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23ème Journées Nationales d ’Optique Guidée 25- 27 octobre 2004 Paris

Guides OptiquesGuides Optiques Façonnés par ImplantationFaçonnés par Implantation de Protons dans du Saphirde Protons dans du Saphir

L. Laversenne, P. Hoffmann, M. PollnauInstitut d’Imagerie et d’optique Appliquée

Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suisse

P. Moretti, J. MugnierLaboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents UMR 5620

Université Claude Bernard- Lyon 1, Villeurbanne

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MotivationMotivation

Saphir:• Excellentes propriétés thermiques, mécaniques et

optiques matériau adapté à la réalisation de dispositifs d’optique intégrée

• Matériau difficile à travailler par les méthodes

conventionnelles de fabrication de guides d ’ondes

Fabrication de différentes structures guidantes par implantation de protons

dans le saphir et le saphir dopé Ti3+

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H+ H+ H+

Implantation de Protons dans le SaphirImplantation de Protons dans le Saphir

n<0

Irradiation par des ions légers création d’une zone endommagée

Energie des ions incidents: 0.4 –1.6 MeVFluence: ~1016 ions/cm2

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Implantation et profil d’endommagement (simulation TRIM )

La profondeur de la zone endommagée dépends de l’énérgie

Implantation de Protons dans le SaphirImplantation de Protons dans le Saphir

0 5 10 15 20

Ei= 1.6 MeV

d= 18.0 +/- 0.5 m

Ei= 0.4 MeV

d= 2.5 +/- 0.1 m

Con

cent

ratio

n

Profondeur (m)

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Modification de l’indice de réfraction liée à la fluence1016 H+/cm2 n ~ -1%

Profil d’indice de réfraction ( spectroscopie m-lines)

Implantation de Protons dans le SaphirImplantation de Protons dans le Saphir

0 2 4 6 8 10

1,744

1,746

1,748

1,750

1,752

1,754

1,756

1,758

1,760

5

4

3

2

1

0

m

Indi

ce d

e ré

frac

tion

(ne)

Profondeur (m)

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Implantations Multi-Energies dans le SaphirImplantations Multi-Energies dans le Saphir

Energie incidente (MeV)

Profondeurm

Endommagementsurface

0.95

8.3 0.2

1

8.8 0.2

0

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0.9511.451.5

15.6 0.4

16.3 0.4

surface0

8.3 0.2

8.8 0.2

Implantations Multi-Energies dans le SaphirImplantations Multi-Energies dans le Saphir

EndommagementEnergie incidente (MeV)

Profondeurm

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Guides plans superposésGuides plans superposés

Excitation du guide plan supérieur

Laser

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Excitation simultanée des guides plans superposés

Laser

Guides plans superposésGuides plans superposés

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Excitation du guide plan inférieur

Laser

Guides plans superposésGuides plans superposés

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Démonstration des guides plans superposés

Guides plans superposésGuides plans superposés

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Guides Plans EnterrésGuides Plans Enterrés

Experimental Simulation

Propagation du mode fondamental

air

Ti: sapphire

5 µm

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Fabrication de Guides Canaux EnterrésFabrication de Guides Canaux Enterrés

Guide plan enterré

H+ H+ H+

Murs latéraux façonnés par implantation avec masquage

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Fabrication de Guides Canaux EnterrésFabrication de Guides Canaux Enterrés

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Propagation dans un Guide Canal EnterréPropagation dans un Guide Canal EnterréDispositif PassifDispositif Passif

Bon confinement de la lumière selon les directions horizontale et verticale Pertes de propagation @ =632.8 nm: 0.7 dB/cm

(sans recuit après implantation)

laser He-Ne

Guide canalsaphir dopé Ti3+

Objectifs de Microscope

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Spectre d’émission comparable à celui du matériau massif

laser Ar+

Guide canalsaphir:Ti3+

Objectifs de microscope

600 700 800 900 1000 11000.0

0.5

1.0 Channel wg Bulk

FWMH= 180 nm

Flu

ore

scen

ce in

ten

sity

(ar

b. u

nit

s)

Wavelength (nm)

Propagation dans le Guide Canal EnterréPropagation dans le Guide Canal EnterréDispositif actifDispositif actif

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Fluorescence dans le Guide Canal EnterréFluorescence dans le Guide Canal EnterréDispositif actifDispositif actif

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00

3

6

9

12

Fluorescence efficiency: 5.9 x10-6

Incoupling objective: x16Outcoupling objective: x10

Ou

tpu

t p

ow

er (W

)

Input pump power (W)

Rendement de fluorescence relativement faible Pertes de propagation @ =785 nm: 4.9 dB/cm

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Le mode IR, de plus grande dimension, se propage davantage dans les zones endommagées

= 632.8 nm = 785 nm

Fluorescence dans le guide canal enterréFluorescence dans le guide canal enterréDistribution d’intensitéDistribution d’intensité

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Mesures des pertes de propagationMesures des pertes de propagation

SM

SM

Pout,s = Pin - Lprop - 2 Lcoup,s

MM

Pout,m = Pin - Lprop - Lcoup,s - Lcoup,m

Lprop = Pin + Pout,s - 2 Pout,m

= 0

WG

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Conclusions et perspectivesConclusions et perspectives

• Des guides plans superposés, des guides canaux et des guides plans enterrés ont été façonnés par implantation de protons dans le saphir pur et dopé

• L ’implantation d ’ions légers permets de réaliser des guides d ’ondes de géométries variées

• Les efforts vont être concentrés sur l ’amélioration du rendement de fluorescence des guides canaux enterrés en vue de la réalisation d ’une source fluorescente à large spectre et/ ou d ’une source laser