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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