L'écriture laser 3D dans le silicium devient enfin possible

Publié par Redbran le 14/12/2017 à 12:00
Source: CNRS-INSIS
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Modifier localement la structure d'un matériau massif à l'aide d'un laser femtoseconde, comme on sait le faire dans le verre ou dans des polymères, est désormais possible dans le silicium. C'est ce qu'ont démontré des chercheurs du laboratoire Lasers, plasmas et procédés photoniques, ouvrant ainsi la voie à la réalisation de dispositifs 3D pour la photonique sur silicium. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Communications.


© LP3
Schéma simplifié du dispositif expérimental permettant de mesurer la distribution d'énergie laser et la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) du microplasma créé dans le silicium avec des impulsions de 60 fs. Deux microscopes infrarouges sont positionnés latéralement et selon l'axe optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...). Une impulsion sonde infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...) illumine l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) pour l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui...) latérale résolue en temps du microplasma et des modifications permanentes. L'imagerie de faisceau en face arrière est réalisée pour une reconstruction 3D du flux laser à l'intérieur du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...).

Les lasers femtosecondes permettent de créer des structures 3D à l'intérieur d'un bloc de verre ou de polymère. Mais jusqu'ici l'opération était impossible avec un matériau comme le silicium, faute de pouvoir concentrer suffisamment l'énergie du faisceau laser au point du matériau que l'on veut modifier. Une équipe du laboratoire Lasers, plasmas et procédés photoniques (LP3, CNRS/AMU) y sont parvenus (1). Le dispositif qui leur a permis de faire sauter ce verrou n'est encore qu'une preuve de principe, mais il permet d'envisager une utilisation pratique d'un laser femtoseconde (Un laser femtoseconde est un type de laser particulier qui produit des impulsions ultra-courtes...) pour graver en 3D dans le silicium.

Les chercheurs ont réalisé leur expérience avec un laser dans l'infra-rouge (à la longueur d'onde de 1300 nm), émettant des impulsions de 60 femtosecondes. Le faisceau était focalisé au centre de sphères de silicium de 2 millimètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...). Ce dispositif a permis de réaliser une hyper-focalisation du faisceau, provoquant une variation locale de l'indice de réfraction (L'indice de réfraction d'un milieu à une longueur d'onde donnée mesure le facteur de...) du matériau, signe d'une modification de sa structure en ce point. Ce résultat permet d'envisager de modifier de manière contrôlée l'indice de réfraction (La réfraction, en physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie...) à l'intérieur du silicium, afin de créer des dispositifs photoniques (guide d'ondes, micro-lentilles...) en 3D.

Mais pour aller au-delà de la démonstration de principe, l'équipe du LP3 veut maintenant définir des modalités pratiques de réalisation de structures 3D. Pour graver dans la masse d'une tranche de silicium (wafer), aujourd'hui utilisée pour fabriquer des circuits 2D, le laboratoire propose de poser sur sa surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) une demi-sphère de silicium avec un contact optique parfait. Ceci permettrait de faire de l'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la...) d'indice dans l'épaisseur du wafer, et de créer ainsi des architectures (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans,...) entièrement nouvelles pour la photonique.

(1) en collaboration avec chercheurs de l'Institute of Electronic Structure and Laser (IESL-FORTH), en Grèce.

Références publication:
Crossing the threshold of ultrafast laser writing in bulk silicon.
M. Chanal, V. Y. Fedorov, M. Chambonneau, R. Clady, S.Tzortzakis & D. Grojo
Nature Communications 8:773
DOI: 10.1038/s41467-017-00907-8
https://www.nature.com/articles/s41467-017-00907-8

Contact chercheur:
David Grojo – LP3
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