écriture de structures photoniques à l`aide de faisceaux bessel
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July08-to-trigraphic-final.qxp 11/17/2008 1:47 PM Page 138 FEATURE ARTICLE ÉCRITURE DE STRUCTURES PHOTONIQUES À L’AIDE DE FAISCEAUX BESSEL PAR VÉRONIQUE ZAMBON, NATHALIE MCCARTHY ET MICHEL PICHÉ D Véronique Zambon <veronique.zambon.1 @ulaval.ca>, Nathalie McCarthy <nathalie.mccarthy@ phy.ulaval.ca> and Michel Piché <michel.piche@ phy.ulaval.ca>, COPL, Département de physique, de génie physique et d’optique, Université Laval, Québec, Canada, G1V 0A6 urant la dernière décennie, il a été observé que la focalisation d’impulsions femtoseconde peut altérer de façon permanente l’indice de réfraction dans différents types de verre. Ce changement d’indice est attribué à la densification locale du verre ainsi qu’à la formation de défauts suite à la déposition d’énergie causée par l’absorption multiphotonique en champ laser intense. Un tel phénomène rend possible le modelage de l’indice de réfraction d’un matériau selon un motif tridimensionnel déterminé; cette technique fut utilisée pour fabriquer différents composants photoniques tels des guides d’ondes [1], des coupleurs [2] et des cristaux photoniques [3]. Ces composants ont été fabriqués avec des faisceaux gaussiens focalisés par une lentille. Les faisceaux Bessel ultra-rapides, obtenus par la focalisation avec un axicon, constituent une alternative intéressante pour la fabrication de structures et composants photoniques. Un axicon [4] est une lentille de forme conique qui permet d’obtenir un faisceau optique dont le profil transversal du champ électrique est décrit par une fonction de Bessel d’ordre 0. Le profil de tels faisceaux Bessel est caractérisé par un lobe central étroit avec un diamètre de quelques micromètres qui demeure invariant sur des distances de l’ordre du centimètre. Par la focalisation, à l’aide d’un axicon, d’impulsions femtoseconde dans du verre de silice, nous avons induit un changement positif d’indice de réfraction le long de la ligne focale de l’axicon; cette ligne correspond à la distance sur laquelle le profil du faisceau Bessel est invariant. Dans cet article, nous allons décrire comment nous avons utilisé cette technique pour fabriquer différents types de guides d’ondes optiques dans du verre de silice. FOCALISATION AVEC UN AXICON Les axicons sont des miroirs ou lentilles de forme conique. Un faisceau Bessel d’ordre zéro J0(k(n−1)r tan α) serait obtenu par la transmission d’une onde plane uniforme à travers un axicon réfractif de dimensions infinies. Bien entendu, cette condition n’est pas physiquement réali- I (r , z ) = 2πk (tan 2 α )(n − 1) 2 zI 0e − 2( n −1) 2 z 2 tan 2 α w02 × J 02 (k (n − 1)r tan α ) (1) où r et z sont les coordonnées radiale et longitudinale respectivement, I0 est l’intensité au centre du faisceau gaussien incident sur l’axe, w0 est la taille du faisceau incident, k est le nombre d’onde (k = 2π/λ), n est l’indice de réfraction et α, l’angle de l’axicon (voir figure 1). L’angle de propagation β des rayons est simplement calculé par la loi de Snell : β = arcsin(n sin (α)) - α. (2) La profondeur de champ L du faisceau Bessel fondamental ainsi produit et la position radiale r0 du premier zéro de la distribution transversale de l’intensité dépendent des paramètres de l’axicon et sont données par : L = w0 tan (90o - (arcsin(n sin (α)) - α)) r0 = 2.4048 / [ k (n - 1) tan α ]. (3) (4) Les axicons produisent des faisceaux Bessel avec une grande profondeur de champ comparativement aux faisceaux gaussiens focalisés par une lentille. L’intensité est cependant moins concentrée lors de la focalisation avec un axicon. En effet, l’axicon permet de limiter l’intensité de RÉSUMÉ Des guides d’ondes optiques ont été inscrits dans le verre de silice en focalisant des impulsions femtoseconde à l’aide d’un axicon. 138 C PHYSICS sable. Par contre, il est possible d’obtenir un faisceau se comportant comme un faisceau Bessel d’ordre zéro sur une distance de propagation finie. En pratique, on utilise un faisceau gaussien collimé pour illuminer un axicon. La distribution d’intensité produite par un faisceau gaussien collimé traversant un axicon peut être calculée avec l’intégrale de Huygens-Fresnel en faisant intervenir l’approximation de la phase stationnaire [5]. L’intensité du profil du faisceau focalisé par un axicon est donnée, près de l’axe, par l’expression: IN Fig. 1 CANADA / VOL. 64, NO. 3 ( July-Sept. (Summer) 2008 ) (a) Focalisation avec un axicon. (b) Profil transversal du faisceau Bessel fondamental. July08-to-trigraphic-final.qxp 11/17/2008 1:47 PM Page 139 ... STRUCTURES PHOTONIQUES ... (ZAMBON ET AL.)AA Fig. 2 Techniques couramment utilisées pour l’inscription de guides d’ondes avec des faisceaux gaussiens focalisés par un objectif de microscope : (a) écriture parallèle; (b) écriture perpendiculaire. (c) Inscription de guides d’ondes à l’aide de faisceaux gaussiens focalisés par un axicon. la tache focale à une valeur beaucoup plus faible qu’avec une lentille, évitant ainsi le bris du matériau dans lequel est focalisé un faisceau laser de haute puissance. METHODES D’INSCRIPTION DE GUIDES D’ONDES L’inscription de guides d’ondes dans du verre à l’aide de lasers femtoseconde repose généralement sur l’utilisation de faisceaux gaussiens focalisés par une lentille ou un objectif de microscope. L’indice de réfraction est ainsi modifié dans un volume confiné autour du point focal. La fabrication d’un guide d’ondes est réalisée en translatant parallèlement ou perpendiculairement l’échantillon par rapport au faisceau incident (figures 2a et 2b). L’écriture parallèle est limitée par la distance de travail de la lentille alors que l’écriture perpendiculaire produit des guides d’ondes elliptiques et biréfringents à moins d’utiliser un faisceau avec un astigmatisme approprié. L’approche que nous avons développée consiste à utiliser un axicon pour focaliser les impulsions femtoseconde à l’intérieur de l’échantillon de verre (figure 2c). L’indice de réfraction est modifié le long de la mince ligne focale de l’axicon sans avoir besoin de translater l’échantillon pour obtenir des guides d’ondes cylindriques. En translatant l’échantillon de verre à une vitesse constante durant le processus d’inscription, il est possible d’induire une variation d’indice de réfraction le long d’un mince plan de façon à produire des guides d’ondes plans. Les axicons produisent des faisceaux Bessel avec une grande profondeur de champ et un lobe central étroit et intense; ce lobe central est entouré d’anneaux concentriques d’intensité beaucoup plus faible. Les interactions non-linéaires qui conduisent à l’altération permanente de l’indice de réfraction dans le verre se produisent majoritairement dans le lobe central et sont négligeables dans les anneaux du faisceau Bessel. La focalisation avec un axicon pour l’inscription de guide d’ondes a l’avantage de distribuer le foyer sur une ligne (> 1cm) d’une largeur de quelques micromètres; cette propriété permet d’utiliser toute la puissance disponible de sources laser femtoseconde commerciales opérant à une cadence d’émission de l’ordre du kHz. De plus, puisque le faisceau Bessel possède une symétrie circulaire, des guides d’ondes cylindriques sans biréfringence détectable sont attendus. Une autre propriété intéressante des faisceaux Bessel est leur particularité à se régénérer après une perturbation locale [6]. En effet, si l’on considère géométriquement l’effet d’un obstacle sur l’axe optique, on observe une reconstruction du faisceau à une certaine distance au-delà de l’obstacle. Cette particularité provient du fait que le faisceau Bessel est construit à partir de l’interférence de toutes les parties du faisceau incident qui sont réfractées par l’axicon à un angle β. RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX Trois différentes sources laser femtoseconde ont été utilisées pour l’inscription des guides d’ondes : deux chaînes laser Ti:saphir de cadences d’émission de 1 kHz et 5 kHz, où les impulsions sont amplifiées par la méthode de dérive de fréquence (CPA pour chirped pulse amplification) ainsi qu’un amplificateur paramétrique optique (APO) pompé par une chaîne Ti:saphir fonctionnant à 100 Hz. Les chaînes laser Ti:saphir émettent à une longueur d’onde centrale de 800 nm alors que l’APO peut être accordé de 1200 à 1500 nm tout en conservant une énergie par impulsion de l’ordre du millijoule. Les impulsions femtoseconde sont focalisées à l’aide d’un axicon dans l’échantillon de verre. Les axicons que nous avons utilisés sont fabriqués à partir de verre SiO2 ou de BK7 et possèdent des angles α de 5°, 10° et 20°. Nous avons utilisé deux différents types de verre pour inscrire des guides d’ondes : SiO2 et BK7. Toutefois, une altération permanente de l’indice de réfraction menant à la formation de guides d’ondes n’a pu être observée que dans le SiO2. Des guides d’ondes de bonne qualité ont été obtenus avec l’APO et les chaînes Ti:saphir. Pour caractériser les guides d’ondes, un laser à He-Ne émettant un faisceau gaussien à 633 nm est couplé à l’intérieur des guides d’ondes à l’aide d’un objectif de microscope de 10x. L’image en champ lointain du faisceau transmis est observée sur un écran. La distribution d’intensité en champ proche est obtenue en imageant le faisceau à la sortie du guide d’ondes sur une caméra CCD. La figure 3 illustre les distributions en champ lointain des faisceaux couplés à la sortie de deux guides d’ondes, l’un cylindrique et l’autre plan. Le mode couplé ainsi que la section transversale des guides d’ondes sont aussi montrés. Les franges d’interférence des images en champ lointain représentent l’interférence entre le faisceau couplé et le faisceau direct. Le mode fondamental LP01 se propage dans le guide d’ondes cylindrique. L’efficacité de couplage augmente avec le nombre de tirs (c’est-à-dire le temps d’inscription pour la fabrication du guide d’ondes), mais au-delà d’un certain nombre de tirs, le guide d’ondes devient multimode. Si le temps d’inscription est trop long, il y a une dégradation de la qualité du guide d’ondes. Lors de la fabrication des guides d’ondes plans, la vitesse de translation pendant l’inscription va influencer directement l’altération d’indice de réfraction. C’est avec une vitesse de LA PHYSIQUE AU CANADA / Vol. 64, No. 3 ( juillet. à septembre (été) 2008 ) C 139 July08-to-trigraphic-final.qxp 11/17/2008 1:47 PM Page 140 ... STRUCTURES PHOTONIQUES ... (ZAMBON ET AL.) du faisceau couplé à la sortie de guides cylindriques est la même que celle du faisceau incident ; les guides produits sont exempts de biréfringence, conséquence de la symétrie circulaire du faisceau Bessel. CONCLUSION Fig. 3 Image en champ proche, mode couplé et section transversale (a) d’un guide cylindrique (b) d’un guide plan. Le guide cylindrique a été inscrit à une longueur d’onde de 1300 nm après 3000 tirs avec des impulsions d’énergie de 0.66 mJ en utilisant une axicon de 10° en SiO2. Le guide d’ondes plan a été inscrit à une longueur d’onde de 800 nm à une vitesse de translation de 30 μm/s avec des impulsions de 0.5 mJ à une cadence d’émission de 5 kHz et en utilisant un axicon de 10° en BK7. 30 Fm/s que nous avons obtenu le meilleur confinement du faisceau à l’intérieur du guide d’ondes. Le diamètre des guides d’ondes cylindriques est typiquement de 5 Fm. En mesurant la divergence du faisceau couplé dans le champ lointain, nous avons pu évaluer un changement d’indice de l’ordre de 1x10-3. De plus, en imageant la face de sortie du guide d’ondes de 1 cm de longueur sur une caméra CCD, nous avons évalué l’efficacité de couplage entre 60 et 70%. À l’aide d’une lame demionde et d’un polariseur, nous avons vérifié que la polarisation Les faisceaux Bessel ultra-rapides, générés par la focalisation d’impulsions femtoseconde avec un axicon, présentent plusieurs avantages comparativement aux techniques directes d’inscription de guides d’ondes, dont l’utilisation de toute la puissance disponible de systèmes commerciaux opérant à quelques kHz sans causer de bris dans le matériau où on focalise le faisceau. La méthode que nous avons développée est simple et efficace. Les guides d’ondes cylindriques ainsi fabriqués présentent de faibles pertes et ne possèdent aucune biréfringence détectable. Des travaux futurs visent la fabrication de dispositifs photoniques tels des coupleurs. REMERCIEMENTS Ce travail a été financé par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), le Fond québécois de la recherche sur la nature et les technologies (FQRNT) ainsi que l’Institut canadien pour les innovations en photonique (ICIP/CIPI). Nous remercions INRS-EMT et ALLS pour l’utilisation de leurs équipements et pour leur assistance lors de nos expériences. RÉFÉRENCES 1. 2. 3. 4. 5. 6. K.M. Davis, K. Miura, N. Sugimoto, K. Hirao, “Writing waveguides in glass with a femtosecond laser”, Opt. Lett. 21, 1729 (1996). D. Homoelle, S. Wielandy, A.L. Gaeta, N.F. Borelli, C. Smith, “Infrared photosensitivity in silica glasses exposed to femtosecond laser pulses”, Opt. Lett. 24, 1311 (1999). H.-B. Sun, Y. Xu, S. Juodkazis, K. Sun, M. Watanabe, S. Matsuo, H. Misawa “Arbitrary-lattice photonic crystals created by multiphoton microfabrication”, Opt. Lett. 26, 325 (2001). J.C. Mcleod, “The Axicon: A New Type of Optical Component”, J. Opt. Soc. Am. 44, 592-597 (1957). G. Roy, R. Tremblay, “Influence of the divergence of a laser beam on the axial intensity distribution of an axicon”, Opt. Commun. 34, 1-3 (1980). R.P. MacDonald, S.A. Boothroyd, T. Okamoto, “Interboard optical data distribution by Bessel beams shadowing”, Opt. Commun. 122, 169 (1996). 140 C PHYSICS IN CANADA / VOL. 64, NO. 3 ( July-Sept. (Summer) 2008 )
