Brevet FR2652420A1 — publié le 19910329

La présente invention concerne un guide d'ondes optique utiles pour des télécommunications optiques ainsi que pour le traitement d'informations optiques. On fait, en général, croître, les monocristaux de niobate de lithium (ciaprès LiNbO3) par la méthode de Czochralski dans l'air ou sous un mélange gazeux réglé comprenant 20 % en volume ou plus d'oxygène et de l'azote. Ces monocristaux de LiNbO3 sont intéressants en ce qu'ils exercent d'importants effets électro-optiques, d'effets photoacoustiques, et d'effets optiques non linéaires. En conséquence, des efforts importants ont été consacrés au développement de dispositifs optiques utilisant LiNbO3. Parmi ceux-ci, ceux qui ont été le plus largement étudiés sont les guides d'ondes optiques à base de substrats formés de cristaux sur lesquels on a fait diffuser du titane. Les cristaux de LiNbO3, toutefois, souffrent d'un changement de l'indice de réfraction lorsqu'ils sont soumis à un puissant faisceau incident, ce qui produit ce qu'on appelle le dommage optique. Les guides d'ondes optiques sus-mentionnés comprenant des cristaux sur lesquels on a fait diffuser du titane sont aussi sujets à un tel dommage optique. Le dommage optique est indésirable pour des guides d'ondes parce que, lorsque le dommage se produit, l'rindice de réfraction de la partie guide d'ondes approche de celui de la gaine du guide d'ondes et provoque, en conséquence, une perte de lumière nuisible. En ce qui concerne le mécanisme de la survenue de ce dommage optique, d'autre part, il a été qualitativement expliqué comme suit: les électrons porteurs excités du niveau d'impuretés au niveau de conduction par le faisceau incident se transfèrent le long de l'axe c, de son côté négatif au côté positif, sur une certaine distance, puis sont piégés dans des défauts tels que des impuretés et des lacunes. En conséquence, il se développe un champ électrique spatial, Esc, dans le cristal. Ainsi, il s'induit un changement dans l'indice de réfraction attribué audit champ électrique spatial développé, qui correspond au dommage optique. Le changement d'indice de réfraction, à n, du guide d'ondes optiques induit par le dommage optique expliqué ci-dessus est exprimé par An = n2. r. Esc (1) o n est l'indice de réfraction, r est la constante électrooptique (cm/V), et Esc est le champ électrique spatial (V/cm). On a proposé, en tenant compte du mécanisme sus- mentionné, deux procédé pour réduire le dommage optique. L'un consiste à ajouter de l'oxyde de magnésium au monocristal de LiNbO3, et l'autre consiste à réduire la quantité des impuretés incorporées dans le cristal. Le premier procédé consiste à faire croître un cristal par le procédé de Czochralski à partir d'une masse fondue de LiNbO3 à laquelle on a ajouté 5 moles % de MgO. On a rapporté que le monocristal résultant présentait une résistance au dommage optique d'environ deux ordres de grandeur plus élevée que celle d'un monocristal sans additif. Lorsqu'on fabrique un guide d'ondes optiques à partir de ce monocristal sur lequel on a fait diffuser du titane, le produit résultant est encore sujet au dommage optique dans la portion guide d'ondes. Le deuxième procédé consiste à réduire la teneur en impuretés, en particulier celle des éléments de transition tels que le fer, parce que ces éléments de transition sont considérés comme les plus responsables du dommage optique. Les cristaux obtenus par ce procédé ont, toutefois, encore besoin d'être améliorés du point de vue de leur pureté. Ainsi, donc, on ne dispose pas jusqu'à présent de moyens permettant de réduire le dommage optique de guides d'ondes optiques produits par diffusion de titane sur des substrats monocristalins de LiNbO3. La présente invention a pour objet de fournir un guide d'ondes optique produit à partir d'un substrat monocristallin de LiNbO3 sur lequel on a fait diffuser du titane. Cet objet est réalisé par un guide d'ondes optique à base d'un monocristal de niobate de lithium sur lequel on a fait diffuser du titane, dans lequel le monocristal de niobate de lithium a un coefficient d'absorption de 0,03 cm-1 ou moins pour une lumière incidente d'une longueur d'onde de 420 nm. La figure 1 est une vue schématique d'un guide d'ondes optiques selon un mode de réalisation de l'invention. On va maintenant décrire un mode de réalisation selon la présente invention en se référant à la figure 1 qui illustre schématiquement la structure d'un guide d'ondes optique formé sur un substrat formé à partir d'un monocristal de LiNbO3. Ce guide d'ondes optique est à base d'un substrat (1) dont la direction longitudinale, la direction de la largeur et la direction de l'épaisseur correspondent, respectivement, à la direction de l'axe a, de l'axe b et l'axe c du monocristal, et comprend un interféromètre de Mach-Zehnder (5) comportant des bras (4) d'une longueur prédéterminée, pourvu de deux ports d'entrée (2) et (2') et d'un port de sortie (3). Le monocristal de LiNbO3 que l'on utilise dans l'invention, a un coefficient d'absorption optique de 0,03 cm-'1 pour une lumière de 420 nm de longueur d'onde et est, spécifiquement, un monocristal de LiNbO3 à faible teneur 2+ en Fe2+ La raison pour laquelle on emploie un tel monocristal de LiNbO3 réside dans le fait que le degré de dommage optique est proportionnel à la teneur en Fe2+. Etant donné que Fe2 absorbe fortement la lumière d'un longueur d'onde de 420 nm, un monocristal de LiNbO3 devant avoir un faible coefficient d'absorption pour une telle 2+ lumière doit aussi avoir une faible teneur en Fe2. Ces monocristaux de LiNbO à faible teneur en Fe2+ peuvent être préparés, par exemple, dans une atmosphère contrôlée pendant la croissance du cristal, c'est-à-dire en réglant la concentration d'oxygène de l'atmosphère environnante. Exemple 1 On a fait croître par le procédé de Czochralski un monocristal de LiNbO3 substantiellement transparent et incolore à partir de LiNbO3 pur à 99, 9995 % dans une atmosphère dont la concentration en oxygène était réglée à 10 % en volume. On a trouvé que le cristal avait un coefficient d'absorption optique de 0,03 cm-' pour une lumière de 420 nm de longueur d'onde. Puis, on a produit un substrat de 40 mm de long, 10 mm de large et 0,5 mm d'épaisseur à partir de ce cristal de telle façon que les directions des axes a, b et c du cristal correspondent, respectivement, aux directions de la longueur, de la largeur et de l'épaisseur du substrat. On a fait diffuser du titane sur ce substrat pour former un guide d'ondes optique tel que représenté sur la figure 1. Ce guide d'ondes optique comprend un interféromètre de Mach- Zehnder ayant un bras de 16 mm de long et de 7 mm de large, avec deux ports d'entrée (2 et 2') de 7 pm de large chacun et de 5 x 10- 7 cm2 de section transversale, et un port de sortie (3) de mêmes largeur et section transversale que les ports d'entrée. Ensuite, on a utilisé un faisceau de laser He-Ne d'une longueur d'onde de 0,633 pm comme faisceau incident pour induire un dommage optique dans le port d'entrée (2), tout en introduisant dans le port (2') une lumière de diode laser, d'une longueur d'onde de 1,3 pm, dans le mode TE avec une intensité de faisceau appropriée non susceptible de provoquer un dommage optique, de façon que ce faisceau de diode laser puisse servir de faisceau d'essai pour mesurer le changement d'indice de réfraction attribué au dommage optique. Parmi les faisceaux sortant du port de sortie (3), seul le faisceau d'essai était modulé et détecté en utilisant un amplificateur à verrouillage pour mesurer l'intensité de sortie du faisceau d'essai. On a mesuré l'intensité du faisceau d'essai tout en modifiant l'intensité du faisceau laser incident, de façon à obtenir la sensibilité au dommage optique correspondante, Sn, conformément à l'équation (2): St = > / 2L.Iir.tt, (2) o Sn est la sensibilité au dommage optique (cm2/J), > est la longueur d'onde du faisceau d'essai (pm), L est la longueur de bras de l'interféromètre (mm), Iir est l'intensité du rayonnement du faisceau laser (W/cm2), et tu est la période de temps que met l'intensité de sortie du faisceau d'essai à chuter de son maximum à son minimum (secondes). On a trouvé que Sn avait une valeur constante de 2 x 10-8 cm2/J jusqu'à une intensité du faisceau laser de 10 W/cm2, mais qu'elle augmentait rapidement pour des intensités excédant cette valeur. En conséquence, on a trouvé que le guide d'ondes optique de l'invention avait une résistance au dommage optique cinq fois supérieure à celui d'un guide d'ondes optique de l'art antérieur. Exemple 2 On a fabriqué un guide d'ondes optique, tel qu'illustré par la figure 1, à partir d'un monocristal de LiNbO3 que l'on avait fait croître par le procédé de Czochralski à partir de LiNbO3 pur à 99,9995 % dans une atmosphère dont la teneur en oxygène était réglée à 0,1 % en volume, puis traité thermiquement à 1100 C dans de l'air pendant 4 heures. Le cristal thermiquement traité avait un coefficient d'absorption optique de 0,03 cm1 pour une lumière de 420 nm de longueur d'onde. On a soumis ce guide d'ondes optiques au même essai qu'à l'exemple 1, pour trouver qu'il avait une valeur Sn presque constante de 1 x 10-8 cm2/J pour une intensité de faisceau laser de W/cm2 ou moins, cette valeur croissant soudainement lorsque l'intensité dépassait 20 W/cm2. Ce guide d'ondes optiques présente, donc, une résistance au dommage optique qui est de dix fois celle d'un guide d'rondes optique de l'art antérieur. Exemple comparatif On a fabriqué un guide d'ondes optique, tel qu'illustré par la figure 1, à partir d'un monocristal de LiNbO3 préparé par le procédé de Czochralski et disponible dans le commerce, et on l'a soumis à une mesure de sa sensibilité au dommage optique, Su, de la même façon que dans les exemples 1 et 2 ci-dessus. La valeur de Si obtenue en mesurant l'intensité de sortie du rayon d'essai, tout en faisant varier l'intensité du faisceau laser incident, était de 1 x 10-7 cm2/J pour une intensité du faisceau laser allant jusqu'à 5 W/cm2, cette valeur augmentant rapidement pour des intensités supérieures. En conclusion, les guides d'ondes optiques de l'invention font preuve d'une résistance améliorée au dommage optique qui est cinq fois ou plus supérieure à celle des guides d'ondes optiques de l'art antérieur, et sont donc appropriés pour des dispositifs soumis à un faisceau incident de forte intensité. REVENDICATION 1. Un guide d'ondes optique produit à partir d'un substrat monocristallin de niobate de lithium sur lequel on a fait diffuser du titane, caractérisé en ce que le substrat est un monocristal de niobate de lithium ayant un coefficient d'absorption de 0,03 cm-1 ou moins pour une lumière de 420 nm de longueur d'onde. 2. Un guide d'ondes optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le monocristal de niobate de lithium a été préparé par le procédé de Czochralski à partir de LiNbO3 pur à 99,9995 %, dans une atmosphère dont la teneur en oxygène était réglée dans la gamme de 0,1 à 10 % en volume.