Brevet FR2813402A1 — publié le 20020301

PROCEDE DE FABRICATION D'UN GUIDE D'ONDE PAR IMPLANTATION IONIQUE DANS UN CRISTAL PÉRIODIQUEMENT POLARISE POUR LA GENERATION DE LUMIERE PAR EFFET NON-LINEAIRE ET GUIDE D'ONDE AINSI OBTENU DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un procédé de fabrication de guide d'onde par implantation ionique dans un cristal périodiquement polarisé pour la génération de lumière par effet non linéaire. L'invention concerne également le guide d'onde ainsi obtenu. Cette lumière peut appartenir au domaine infrarouge, visible ou ultraviolet. La présente invention sert à élaborer de nouvelles sources laser miniaturisées dont les principales applications sont - lecture et stockage de données sur CD ROM, CD audio et DVD, - impression laser, - cytométrie, - thérapie dermatologique, - mesure de pollutions atmosphériques. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE A l'heure actuelle, les lasers émettant dans le domaine de longueur d'onde précédemment exposé ont déjà été développés pour ces applications : lasers à gaz, à colorant, à solides ou à semi-conducteurs. La plupart de ces sources de lumière émettent un rayonnement laser à des longueurs d'onde imposées par les niveaux d'énergie des transitions atomiques du matériau. Le choix des longueurs d'onde est ainsi restreint et fixé par le milieu utilisé. Dans certains cas, on peut étendre le domaine spectral en recherchant une accordabilité en longueur d'onde ou des raies d'émission situées dans la limite du domaine d'émission des lasers classiques émettant dans l'infrarouge ou l'ultraviolet. L'accordabilité en longueur d'onde peut être obtenue avec des lasers fonctionnant sur des bandes d'absorption (lasers accordables à colorant ou à solides). Ces lasers sont délicats à mettre en oeuvre, surtout lorsqu'il s'agit de liquide (colorants) ou restent limités au proche infrarouge (cas des lasers solides). Dans le cas des lasers à semi-conducteurs (diodes lasers), l'accordabilité est théoriquement possible en modifiant la composition de l'alliage de semi-conducteurs utilisé. Mais, le coût de développement technologique est très élevé ce qui amène les constructeurs à élaborer des composants pour des marchés assurés : lecture et stockage de données sur disque compact ou télécommunications. L'utilisation de l'effet optique non-linéaire permet d'étendre le domaine des longueurs d'onde d'émission. Les rayonnements visibles et ultraviolets peuvent être obtenus par la technique de génération d'ondes harmoniques. Pour utiliser cette technique, des matériaux cristallins, non centro-symétriques et présentant des coefficients non-linéaires élevés (cas du KTi0P04 (KTP) ou encore le LiNb03) sont utilisés. Un autre moyen d'étendre le domaine de longueur d'onde vers l'infrarouge est d'utiliser l'oscillation paramétrique optique (0P0). Cette technique permet d'obtenir l'élargissement et l'accordabilité du domaine spectral. Toutefois, ces deux techniques nécessitent des lasers de puissance importante. Cette dernière ainsi que la taille de la source utilisée peuvent être réduites en utilisant des guides d'onde canaux tout en maintenant une grande efficacité de conversion. En effet, la dimension micrométrique et la géométrie canale du guide favorisent efficacement les interactions non-linéaires. Cette efficacité peut être encore augmentée par la méthode de Quasi-Accord de Phase (QAP) bien connue dans le domaine de la génération d'ondes harmoniques. Le document (1) donne brièvement le principe du QAP et son utilisation pour la conversion de fréquence. (1) Simultaneous generation of W and visible light in segmented KTP waveguides , F. Laurell, J.B. Brown and J.D. Bierlein, Appl. Phys. Lett. n 62, vol. 16 (1993) 1872-1874. Rappelons le principe de la conversion de fréquence. Une onde fondamentale issue d'une source laser, génère, par interaction non-linéaire au sein d'un matériau choisi, deux ondes harmoniques dont les longueurs d'onde sont définies par les lois de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement. L'énergie de l'onde fondamentale est transférée de façon optimale vers les ondes harmoniques lorsque les ondes sont en phase. Ces conditions de mise en phase dépendent du matériau utilisé, de son orientation et de la source laser. Le plus souvent, l'accord de phase est obtenu en utilisant la biréfringence naturelle du matériau. L'ajustement des vitesses des ondes est réalisé par orientation du milieu non-linéaire traversé. La méthode de Quasi-Accord de Phase a été développée afin de résoudre un problème rencontré dans la génération d'un effet non-linéaire : le déphasage entre les ondes harmoniques générées et l'onde fondamentale. Ce déphasage tend à annuler périodiquement, par interférences destructives, l'efficacité de conversion, en fonction de la longueur du matériau traversée. Le principe du QAP est d'inscrire un réseau régulier au sein du milieu non-linéaire dans l'objectif d'inverser de façon spatiale et périodique le signe du coefficient non-linéaire du matériau. Cette opération permet de compenser et de limiter le déphasage des ondes générées pour éviter le phénomène des interférences destructives et la diminution d'efficacité de conversion. Le réseau régulier, figé temporellement dans le matériau, est une répétition successive d'une région de qui a une certaine longueur. Cette région est constituée de deux sections dont les domaines sont respectivement de coefficients non-linéaires de signe opposé (positif puis négatif ou inversement). Le coefficient non-linéaire utilisé est ainsi spatialement modulé. La longueur de la région qui présente l'alternance de signes est appelée période spatiale de modulation (souvent notée : A). La figure 1 des dessins annexés montre l'alternance des signes du coefficient non-linéaire de périodicité spatiale A et la forme des domaines 2 dans le matériau 1. La méthode du QAP permet d'exciter le coefficient non-linéaire le plus élevé et non celui imposé par la condition classique d'accord de phase. Par exemple, celui de KTi0P04 et de LiNb03 est le d33. Appliqué aux matériaux massifs, le QAP a également été appliqué aux guides pour réaliser des microstructures laser. Des guides canaux ont ainsi été réalisés par échange ionique dans des cristaux de KTi0P04, de LiTa03 ou de LiNb03, ont déjà permis la génération de lumières appartenant au domaine visible et ultraviolet par la méthode de QAP. En effet, le processus d'échange ionique peut avoir une double action sur le cristal. D'une part, il crée la région guidante en géométrie. D'autre part, l'ajout d'un ion supplémentaire permet de renverser les domaines sur la longueur totale et une épaisseur du cristal. Ce renversement de domaines est figé dans le temps et se présente comme la répétition d'une région de période spatiale A définie précédemment. La valeur de ce paramètre donne le domaine spectral dans lequel a lieu l'émission de lumière par effet non-linéaire. L'échange ionique consiste à substituer un ion constitutif du cristal avec un ion étranger de valence identique. Dans le cas de KTiOP04, l'ion K+ est échangé avec l'ion rubidium Rb+. L'opération s'effectue dans un bain contenant des sels de nitrate de rubidium (RbN03) porté à haute température. Dans le cas de LiNb03, il s'agit d'un échange' protonique avec l'ion lithium Li+. Dans la perspective de réalisation de microsources laser élaborées à partir de ces structures guidantes, les performances de dispositifs de laboratoire sont étudiées. Le résultat montre que les valeurs des efficacités de conversion expérimentales sont inférieures à celles calculées. Des études approfondies font état d'une grande dégradation voire destruction complète de la non-linéarité de la région guidante causée par le processus d'échange ionique. Un traitement thermique adapté et long (plusieurs dizaines d'heures) permet de restaurer partiellement la propriété non-linéaire du guide. Une autre technique de fabrication de guides d'onde s'est très récemment développée en Europe : l'implantation ionique. L'implantation ionique consiste à bombarder un cristal de forme parallélépipèdique sur sa plus large surface par des ions légers, en général, des ions hélium (He') ou protons (H"). Ces ions rentrent en collision avec les atomes constitutifs du cristal et sont donc freinés. Ils s'arrêtent ainsi à quelques micromètres de la surface du matériau et créent une région de dommages nucléaires. La zone située entre la région de dommages nucléaires et la surface constitue le guide. L'épaisseur de guide est contrôlée par l'énergie du flux ionique implanté. Tout comme l'échange ionique, l'implantation ionique permet de fabriquer des guides plans et canaux. L'éventail de guides élaborés par cette technique est vaste et concerne de nombreux matériaux tels que KTiOP04, LiNb03, BaTi03, LiTa03, LizB40-7, (3-BaBz04, pour ne citer que les plus connus. A noter que, à l'heure actuelle, la fabrication de guides dans les cristaux de borates par échange ionique reste un problème non résolu. Dans le cadre du doublage de fréquence, des dispositifs de laboratoire fonctionnant à partir de ces structures guidantes implantées de KTiOP04 ou de LiNb03, utilisant une méthode différente et plus difficile que celle du QAP servent à étudier les performances de ces guides. A titre informatif, le document (2) donne un exemple de réalisation de dispositif de laboratoire qui utilise un guide de KTiOP04 fabriqué par implantation ionique. (2) Frequency doubling in ion-implanted KTiOP04 planar waveguides with 25 s conversion efficiency , L. Zhang, P.J. Chandler, P.D. Townsend, Z.T. Alwahabi, S.L. Pityana and A.J. McCaffery, J. Appl. Phys. n 73, vol. 6 (1993) 2695-2699. Les résultats prometteurs montrent que, dans le cas de l'implantation par des ions hélium, les guides de LiNb03 présentent une très faible dégradation de la non-linéarité dans la région guidante. La restauration d'une partie de cette non-linéarité s'effectue par un traitement thermique de courte durée (environs 2 heures). EXPOSE DE L'INVENTION La présente invention a pour but d'apporter une solution aux inconvénients précédents en proposant : un procédé de fabrication d'un guide d'onde pour la génération de lumière par effet non-linéaire réalisé dans un cristal : on réalise le réseau périodique dans le cristal et ensuite on implante les ions dans le cristal, ou inversement. L'amplitude du coefficient non-linéaire est moins affectée, ce qui entraîne une plus grande efficacité dans la génération de lumière par effet non-linéaire utilisant le quasi-accord de phase. De façon plus précise, la présente invention a pour objet un procédé de fabrication de guide d'onde par implantation ionique dans un cristal périodiquement polarisé pour la génération de lumière par effet non- linéaire en configuration de quasi-accord de phase. Le guide ainsi fabriqué est destiné à interagir avec une onde fondamentale pour produire ladite lumière, le guide étant caractérisé en ce qu'il comprend une région guidante de géométrie plane ou canale (d'indice de réfraction supérieur à ceux des régions environnantes). Une partie du cristal non-linéaire est transformée en un réseau périodique de sections de période spatiale A. Ce réseau demeure dans le cristal et est réalisé par renversement de domaines (sous l'action d'un champ électrique ou en utilisant un autre procédé physique) sur l'épaisseur totale dudit cristal. Dans le cas de l'application d'un champ électrique, la valeur de ce dernier devra avoir une valeur supérieure à celle du champ coercitif propre du cristal afin de contrôler efficacement la dynamique du renversement de domaines. Expérimentalement, un masque métallique (ou une électrode) présentant une répétition de motifs de période spatiale A est nécessaire pour la fabrication du réseau périodique sur l'épaisseur totale du cristal. La figure 1 montre la forme du réseau 2 obtenu de domaines inversés. Cette dernière figure donne également un aperçu de la nature de la fonction périodique idéale que l'on souhaite obtenir : une fonction de type "créneau". Le matériau obtenu est alors dit matériau périodiquement polarisé. La période spatiale A définit la longueur d'onde de la lumière générée. Ainsi, selon la source laser fondamentale utilisée, la lumière générée peut être visible (verte, bleue, rouge, par exemple) ou invisible (UV, infrarouge, par exemple). On peut également envisager d'inscrire un réseau de Bragg de période spatiale A3 proche de la longueur d'onde de l'onde fondamentale pour la stabilisation de la longueur d'onde fondamentale à une valeur de longueur d'onde pour laquelle l'efficacité de conversion est maximale. La fabrication du guide est réalisée par implantation ionique au sein du cristal périodiquement polarisé. Dans un premier temps, les ions légers du type hydrogène ou hélium ou autre ion léger bombardent, avec une énergie Ei, la surface la plus large du cristal sur laquelle est présente le réseau de période spatiale A. Le guide plan est réalisé. Les "barrières verticales" sont réalisées par implantation de plusieurs flux ioniques d'énergies inférieures à Ei sur la surface précédemment implantée ou par masquage puis attaque chimique contrôlée sur cette même surface ou par gravure ou alors par un autre procédé physico-chimique. Le guide canal est ainsi réalisé. Par cette technique, il est possible de fabriquer un guide canal périodiquement polarisé de largeur et d'épaisseur définies dans un matériau non-linéaire pour la génération de lumière. Ce guide peut être monomode ou multimode. L'ajout de miroirs à fort coefficients de réflexion (>99 %) sur les extrémités du guide fabriqué permet de renforcer l'effet non-linéaire par réflexion de l'onde fondamentale dans le milieu non-linéaire. Cette opération peut améliorer l'efficacité de conversion. On peut choisir le matériau non-linéaire parmi le groupe suivant : KTiOP04, LiNb03, KNb03, BaTi03, LiTa03, Li2B407 et (3-BaB204. DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention est illustrée par les dessins placés en annexe. la figure 1 est un vue schématique du résultat de la modulation périodique du matériau pour l'utilisation en configuration de QAP. la figure 2 est une vue schématique du procédé d'implantation d'ions dans un matériau non-linéaire périodiquement polarisé. la figure 3 est une vue schématique du guide d'onde obtenu par implantation ionique dans un matériau non- linéaire périodiquement polarisé. EXPOSE DETAILLE DES MODES DE FABRICATION PARTICULIERS Le procédé conforme à l'invention, schématiquement représenté sur les figures 1 et 2, est un procédé de fabrication de guide d'onde par implantation ionique dans un cristal périodiquement polarisé pour la génération de lumière par effet non-linéaire en configuration de quasi- accord de phase. La figure 1 est le résultat obtenu de la polarisation périodique qui peut être réalisée selon sous champ électrique ou un autre procédé physico-chimique. On voit le renversement alterné 2, de périodicité spatiale A, des domaines dont les coefficients non-linéaires sont respectivement de signe positif puis négatif. La figure 2 représente le bombardement d'ions légers de type hydrogène ou hélium qui permet de réaliser le guide dans le matériau non-linéaire modifié. Les ions arrivent sur la face la plus large du matériau avec une certaine orientation de façon à éviter un effet de canalisation ionique au sein de la structure cristalline du matériau. L'énergie du flux ionique est choisie pour obtenir un guide d'onde monomode. L'épaisseur et la largeur du guide sont définies en fonction du matériau et donc de l'énergie des ions implantés. La figure 3 est le résultat final des deux étapes précédentes : le guide 3 fabriqué par implantation ionique dans le matériau 1, qui présente une modulation spatiale et temporellement figée 2 de son coefficient non-linéaire. La lumière d'entrée 4 a une longueur d'onde définie. La lumière de sortie 5 a une longueur d'onde moitié de la précédente. L'opération réalisée est un doublage de fréquence de la lumière d'entrée. L'ajustement de la période spatiale de modulation A à la longueur d'onde de la lumière 4 permet de fournir une longueur d'onde spécifique de la lumière 5. La source laser fournissant la lumière d'entrée peut être à titre d'exemple, une diode laser classique (AlGaAs) de longueur d'onde 980 nm ou une source laser émettant à 1064 nm (laser YAG:Nd). On peut également générer d'autres longueurs d'onde en utilisant le principe de l'oscillateur paramétrique optique, en agissant toujours sur A. L'avantage de ce procédé est que l'on dispose d'un composant photonique - de taille micrométrique dont les dimensions sont controlables : épaisseur et largeur - qui utilise la configuration de quasi-accord de phase pour la génération de lumière REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un guide d'onde pour la génération de lumière par effet non-linéaire réalisé dans un matériau caractérisé en ce que : on réalise le réseau périodique dans le matériau et ensuite on implante les ions dans le matériau, ou inversement. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 2 caractérisé en ce que le réseau périodique de longueur de modulation A est réalisé dans le matériau par application d'un champ électrique sur un masque (ou une électrode) déposé sur ledit matériau. 3. Procédé de fabrication selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le matériau est de nature ferroélectrique ou autre. 4. Procédé de fabrication selon les revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'implantation ionique sert à créer le guide plan et le guide canal, ce dernier pouvant être également créé par attaque chimique ou par gravure. 5. Procédé de fabrication selon les revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les ions sont des ions légers hydrogène ou hélium ou tout autre ion léger. 6. Procédé de fabrication selon les revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le guide est monomode ou multimode. 7. Guide d'onde canal obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le matériau est périodiquement polarisé. 8. Guide d'onde canal selon la revendication 7 caractérisé en ce que la longueur de modulation A permet de générer de la lumière visible ou invisible. 9. Guide d'onde canal selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'ajout de miroirs sur les extrémités du guide fabriqué permet d'améliorer l'efficacité de conversion. 10. Guide d'onde canal selon la revendication 7 caractérisé en ce que le matériau est choisi dans le groupe suivant : KTiOP04, LiNb03, KNb03, BaTi03, LiTa03, LizB40, et (3-BaBz04 .