FABRICATION DE MIROIRS DE BRAGG PAR

FABRICATION DE MIROIRS DE B RAGG PAR FAISCEAUX D ’ IONS FOCALIS ÉS
DANS DES GUIDES Ti : LiNbO3
K. GHOUMID1 , R. FERRIERE1 , B.-E BENKELFAT2 , G. ULLIAC1 ,
R. SALUT1 et N. BEN SEDRINE1
1
Femto-St/Laboratoire D’optique P.M. Duffieux -UMR, 6174, 16 route de Gray, 25030 Besançon
Cedex (France).
2 Institut Telecom; Telecom & Management Sud-Paris; Samovar UMR CNRS 5157, Département
Électronique et Physique, 9 rue Charles Fourier 91011 Evry Cedex (France).
[email protected]
R ÉSUM É
Nous présentons ici une méthode de nanostructuration de réseaux de Bragg basée sur une
technique de gravure par faisceaux d’ions focalisés. Les réseaux sont fabriqués sur des guides
d’ondes diffusés Ti : LiNbO3 . La méthode utilisée est simple dans son principe comparée
aux méthodes holographiques puisque l’écriture de réseaux se fait directement. Cette technique nous a permis d’inscrire des réseaux de Bragg dont les performances au niveau de
la réflectivité et de la bande passante sont intéressantes pour des applications futures qui
concernent la fabrication de cavités fabry-Pérot intégrées en particuliers.
M OTS - CLEFS : Réseau de Bragg ; Faisceau d’ion focalisé ; Transmittance.
1.
I NTRODUCTION
Parmi les méthodes les plus utilisées pour la fabrication des réseaux de Bragg on trouve La méthode
photoréfractive [2], la gravure sèche RIE (Reactive Ion Etching) ou profonde ’Depth’ (DRIE) [3], l’ablation laser [4], l’échange protonique [5].
La majorité des ces méthodes demandent de nombreuses étapes de fabrication (préparation du masque,
lithographie, développement du résine, gravure ...). La technique utilisée pour la fabrication des réseaux
de Bragg par FIB (focused ions beam) réduit drastiquement le nombre de ces étapes puisque la gravure
est faite directement et sans l’intermédiaire d’un masque. L’avantage principal de cette technique est
l’obtention de réseaux de Bragg dont les dimensions peuvent être inférieures à 100 nm, ce qui est presque
impossible avec les autres méthodes citées précédemment.
2.
M ÉTHODE DE FABRICATION
Le faisceau d’ion focalisé est une technique utilisée en particulier dans les domaines des semiconducteurs et des sciences des matériaux pour l’analyse et le dépôt. Le FIB utilise un faisceau d’ions
de gallium Ga+ qui après accélération entre en collisions avec la surface de l’échantillon à graver. Le
concept le plus largement admis pour des interactions ion-solide est le modèle de cascade de collision
[1]. Si l’énergie de translation transférée à un atome cible pendant une collision dépasse une valeur critique appelée énergie de déplacement, l’atome sera éjecté hors de son emplacement original et peut être
émis hors du solide. Ainsi les ions Ga+ sont concentrés sur l’échantillon en suivant le modèle désiré. La
quantité de matériau enlevée dépend du dosage. L’énergie de déplacement (typiquement sur l’ordre de
20 eV ) est beaucoup plus grande que l’énergie de liaison des atomes (de l’ordre de 1 eV ). Après un certain
nombre de collisions au cours de la gravure du matériau, une grande quantité de matière enlevée vient
se redéposer dans le trou gravé. Cette redéposition explique l’inclinaison (86o par rapport à la normale)
des profils des trous obtenus après gravure, ce phénomène est illustré sur la figure 1. Lorsque les énergies
de toutes les particules participant à la cascade descendent au-dessous de l’énergie de déplacement, la
gravure ne peut plus continuer.
Ti:LiNbO3
Croix
d’alignement
LiNbO3
LiNbO3
1 μm
F IG . 1 : Une vue de côté (à gauche) où on voit l’inclinaison des flans, et une vue dessus (à droite) d’un réseau après gravure
par FIB.
3.
R ÉSULTATS EXP ÉRIMENTAUX
Le résultat de la gravure par FIB d’un réseau de Bragg dans un guide d’onde Ti : LiNbO3 est
montré sur la figure 1. Les performance d’un tel réseau de Bragg sont évaluées à partir de la variation de
transmittance optique du guide en fonction de la longueur d’onde. Le montage expérimental utilisé pour
mesurer cette transmittance T (λ ) est donné dans la figure 2, il est composé d’une source laser Tunics
dont la longueur d’onde est accordable entre 1500 et 1640 nm. Le faisceau laser est focalisé sur la face
d’entrée du guide d’onde au moyen d’un objectif de microscope. La lumière sortant du guide est collimatée grâce à un objectif de microscope et injectée dans une fibre optique connectée à un analyseur de
spectre optique. La courbe de transmission obtenue est représentée sur la figure 3, elle centrée autour de
1552 nm, et elle a une largueur de bande de 12 nm à mi hauteur.
L1
P
L2
L3
L4
OSA
Tinusc
F IG . 2 : Schéma du montage expérimental de la mesure de la transmittance.
4.
C ONCLUSION
Nous avons montré la faisabilité de notre méthode en réalisant des réseaux de Bragg sur des guides
d’onde Ti : LiNbO3 à l’aide d’un faisceau d’ions focalisé, nous avons obtenu une réflectivité de l’ordre
de 95 %. L’originalité de notre travail réside dans l’obtention d’une réflectivité associée à une largeur à
mi-hauteur du pic de réflexion plus grandes. Au deumerant cette technique de nanostructuration permet
d’ores et déjà d’envisager a court terme la fabrication de composants optoélectroniques intégrés comportant une ou plusieurs cavités Fabry-Pérot disposées en cascade. Un tel composant mettant à profil un
effet Vernier sur les fonctions de transfert des cavités, devrait permettre de réaliser un filtre de fréquence
optique très sélectif et accordable électriquement.
-14
-16
-18
-20
T (dBm)
-22
-24
Largeur à mi-hauteur = 12 nm
-26
-28
-30
-32
-34
1500
1520
1540
1560
1580
1600
1620
1640
(nm)
F IG . 3 : Courbe de la transmittance en fonction de la longueur d’onde présentant un pic autour de 1552 nm.
R ÉF ÉRENCES
[1] C.A.Volkert, A.M. Minor, ” Focused Ion Beam Microscopy and Micromachining. ” MRS Bulletin, Vol 32,
MAY 2007.
[2] Ch. Becker, A. Greiner, Th. Oesselke, A. Pape, W. Sohler, H. Suche. ” Integrated optical Ti : Er : LiNbO3
distributed Bragg reflector laser with a fixed photorefractive grating. ” Opt. Let, Vol. 23, No. 15, pp. 11941196, 1998.
[3] C. Cremer, M. Schienle, ” RIE etching of deep Bragg grating filters in GaInAsP/InP. ” Vol. 25, No. 17, pp.
1177-1178, 1989.
[4] Y. Sidorin, A. Cheng, ” Integration of Bragg gratings on LiNbO3 channel waveguides using laser ablation.
” Electr. Let. Vol. 37, No.19, pp. 312-314, 2001.
[5] B.-E. Benkelfat, R. Ferrière, B. Wacogne, and P. Mollier, ” Technological Implementtation of Bragg Grating
reflectors in Ti :LiNbO Waveguides by Proton Exchange. ” IEEE. Photonics Technology Letters, Vol. 14,
No. 10, pp.1430-1432, 2002.
[6] R. Ferrière, B.-E. Benkelfat, J.M. Dudley, K. Ghoumid, ” Bragg mirror inscription on LiNbO3 waveguides
by index microstructuration, ” App. Optics, Vol. 45, No. 15, pp. 3553-3560, 2006.
[7] Y. Shizhuo, ” Lithium niobate fibers and waveguides : fabrications and applications. ” IEEE. Photonics Tech.
Let, Vol. 87, No. 11, pp 1962-1974, 1999.