Brevet FR2742556A1 — publié le 19970620

PROCEDE DE REALISATION DE CONVERTISSEURS DE FREQUENCE BASE SUR LE QUASI-ACCORD DE PHASE EN OPTIQUE GUIDEE Le domaine de l'invention est celui des convertisseurs de fréquence optique. Plus précisément, il s'agit de convertisseurs de fréquence optique pour lesquels les ondes sont confinées dans un guide réalisé sur un substrat présentant des propriétés non-linéaires d'ordre 2 qui permettent les opérations schématisées sur la figure 1. Ces opérations sont le doublage de fréquence (figure 1a), la fluorescence paramétrique (figure 1 b), la sommation de fréquences (figure i c) ou bien encore la différence de fréquences (figure i d). Pour tirer parti de cette configuration géométrique à priori favorable en terme d'efficacité de conversion, deux conditions doivent être remplies. La première conceme l'accord de phase le long de la distance d'interaction, entre la polarisation non-linéaire induite par l'illumination incidente et la ou les ondes auxquelles cette polarisation a donné naissance.La seconde a trait à leur recouvrement spatial au sein du guide, sachant que ce recouvrement peut être pondéré par une distribution non homogène du coefficient non linéaire concerné. Nous verrons par la suite que cet aspect est particulièrement important lorsque la condition d'accord de phase qui vient d'être mentionnée est satisfaite de manière artificielle, c'est-àdire par une technique dite de Quasi-Accord de Phase (QAP). Cette approche consiste à moduler périodiquement un des paramètres intervenant dans l'interaction non-linéaire afin de compenser la différence de constante de propagation dk liée à la dispersion de l'indice de réfraction du matériau non-linéaire mis en jeu.Dans le cas où cette condition de QAP est vérifiée, on peut alors écrire en se rapportant à la figure i (1) Ak=m.K où (2) K = 2.II/A et (3) = kû)3-kù)2i avec A: période de la modulation permettant le QAP m: ordre (entier) dans lequel est obtenu le QAP constantes constantes de propagation respectives des ondes 1, 2 et 3. La technique du QAP est particulièrement intéressante puisqu'elle permet d'utiliser des matériaux très efficaces sur le plan non-linéaire même si la dispersion de leur indice de réfraction est importante. Ainsi il devient possible à certains matériaux, d'émettre par conversion de fréquence dans des gammes spectrales qui leur étaient jusque là interdites, du fait de l'incapacité des techniques classiques à vérifier la condition d'accord de phase. C'est le cas, par exemple, de l'émission dans le bleu par doublage de fréquence au sein de matériaux tels que LiNbO3, LiTaO3 ou encore KTP, qui présentent des non-linéarités élevées et qui sont de plus, compatibles avec la technologie de l'optique intégrée. Si le QAP peut être obtenu par la modulation de n'importe lequel des paramètres intervenant dans l'interaction, le changement périodique du signe du coefficient non-linéaire est une des solutions qui conduit à la plus grande efficacité de conversion. Ainsi, la figure 2 schématise une configuration où un guide d'onde est réalisé sous la surface d'un substrat et matérialisé par des traits pointillés. Ce guide assure le confinement des différentes ondes qui interagissent dans la région où le coefficient nonlinéaire est modulé en signe (alternance de signes + et de signes -). Dans cette géométrie de l'optique guidée, il n'est pas nécessaire que la modulation existe dans tout le volume du matériau, il suffit qu'elle soit présente dans la région d'extension des modes guidés correspondant aux ondes qui interagissent.Par contre, cette demière condition est nécessaire pour aboutir à un rendement de conversion optimal. On voit bien entendu ici apparaître la notion de recouvrement entre les ondes qui interagissent et la région où le caractère périodique du coefficient non-linéaire est effectivement sensible. Une des techniques utilisée pour obtenir le changement de signe de ce coefficient non-linéaire, consiste à retoumer la polarisation ferroélectrique du matériau comme dans LiNbO3, LiTaO3 ou encore KTP. La forme des domaines où la polarisation ferroélectrique a été effectivement inversée, est bien entendu également un élément d'importance puisqu'elle influence directement la modulation du coefficient non-linéaire. Cette forme dépend elle-meme de la technique utilisée pour obtenir le renversement de polarisation ferroélectrique. Actuellement, il demeure des problèmes importants pour obtenir des domaines suffisamment profonds pour assurer un bon recouvrement avec les modes guidés, tout en conservant un facteur de forme proche de 50%, sachant que plus le pas requis d'altemance de domaines est faible plus la difficulté d'obtenir des domaines profonds est grande. A titre d'exemple, pour l'émission dans le bleu à partir d'une source autour de 860 nm, le pas A requis est voisin de 3,5 pm dans LiTaO3 et LiNbO3. Si l'on considère maintenant l'émission autour de 1,5 pm par fluorescence paramétrique à partir d'une pompe située vers 800 nm, la période adéquate dans ces deux matériaux est de l'ordre de 20 pm. Selon l'art connu, la technique la plus courante pour réaliser localement le retoumement de polarisation ferroélectrique consiste à faire localement une opération de diffusion ou échange ionique, suivie d'un recuit rapide à haute température et ce généralement dans un four à lampes tel que celui schématisé en figure 3. Le substrat, par exemple LiTaO3 dans lequel a été réalisé localement et en surface l'échange protonique est placé sur un support encore appelé suscepteur type silicium absorbant et conduisant la chaleur. Le chauffage est assuré par des lampes qui illuminant le suscepteur, élèvent sa température ainsi que celle de l'échantillon en contact avec ce premier. Le substrat subit un recuit avec un temps de montrée très court, de l'ordre d'une dizaine de secondes dans le cas du substrat LiTaO3 à une température légèrement inférieure à la température de Curie du matériau ferroélectrique. La limitation principale conceme la profondeur D des domaines où la polarisation ferroélectrique a été retournée, qui ne peut dépasser leur largeur I (correspondant à la largeur sur laquelle on a réalisé les motifs lors de l'échange protonique. Si l'on cherche pour un pas A donné, à agrandir la largeur I en vue d'augmenter la profondeur D, ceci se fait alors au détriment du facteur de forme l/A qui s'éloigne de la valeur optimale de 50 % (altemance de domaines de même largeur)). II existe donc un compromis à trouver entre le respect de ce facteur de forme et la profondeur des domaines. A ce premier problème s'ajoute celui de la régularité de l'image de polarisation le long de la distance d'interaction (direction Ox sur la figure 2). Celle-ci est directement liée à l'homogénéité de la température de l'échantillon durant le recuit. Ainsi des modifications de l'image de polarisation ferroélectrique peuvent être présentes dans le substrat, en cas d'inhomogénéité de température lors du recuit. II peut apparaître alors comme l'illustre la figure 4 des domaines de retournement de polarisation, beaucoup trop faibles (figure 4a), trop faibles (figure 4b), corrects (figure 4c), trop importants (figure 4d). En effet, pour que le QAP soit réellement efficace sur toute la longueur du guide dont l'ordre de grandeur est le centimètre, il est nécessaire que l'image de polarisation imprimée au cristal présente non seulement une forme correcte, mais de plus soit homogène le long de la distance d'interaction. Or les problèmes rencontrés dans les deux cas (forme et homogénéité) sont principalement liés aux conditions dans lesquelles se produit l'étape de recuit qui permet le retournement de polarisation à partir de la présence de protons. Lors de cette étape de recuit, I'homogénéité de la température de l'échantillon dépend en partie de la qualité du contact entre ce dernier et le suscepteur. De plus, I'échantillon bien que transparent dans le visible, constitue un masque à l'éclairement du suscepteur ce qui accentue le problème d'homogénéité de température, d'autant plus critique que la formation des domaines est sensible à des variations de l'ordre de quelques degrés. Pour améliorer la forme et l'homogénéité de l'image de polarisation, I'invention a pour objet un procédé de réalisation de convertisseur de fréquence comprenant une étape originale de recuit. Plus précisément, I'invention a pour objet un procédé de réalisation de convertisseur de fréquence comprenant un substrat en matériau ferroélectrique présentant des propriétés optiques non linéaires d'ordre 2, ledit substrat ayant une surface dite supérieure possédant une modulation de la polarisation ferroélectrique, caractérisé en ce qu'il comprend: - le dépôt d'un matériau ma plus absorbant que le matériau ferroélectrique pour un rayonnement dans une gamme de longueurs d'onde Ai, sur la surface supérieure dudit substrat; - le recuit du substrat à une température voisine de la température de Curie du matériau ferroélectrique, dans un four de recuit rapide, muni d'une source lumineuse de longueurs d'onde Ai. La présence d'un élément absorbant ma en contact direct avec la surface du matériau ferroélectrique dans lequel on cherche à induire des retoumements de polarisation ferroélectrique permet d'assurer une amélioration notable de l'homogénéité du fait du rapport de conductivité thermique pouvant typiquement être supérieure de plusieurs ordres de grandeur entre le matériau de ladite couche et le matériau ferroélectrique par lequel transite la chaleur depuis le suscepteur, dans l'art connu. Selon une variante de l'invention, le matériau absorbant est du silicium. Selon une variante de l'invention, le procédé comprend également une étape d'échange ionique entre des ions du matériau ferroélectrique et des ions extérieurs, au niveau de la surface du substrat. Selon une variante de l'invention, I'étape d'échange ionique est réalisée au travers d'un masque, possédant des motifs périodiques. Selon une autre variante de l'invention, I'échange ionique peut être réalisé au niveau de l'ensemble de la surface du matériau ferroélectrique, la couche absorbante est dans ce cas déposée de manière discontinue, pour favoriser localement des retournements de polarisation ferroélectrique lors de l'opération de recuit. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et gracie aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure i schématise les différents processus qui peuvent intervenir dans des opérations de conversion de fréquence au sein du substrat présentant des propriétés non-linéaires d'ordre 2; - la figure 2 schématise un guide d'onde réalisé dans un substrat ferroélectrique, dans lequel des domaines de polarisation ferroélectrique alternée, sont présents; - la figure 3 schématise un four à recuit rapide, selon l'art antérieur, utilisant un suscepteur silicium;; - la figure 4 illustre des configurations différentes de retournement de polarisation périodique, au sein d'un substrat ferroélectrique, traduisant l'inhomogénéîté de température obtenue selon un procédé de recuit de l'art antérieur; - la figure 5 schématise les étapes principales d'un premier exemple de procédé selon l'invention; - la figure 6 schématise les étapes principales d'un second exemple de procédé selon l'invention; - la figure 7 schématise une étape de procédé selon l'invention utilisant une couche d'oxyde Ta2Os faisant localement barrière énergétique. Selon une première variante de l'invention, on réalise un convertisseur de fréquence à partir d'un substrat de LiTaO3 dans lequel on utilise une couche continue de silicium en contact avec la face supérieure dudit substrat. Pour cela, on procéde de manière classique à un échange entre des ions Li+ du substrat et des ions H+ issus d'un bain d'acide. Pour conférer au retoumement de polarisation le caractère périodique voulu, cet échange protonique est effectué au travers d'un masque constitué de bandes de tantale dont l'épaisseur avoisine 1 000 A, pour assurer l'étanchéité et la résistance au bain acide pendant 25 minutes à 400"C (figure 5a). Une fois cet échange protonique effectué, le masque est éliminé. Des ions H+ ont diffusé en surface dans les régions représentées par un signe négatif sur la figure 5a, et permettent après recuit le retoumement de polarisation recherché. Dans un second temps on procéde au dépôt d'une couche de silicium sur la surface du substrat LiTaO3 d'une épaisseur voisine de 2 000 A (figure 5b). On procède alors à l'opération de recuit rapide. Pour cela le substrat est placé sur un suscepteur classique en silicium, ou peut être placé sur un suscepteur n'absorbant pas nécessairement le rayonnement issu de la source lumineuse et ne jouant que le rôle de support. L'ensemble est porté avec un temps de montée très court environ une dizaine de secondes à une température voisine de 500"C. Les zones surfaciques dans lesquelles ont eu lieu l'échange protonique, directement en contact avec la couche de silicium, subissent un retournement de polarisation ferroélectrique qui conduit à l'élaboration des domaines recherchés pour satisfaire les conditions de quasi accord de phase. Selon une seconde variante de l'invention, le convertisseur de fréquence est réalisé en utilisant des éléments discontinus de silicium, en surface d'un substrat de LiTaO3. Selon ce procédé, puisque seules les régions où l'échange protonique a été réalisé, nécessitent d'être ultérieurement recuites, on ne dépose du silicium qu'au niveau de ces régions. Pour cela on procède selon les étapes illustrées en figure 6. On dépose dans un premier temps, une résine photosensible sur le substrat LiTaO3 où est encore présente la couche de tantale périodique qui sert cette fois directement de masque de photolithographie lors de l'insolation par la face arrière du substrat, de la résine préalablement déposée (figure 6a). Après développement de la résine, on procède au dépôt de silicium (figure 6b). Une étape classique de lift-off permet de ne laisser du silicium que sur les bandes où l'échange protonique à eu lieu. La dernière phase consiste ensuite à enlever par une attaque ionique globale, la couche de tantale d'épaisseur plus faible que celle du dépôt de silicium (figure 6c). On obtient ainsi des bandes de silicium surplombant les zones où l'échange protonique a eu lieu. On procède alors à l'opération de recuit dans un four équipé de lampes. L'éclairage par les lampes dans le four de recuit, crée une modulation périodique de la température en surface, qui va limiter l'extension latérale des domaines et par conséquent favoriser le rapport Dil puisque les régions n'ayant pas subi l'échange, seront à plus basse température que celles où l'on cherche à obtenir le retoumement de polarisation ferroélectrique qui sont échauffées par l'absorption de la chaleur par le silicium. Dans un troisième exemple de procédé selon l'invention, le recuit peut être effectué sur un substrat ayant subi localement une étape d'échange protonique classique, sur lequel ont été réalisées une couche isolante discontinue et une couche d'absorbant et conducteur de la chaleur. Plus précisément, ce procédé comprend le dépôt d'une couche de silicium homogène sur un isolant thermique périodique pouvant notamment résulter de l'oxydation du masque en tantale (figure 7). L'oxyde Ta2O5 protège localement le substrat LiTaO3 de l'échauffement dû à l'absorption dans le silicium pour les zones dans lesquelles il n'y a pas eu d'échange protonique. On peut également directement réaliser un masque en Taros sur le substrat pour réaliser l'étape d'échange protonique, ce masque étant conservé pour le dépôt de la couche uniforme de silicium. Selon une quatrième variante de l'invention, le procédé de réalisation de convertisseur de fréquence, comprend une étape d'échange protonique sans passer par la réalisation d'un masque. Dans le cas d'un substrat de LiTaO3, on réalise un échange protonique homogène en présence d'un bain d'acide, dans ce cas on réalise un dépôt de silicium discontinu, seules les zones situées en regard du silicium, conduisent à des retournements de polarisation ferroélectrique.L'étape homogène d'échange protonique permet alors en un nombre limité d'étapes de définir des domaines de polarisation alternée et de définir le guide nécessaire au confinement des ondes optiques. II suffit en effet de faire subir au substrat après l'obtention de l'image de polarisation, un recuit standard (par opposition à un recuit rapide), à une température voisines de 400"C (dans le cas de LiTaO3) comme cela se fait de manière classique pour obtenir le profil de variation d'indice voulu pour réaliser un guide à partir d'un échange protonique. Selon une cinquième variante de l'invention, aucun échange ionique n'est effectué au préalable. On réalise un dépôt discontinu de silicium. Grace à l'opération de recuit rapide, on procéde au retoumement local de polarisation. Dans un second temps, on réalise le guide en procédant à une étape d'échange ionique le long d'un ruban, afin de modifier localement l'indice du matériau ferroélectrique et ainsi définir un ruban guidant permettant d'assurer un confinement latéral. Différents exemples de procédé selon l'invention ont été décrits dans le cadre de substrat LiTaO3, néanmoins tout matériau ferroélectrique peut être utilisé. Ainsi l'on peut à titre d'exemple, employer un substrat de LiNbO3. Dans ce cas, le matériau absorbant ma peut avantageusement être du titane, le retoumement de polarisation étant obtenu par un recuit effectué vers 1 000"C. Ce recuit plus exactement peut être réalisé durant 5 minutes après un temps de montée de 2 mm pour obtenir une température de 980"C. Des essais ont montré qu'avec ce procédé on est en mesure d'atteindre une profondeur de domaines D d'au moins 2 pm, pouvant être réalisés au pas de 20 pm. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation de convertisseur de fréquence comprenant un substrat en matériau ferroélectrique présentant des propriétés optiques non linéaires d'ordre 2, ledit substrat ayant une surface dite supérieure possédant une modulation de la polarisation ferroélectrique, caractérisé en ce qu'il comprend: - le dépôt d'un matériau (ma) plus absorbant que le matériau ferroélectrique pour un rayonnement dans une gamme de longueurs d'onde Ai, sur la surface supérieure dudit substrat; - le recuit du substrat à une température voisine de la température de Curie du matériau ferroélectrique, dans un four de recuit rapide, muni d'une source lumineuse de longueurs d'onde Ai. 2. Procédé de réalisation de convertisseur de fréquence selon la revendication i, caractérisé en ce que le matériau absorbant (ma) est du silicium. 3. Procédé de réalisation de convertisseur de fréquence selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'échange ionique entre des ions du matériau ferroélectrique et des ions extérieurs, au niveau de la surface du substrat. 4 Procédé de réalisation de convertisseur de fréquence selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape d'échange ionique est réalisée au travers d'un masque possédant des motifs périodiques. 5. Procédé de réalisation de convertisseur de fréquence selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape d'échange ionique est réalisée sur l'ensemble de la surface du substrat. 6. Procédé de réalisation de convertisseur de fréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dépôt de matériau absorbant est effectué sur l'ensemble de la surface supérieure du substrat. 7. Procédé de réalisation de convertisseur de fréquence selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le dépôt de matériau absorbant est effectué sur les éléments de la surface supérieure comprenant des ions extérieurs échangés avec des ions du matériau ferroélectrique. 8. Procédé de réalisation de convertisseur de fréquence selon l'une des revendications i à 5, caractérisé en ce que le dépôt de matériau absorbant est effectué de manière périodique. 9. Procédé de réalisation de convertisseur de fréquence selon l'une des revendications i à 8, caractérisé en ce que le recuit rapide du substrat est effectué en plaçant le substrat sur un support constitué d'un matériau absorbant type silicium. 10. Procédé de réalisation de convertisseur de fréquence selon l'une des revendications i à 8, caractérisé en ce que le recuit rapide du substrat est effectué en plaçant le substrat sur un support inerte à la chaleur. 11. Procédé de réalisation de convertisseur de fréquence selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le matériau constitutif du substrat est du LiTaO3. 12. Procédé de réalisation de convertisseur de fréquence selon la revendication 3, caractérisé en ce que le masque au travers duquel est effectué l'échange ionique est en tantale. 13. Procédé de réalisation de convertisseur de fréquence selon la revendication 3, caractérisé en ce que le masque au travers duquel est effectué l'échange ionique est de l'oxyde de tantale. 14. Procédé de réalisation de convertisseur de fréquence selon l'une des revendications i à i 0, caractérisé en ce que le matériau constitutif du substrat est du LiNbO3. 15. Procédé de réalisation de convertisseur de fréquence selon les revendications 8 et 14, caractérisé en ce que le matériau absorbant (ma) est du titane.