L'écriture laser 3D dans le silicium devient enfin possible
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.
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 parvenus1
. 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 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. Ce dispositif a permis de réaliser une hyper-focalisation du faisceau, provoquant une variation locale de l'indice de réfraction 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 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 demi-sphère de silicium avec un contact optique parfait. Ceci permettrait de faire de l'ingénierie d'indice dans l'épaisseur du wafer, et de créer ainsi des architectures entièrement nouvelles pour la photonique.
Schéma simplifié du dispositif expérimental permettant de mesurer la distribution d’énergie laser et la densité du microplasma créé dans le silicium avec des impulsions de 60 fs. Deux microscopes infrarouges sont positionnés latéralement et selon l’axe optique. Une impulsion sonde infrarouge illumine l’interaction pour l’imagerie 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.
Références :
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
- 1 en collaboration avec chercheurs de l'Institute of Electronic Structure and Laser (IESL-FORTH), en Grèce.