par lithographie électronique et gravure (figure 17); croissance localisée de la pointe et élimination du masque de silice (figure 18) ;
- dépôt d'une électrode métallique plane en face arrière (contact ohmique de type n) (figure 19) ; - dépôt d'une électrode métallique en forme d'anneau autour de la pointe SNOM (contact ohmique de type n) et recuit des métallisations n (figures 19 et 20) ;
- gravure de la colonne définissant la structure du photodétecteur PD (figure 21) ; - dépôt d'une électrode métallique en forme d'anneau autour de la colonne (contact ohmique de type p) (figure 22) ;
- gravure de la colonne définissant la structure de la cavité VCSEL (figure 23); - oxydation sélective des couches riches en
Aluminium (AlOx) afin de définir la zone d'injection du courant dans la partie active du laser (figure 24) ;
- câblage par microsoudure des trois électrodes (figure 25) .
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