Ellipsomètre entièrement fibreux pour revêtements diélectriques à l’échelle nanométrique

La mesure de l’indice de réfraction et de l’épaisseur des couches minces (films d’une épaisseur allant de moins d’un nanomètre à plusieurs microns) est essentielle pour les caractériser et améliorer les performances des capteurs et dispositifs utilisant des couches minces. La méthode la plus établie pour déterminer simultanément les deux paramètres, avec un large éventail de solutions commerciales disponibles, est l’ellipsométrie. Cependant, cette technique ne mesure pas directement l’épaisseur et l’indice de réfraction, mais les calcule à partir de mesures optiques et d’un modèle optique du matériau en couche mince qui doit être connu à l’avance.

Le groupe de recherche Capteurs du professeur Ignacio R. Matías de l’Université publique de Navarre (Espagne), en collaboration avec le Laboratoire de composants photoniques avancés du professeur Jacques Albert de l’Université Carleton (Canada), propose une approche complètement différente pour déterminer l’épaisseur et l’indice de réfraction des films minces, basé sur les décalages de longueur d’onde des résonances de modes de gaine multiples dans les réseaux de Bragg à fibres inclinées (TFBG).

Les réseaux de fibres optiques consistent en une modulation périodique de l’indice de réfraction le long du cœur d’une fibre optique, généralement une fibre monomode avec un cœur de 8 µm d’épaisseur et une gaine de 125 µm d’épaisseur. Dans le cas des TFBG, la période du réseau est de l’ordre de 500 nm et les réseaux sont inclinés par rapport à la perpendiculaire à l’axe de la fibre optique.

Le couplage entre la lumière qui se propage à travers le coeur et la lumière qui se propage à travers la gaine (la lumière est réfléchie par les réseaux) provoque l’apparition de résonances de mode gaine dans le spectre optique. Ces résonances se produisent à des intervalles spectraux de l’ordre de 1 nm sur une gamme de longueurs d’onde d’environ 100 nm. Le suivi simultané en longueur d’onde d’un large ensemble de résonances, chacune fournissant une mesure distincte, permet de déterminer avec précision plusieurs paramètres.

Dans cet ouvrage publié dans Avancées opto-électroniques, l’épaisseur et l’indice de réfraction d’un film mince de dioxyde de titane (TiO2) déposé sur une fibre optique sur laquelle est inscrit un TFBG sont mesurés simultanément en utilisant le décalage de longueur d’onde de 8 résonances. Ceci est réalisé en comparant les décalages de longueur d’onde expérimentaux de 8 résonances TFBG au cours du processus de dépôt avec des décalages simulés à partir d’une gamme d’épaisseurs (T) et de valeurs de l’indice de réfraction (n).

La minimisation d’une fonction d’erreur calculée pour chaque couple (n, T) fournit alors une solution pour l’épaisseur et l’indice de réfraction du film déposé. Les valeurs finales obtenues par le TFBG (n = 2,25, épaisseur finale de 185 nm) étaient toutes deux à 4 % près des mesures de validation, réalisées avec un ellipsomètre conventionnel et un microscope électronique à balayage.

Cette approche fournit une méthode pour mesurer la formation de revêtements diélectriques à l’échelle nanométrique sur des fibres in situ pour des applications nécessitant des épaisseurs et des indices de réfraction précis, telles que le domaine des capteurs à fibre optique. En outre, le TFBG peut également être utilisé comme moniteur de processus pour le dépôt sur d’autres substrats avec des méthodes de dépôt qui produisent des revêtements uniformes sur des substrats de formes différentes.

La technique développée contraste avec d’autres méthodes conventionnelles pour déterminer les propriétés de ces films minces qui reposent sur des échantillons témoins colocalisés, comme l’ellipsométrie, ou sur des mesures destructives utilisant certaines des fibres revêtues. Par conséquent, la méthode proposée pourrait servir à surmonter ces limitations et à établir une nouvelle norme pour mesurer l’épaisseur et l’indice de réfraction des films minces déposés sur les fibres optiques.