403_Szachowicz_present

Réalisation de guides d’ondes
implantés dans Er:YAlO3
et conversion de fréquence
infrarouge →vert
M. Szachowicz1, S. Tascu1, M.-F. Joubert1,
P. Moretti1, J. Mugnier1 et M. Nikl2
1
LPCML, UMR 5620 CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1, Domaine Scientifique de la Doua, 10 rue
Ampère, 69622 Villeurbanne cedex, France. [email protected]
2 Institute of Physics, Academy of Sciences of the Czech, Cukrovanicka 10, 16253 Prague, Czech Republic
23ème Journées Nationales d ’Optique Guidée
25- 27 octobre 2004 Paris
Plan de l’exposé

Introduction

Caractéristique du matériau étudié YAlO3:Er et
formation des guides d’ondes par la méthode
de l’implantation en ions He+ et H+

Etude spectroscopique de la luminescence
verte de Er3+ sous excitation IR

Conclusions
Introduction

Objectif: réaliser des guides cristallisés pouvant
fournir des émissions intenses de lumière dans le
domaine spectral infrarouge, visible ou proche
ultraviolet pour l’optique intégrée.

L’implantation ionique: une méthode très
universelle pour la fabrication de guides d’ondes
optiques dans les matériaux cristallins

Avantage des structures guidées dans des
cristaux isolants dopés terre rare: elles associent
• les grandes sections efficaces d'absorption et
d'émission de l'ion actif en réseau cristallin
• les effets de confinement et de guidage.
Pourquoi YAlO3:Er?
28
4G
9/2
26
2H
9/2
24
22
Energy (x 1000cm-1)
18
16
4F
9/2
14
4I
9/2
4I
11/2
12
10
(A.J. Silversmith et al., 1986)
4I
13/2
4
2
0
4I
160 µs
20 µs
1,2 ms
8
6
550 nm
Cristal massif: laser
upconversion IRvert
à basse température
20
4F
3/2
4F
5/2
4F
7/2
2H
11/2
4S
3/2
15/2
6,5 ms
Echantillons deYAlO3:Er
 Les cristaux sont obtenus par
la méthode de Czochralski
 Le pourcentage du dopage en
9 mm
Er3+  1at.%
 Coupés et orientés le long des
2 mm
a
b
c
4 mm
trois axes cristallographiques
a,b,c
 Propagation le long de l’axe b
Implantation ionique – guides d’ondes
plans avec Δn<0
Optical waveguiding
Refractive index
Substrat index value
D
e
p
t
h
Light
X
Optical barrier
(damaged layer)
 doses des ions He+ ou H+ comprises entre 1 et 4x1016
ions/cm2
 énergie dans la gamme entre 1-1,5 MeV
 barrière optique à une profondeur de quelques micromètres
sous la surface
 élargissement de la barrière avec plusieurs implantations
d’énergies diverses voisines (ΔE: 50 – 100 KeV)
Implantation ionique – guides
d’ondes canaux avec Δn>0
Mise en évidence récente dans le YAG
(Moretti et. al. Opt. Mater. 24, 2003, 315)
ns
Appliqué ici dans YAP
15 µm
Δn>0
12 µm
Implants successifs à faibles
doses et des profondeurs
différentes
Refractive index
Depth
θ
Substrat index value
10 implantations de H+ aux
doses comprises entre 1 et
3x1015
ions/cm2,
angles
différents (10°<θ<80°) et
une énergie fixée
Moving slit
Specific set up
θ
Damaged multi
implantation areas
Caractérisation des guides
Guides plans –
spectroscopie des modes
Guides canaux ou plans –
camera CCD
 4 à 6 lignes noires assez
fines correspondant aux
modes guidés
17
μm
 meilleur contraste pour
une polarisation TE
P
O
FO
O
Laser
He :Ne
Io
Prism
Substrat : Er:YAlO3
Guide
632 nm
Montage expérimental
P- polariseur, O-objective de
microscope, FO- fibre optique
IR, CCD –camera CCD
CCD
Etude spectroscopique - schéma du montage
longueur d’onde entre
780 et 840 nm
Sapphire-titanium
laser
IR mirror
f=100
mm
injection system
chopper
f=100
mm
monored optical
fiber
oscilloscope
sample in the
injection system
Cw
Argon
laser
Montage optique
pour collecter la
luminescence du
massif
visible
monochromator
visible
mirror
Montage optique pour
collecter la
luminescence confinée
photomultiplier
f=150
Spectres d’absorption du cristal massif
YAlO3:Er
cristal après implantation
cristal non implanté
0,7
780 - 840 nm
Diffusion dans
la zone
implantée
0,7
0,6
0,6
absorption intensity [a.u]
absorption intensity [a.u.]
380
0,5
657
523
0,4
652
367
0,3
492
0,2
357
408
449
542
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
796
806
0,1
0,0
300
400
500
600
700
wavelength [nm]
800
900
300
400
500
600
700
wavelength [nm]
800
900
Comparaison des spectres d’émission en sortie
des guides canaux avec celui du massif
 Même position spectrale
des raies d’émission
Mais:
 Intensités relatives
différentes
 Elargissement pour
intensité d'émission (a.u.)
1,0
545 nm
0,8
0,6
guide canal
551,25 nm
0,4
cristal massif
0,2
l’émission confinée
0,0
520
540
560
580
longueur d'onde (nm)
 545 nm: émission vers la composante Stark la plus basse de 4I15/2
 absorption le long du guide
 Elargissement : probablement du à des défauts, du désordre … dans
la zone implantée
intensité d'émission (a.u.)
Spectres d’émission en sortie des guides
canaux implantés
guide canal n>0
doses différentes pour
chaque angle d'implantation
551,25 nm
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
520
540
560
guide canal n>0
15
2
dose unique (3x10 ions/cm )
pour chaque angle d'implantation
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
520
540
560
guide canal n>0
15
2
dose unique (1,5x10 ions/cm )
pour chaque angle d'implantation
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
-0,1
520
540
560
longueur d'onde (nm)
un recuit de 2 h à 300° de l’échantillon implanté ne
modifie pas son spectre d’émission
Spectres d’excitation de l’émission
guidée et spectre d’absorption
spectre d'absorption du massif
2H
4S 11/2
3/2
spectre d'excitation du guide canal
15
2
(dose 2,5x10 ions/cm )
806,7 nm
795,5 nm
796,1 nm
796,8 nm
0,6
Absorption:
transition 4I15/2→4I9/2
4I
9/2
4I
11/2
4I
13/2
Excitation:
nouvelles raies à
798,6 nm, 796,8 nm,
796,1 nm, 794,3 nm,
791 nm, 789,5 nm et
787,1 nm
 ces raies sont plus
fines que les autres

798,6 nm
0,2
791 nm
0,3
789,5 nm
0,4
794,3 nm
4I
15/2
787,1 nm
intensité (u.a.)
0,5
0,1

0,0
780
800
Longueur d'onde (nm)
Pour longueur d’onde sélectionnée:
551 nm
820
transition entre états
excités 4I13/2→2H11/2
L’intensité de la fluorescence confinée varie
quadratiquement avec la puissance d’excitation
pour des puissances en sortie de la fibre
d’injection entre 10 et 140 mW quelle que soit
la longueur d’onde d’excitation.
exc=800nm
0,1
0,01
1E-3
10
100
Pen sortie de la fibre d'injection (mW)
0,8
cristal massif
0,7
dose: 1,5x10 ions/cm
0,6
dose: 2,5x10 ions/cm
15
2
15
2
0,5
intensity
luminescence verte
Dépendance de l’intensité de la fluorescence verte en
fonction de Pexc et dynamique de la fluorescence verte
sous excitation IR
 Des mesures de la dynamique de la
fluorescence verte montrent que le
temps d’établissement de l’état
stationnaire est de l’ordre de 10 ms
0,4
0,3
 La forme de la courbe ne change ni
0,2
0,1
0,0
-0,1
0,01
0,02
0,03
time (s)
0,04
0,05
avec la dose d’implantation, ni avec
la longueur d’onde d’excitation ni
avec la puissance d’excitation.
Conclusions

Pour la première fois des guides
optiques canaux et plans ont été
réalisés par l’implantation ionique
dans un cristal orienté de YAlO3 dopé
avec 1% Er3+
θ
On
a appliqué une nouvelle
méthode de structuration d’indice
pour élaborer des guides canaux
avec Δn>0
Conclusions
 La
conversion de fréquence infrarouge – vert due aux
ions Er3+ est très efficace
 Dans
les guides d’ondes canaux implantés en protons
(Δn>0), l’intensité de la luminescence verte convertie
augmente avec la dose d’ions utilisée pour leur
fabrication. Cet effet est probablement dû à une
augmentation de la variation d’indice induite avec la
dose.
 Les
raies de l’émission guidée ont la même position
spectrale que celles-ci dans le cristal massif. Les
différences observées (Irel , n) sont probablement dues
à l’absorption des photons verts émis et au désordre de
la structure du réseau dans le guide d’ondes.
 Le
mécanisme de peuplement du niveau émetteur est
l’absorption dans l’état excité
Perspectives
Optimisation
des guides au niveau de l’efficacité
de la conversion IR  vert et de la réduction de
pertes
Etude
comparative des guides canaux avec
barrières latérales (Δn<O) et barrière de fond
Mesures
quantitatives par la méthode mlines en
fonction de paramètres d’implantation et de
recuit thermique