diffraction par un faisceau d`ondes élastiques de surface de

DIFFRACTION PAR UN FAISCEAU D’ONDES
´
ELASTIQUES DE SURFACE DE LUMI` ERE GUID´ EE
DANS UNE COUCHE MINCE
P. Hartemann, D. Ostrowsky, M. Reiber, R. Torguet
To cite this version:
P. Hartemann, D. Ostrowsky, M. Reiber, R. Torguet. DIFFRACTION PAR UN FAIS-
CEAU D’ONDES ´ ELASTIQUES DE SURFACE DE LUMI` ERE GUID´ EE DANS UNE
COUCHE MINCE. Journal de Physique Colloques, 1972, 33 (C6), pp.C6-216-C6-219.
<10.1051/jphyscol:1972647>.<jpa-00215165>
HAL Id: jpa-00215165
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00215165
Submitted on 1 Jan 1972
HAL is a multi-disciplinary open access
archive for the deposit and dissemination of sci-
entific research documents, whether they are pub-
lished or not. The documents may come from
teaching and research institutions in France or
abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
destin´ee au d´epˆot et `a la diffusion de documents
scientifiques de niveau recherche, publi´es ou non,
´emanant des ´etablissements d’enseignement et de
recherche fran¸cais ou ´etrangers, des laboratoires
publics ou priv´es.

JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C6, supplement au n° 11-12, Tome 33, Novembre-Decembre 1972, page 216
DIFFRACTION PAR UN FAISCEAU D'ONDES ELASTIQUES
DE SURFACE DE LUMIERE GUIDEE
DANS UNE COUCHE MINCE
P. HARTEMANN, D. OSTROWSKY, M. REIBER et R. TORGUET
Laboratoire Central de Recherches Thomson-CSF
Domaine de Corbeville, BP n° 10, 91401 Orsay, France
Resume. — Une onde lumineuse est guidee dans une couche mince deposee sur un substrat
qui peut etre piezoelectrique.
Un faisceau d'ondes elastiques de surface se propage dans le meme plan que les ondes Iumi-
neuses. Pour deux valeurs de Tangle entre les directions de propagation des ondes lumineuses
et 61astiques, une partie de la lumiere est deviee dans une seule direction comme dans le cas de
la diffraction de Bragg.
Ce faisceau lumineux diffracte a ete observe en utilisant des ondes de surface dont la frequence
est de 100 MHz.
Les precedes technologiques de realisation des transducteurs d'ondes de surface, de la couche
guide de lumiere deposee sur du quartz, des reseaux d'entree et de sortie de la lumiere sont decrits.
Des resultats experimentaux sont donnes.
Abstract. — Light can be guided in a thin layer deposited on a piezoelectric substrate. A part
of this light is diffracted by elastic surface waves. This diffracted light has been observed with
100 MHz elastic surface waves. The technological process used to fabricate the light guide on a
quartz substrate is described and experimental results are given.
La diffraction par un faisceau d'ondes elastiques
de surface de lumiere guidee dans une couche mince
a ete observee en utilisant le dispositif schematise
sur la figure 1.
Le principe de fonctionnement est le suivant:
— Un faisceau lumineux de longueur d'onde dans
le vide 10 se propage dans un guide constitue par
une couche transparente d'indice de refraction nt
Reseau optique
d'entree Reseau optique
de sortie
Faisceau
optique incident
FIG. 1. — Schema du dispositif utilise pour observer la diffrac-
tion par un faisceau d'ondes de surface de iumiere guidee dans
une couche mince.
deposee sur un substrat d'indice n0 plus faible. Le
faisceau se refiechit totalement sur les interfaces air-
couche et couche-substrat. L'angle 0! d'incidence du
faisceau guidee sur ces interfaces est caracteristique
d'un mode de propagation dans une epaisseur W
de la couche. La longueur d'onde optique dans le
guide lg est egale a
AO/HJL eff
n1 eff egal a nt sin 8t est l'indice de refraction effectif
qui est fonction pour une longueur d'onde incidente
10 de l'epaisseur de la couche et du mode de pro-
pagation. Pour des relativement faibles valeurs de
l'epaisseur, Wjnt eff est faiblement superieur a n0 [1].
Dans ce cas, Tangle 9t est voisin de Tangle limite de
reflexion totale sur Tinterface couche-substrat. Une
partie non negligeable du champ electrique se pro-
page dans le substrat sous la forme d'une onde
evanescente. Les pertes par diffusion a Tinterface
couche-substrat sont alors importantes. Une epaisseur
suffisante de la couche est done necessaire.
La lumiere est introduite et extraite de la couche
guide de lumiere en utilisant deux reseaux de phase [2].
Ces reseaux sont representes schematiquement sur
la figure 2. lis sont constitues par un film de resine
photosensible dont l'epaisseur est modulee periodi-
quement. La valeur de la periode spatiale de modu-
lation est de Tordre de grandeur de la longueur d'onde
dans le vide.
Faisceau
elastique Absorbant
d'ondes
elastiques Faisceau optique
guide de'vie
Faisceau optique
guide non devie
Couche de verre
Substrat piezo electrique
jquartz)
Faisceau optique
guide |
Transducteur d'ondes
elastiques de surface
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1972647

DIFFRACïION PAR UN FAISCEAU D'ONDES ÉLASTIQUES C6-217
Faisceau optique
incident Faisceau optique transmis
Quartz no = 1,543
Axe Z
-
FIG. 2. - Schéma des réseaux de couplage et du guide de lumière. Le faisceau guidé est tracé sur le dessin.
Les autres faisceaux lumineux transmis, réfléchis et diffractés par réflexion et transmission ne sont pas représentés.
La lumière pénètre et se propage dans le guide
dans les conditions suivantes
: l'angle d'incidence
sur la surface commune au guide et au substrat du
faisceau obtenue après réfraction
à la surface commune
résine-guide du pinceau diffracté dans la résine par
le réseau de phase, est égal
à l'angle 8, caractéristique
d'un mode de propagation. L'angle d'incidence sur
le réseau de phase doit être donc ajusté pour obtenir
la propagation dans le guide. Pour éviter des pertes
de recouplage par le réseau, la tache de lumière
incidente doit être localisée au voisinage du bord
intérieur du réseau.
Un faisceau d'ondes progressives élastiques de
surface (ondes de Rayleigh) est émis dans une direction
voisine de celle de la normale au faisceau optique
(Fig.
1) par un transducteur alimenté par une tension
sinusoidale. La profondeur de pénétration de ces
ondes est de l'ordre de la longueur d'onde acoustique
il,. 1, est grand par rapport à l'épaisseur de la couche du
guide de lumière. Les contraintes et extensions créées
par ces ondes élastiques sont les causes de variations
sinusoïdales d'indice de réfraction dans la couche.
Le réseau de phase ainsi constitué, diffracte une partie
de la puissance lumineuse. En particulier pour un
angle
0, entre les directions du faisceau optique
incident sur le réseau de phase et de la normale au
faisceau élastique (Fig.
3) il n'existe qu'un seul fais-
ceau diffracté comme dans le cas de la diffraction
de Bragg.
0, = arc sin 2
CA)
Le dispositif décrit précédemment a été expérimenté
pour la première fois dans un laboratoire des
USA [3].
Plusieurs dispositifs semblables ont été réalisés
par nos laboratoires en utilisant un matériau déposé
en couche pour former le guide lumineux différent
de celui utilisé aux
USA.
Faisceau optique
Faisceau
optique
incident
Faisceau optique
transmis
Faisceau acoustique
eB = arc sin (A)
OB : angle de Bragg
ha : longueur d'onde des ondes élastiques
hg : longueur d'onde optique dans le guide
FIG. 3. - Diffraction de Bragg d'un faisceau lumineux par um
faisceau d'ondes élastiques.
La figure 4 représente une photographie d'un système-
utilisé.
Les processus technologiques et les caractéristiques
des différents éléments d'un dispositif sont décrits
dans les paragraphes suivants
:
1. Transducteurs. - Le substrat étant piézoélec-
trique (quartz coupe
Y), le transducteur est d'un type-

C6-218 P. HARTEMANN, D. OSTROWSKY, M. REIBER ET R. TORGUET
FIG. 4. - Photographie d'un dispositif utilisé. Les parties
c!aires correspondent aux réseaux de couplage. Plusieurs trans-
ducteurs ont été gravés simultanément sur le quartz.
Un seul
de ces transducteurs est utile.
classique à peignes imbriqués. La largeur des dents
est égale au quart de la longueur d'onde élastique.
La normale aux dents des peignes est parallèle
à
l'axe X du quartz. La fréquence centrale est de
99,5 MHz.
La bande passante du transducteur
à 3 dB est
de 4,5 MHz environ pour un nombre de dents de 40.
La longueur utile et la largeur des dents sont res-
pectivement de 1,96 mm et de 8 ym environ.
En réalité, un second transducteur identique est
disposé sur le trajet acoustique. La perte d'insertion
de la ligne
à retard ainsi constituée est, après accord
des deux transducteurs par des inductances et dépôt
de la couche guide de lumière, de 15 dB. La longueur
de propagation entre les deux transducteurs est de
12 mm.
A 99,5 MHz, l'impédance d'entrée est de
25
Cl.
Les transducteurs sont obtenus par le procédé
classique de photogravure d'une couche d'aluminium
de 4 000
A d'épaisseur, déposée sous vide.
2.
Couche guide de lumière. - La couche guide
de lumière est en verre baryum crown léger type
« B 6956 » SOVIREL. Cette couche est déposée sur
le quartz par une méthode de pulvérisation cathodique
RF avec un montage diode. Le vide limité dans
l'enceinte de travail avant pulvérisation est de
2
x IO-' torr. La décharge stabilisée par un champ
magnétique de 20
G est composée uniquement d'ions
oxygène
à une pression de 1 à 2 x
torr. La
vitesse de dépôt est de 60
à 80 &mm. La couche de
verre étant déposée sur le substrat après la photo-
gravure des transduccteurs, deux caches en silice
fondue sont disposées au moment de la pulvérisation
pour éviter le recouvrement des transducteurs.
La largeur de la couche est de 8 mm environ.
Son indice de réfraction mesuré
à 6 328 A est de
1,566. Celui du quartz suivant l'axe
Z est pour la
même longueur d'onde de 1,543 environ.
Plusieurs essais de propagation guidée ont été
effectués avec des épaisseurs différentes de la couche
de verre. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec
une couche de 2
p d'épaisseur environ. L'indice
effectif de la couche est alors voisin de 1,56 pour un
mode de propagation
TE d'ordre 0.
Pour une épaisseur de 0,9 y l'indice effectif est
peu différent de 1,55. Les pertes de propagation
dans le guide, dues
à la propagation d'une partie
du champ électrique dans le substrat, sont alors
relativement importantes. Connaissant les caracté-
ristiques du guide de lumière et du transducteur,
nous pouvons calculer l'angle
6, de diffraction de
Bragg pour une fréquence élastique de 100 MHz
:
/1 \
6, = arc sin -
(2y
Ag=-- - 0,405 pm
1,56
8, = 22' d'arc .
3. Réseau optique de couplage. - Les réseaux
de couplage sont obtenus par une insolation et un
développement d'un film de
6 000 A d'épaisseur environ
de résine
AZ 1350. La résine est exposée à un réseau
de franges lumineuses d'inférences produit
à l'aide
d'un laser
à argon fonctionnant à 4 579 A. La distance
interfrange est de l'ordre de 0,6 ym. La puissance
d'insolation par unité de surface est voisine de
1,27 mW/cm2. La profondeur de la modulation
d'épaisseur du film est de l'ordre de 600
A [4].
La puissance lumineuse qui se propage dans le
guide est égale
à environ 20 % de la puissance inci-
dente. La valeur de ce rendement a été déterminée
expérimentalement en mesurant les intensités de
tous les faisceaux sortant du réseau
à l'exception de
celle du faisceau guidé [2]. La distance qui sépare
les deux réseaux de couplage est de 14 mm environ.
Quelques résultats expérimentaux sont cités dans
le paragraphe suivant.
La plaquette de quartz est solidaire d'une pièce
mobile.
L'angle d'incidence sur un réseau de couplage du
faisceau lumineux et l'angle formé par la projection
de ce faisceau sur la surface du substrat et par la
direction des sillons du réseau de couplage sont
réglables.
La lumière émise par un laser hélium-néon est
focalisée sur le bord intérieur du réseau d'entrée.
La largeur du faisceau guidée est de l'ordre de quelques
dizièmes de mm.

DIFFRACTION PAR UN FAISCEAU D'ONDES ÉLASTIQUES C6-219
La tache obtenue sur le réseau de sortie est examinée
à l'aide d'un objectif de microscope. Le rapport des
intensités des faisceaux déviés et non déviés a été
mesuré en observant avec une diode photosensible
la tache lumineuse du faisceau non dévié et en ali-
mentant en régime impulsionnel le transducteur.
Le rendement de déflexion
y a été mesuré pour diffé-
rentes valeurs de l'angle d'incidence du faisceau
optique guidé sur le réseau élastique diffractant. En
réalité, nous avons mesuré la variation
Aq de
l'angle entre les directions de la projection sur la
surface du faisceau optique incident et des sillons
du réseau de couplage. La courbe obtenue pour une
puissance électrique appliquée de 0,8
W, soit 0'16 W
élastiques est tracée figure 5. Suivant les valeurs de
Acp deux faisceaux déviés symétriquement ou un
unique faisceau dévié existent.
La courbe représentant le rendement de déflexion
y
. : 1 faarceau dévié
P.eloctrioue= 0.8 W
P.elarii~ue = 0.16 W
X X
A@ (degréa) j
O *
O 2 3 4
FIG. 5. - Rendement de déflexion en fonction de la variation Ap
de l'angle de la projection du faisceau incident sur la surface
avec la direction
des sillons d'un réseau de couplage pour une
puissance électrique appliquée
au transducteur de 0,8 W.
L'origine des angles est arbitraire.
à l'angle de Bragg (un unique faisceau dévié) en
fonction de la puissance électrique appliquée est
tracée sur la figure
6. Un effet de saturation est mis
en évidence sur cette courbe.
O 1 2 3 Puissance W
FIG. 6. -Rendement de dkflexion q à l'angle de Bragg en
fonction
de la puissance électrique appliquée au transducteur.
La diffraction de la lumière guidée par des ondes
élastiques de surface a donc été observée avec un
dispositif dont la réalisation nécessite l'utilisation
de moyens technologiques très divers et importants.
Le rendement de déflexion obtenu est de
57 %
environ avec une puissance électrique appliquée
de 2,8
W.
La bande passante du transducteur utilisé étant
faible, le nombre de points du déflecteur décrit est
donc de l'ordre de quelques unités.
Cependant, des dispositifs
à nombre de points
plus important peuvent être réalisés et constitués
des éléments de circuits complexes d'optique intégrée.
Bibliographie
[l] TIEN P. K., << Light Waves in Thin Films and Inte- [3] KUHN L., DAKSS M. L., HEIDRICH P. F. and
grated Optics
». Appl. Opt. 10 (1971).
SCOTT B. A., « Deflection of an Optical Guided
Wave
by a Surface Acoustic Wave ». Appl. Phys.
[2] DAKSS M. L., KUHN L., HEIDRICH P. F. and SCOTT
Lett. 17 (1970).
B. A., (< Grating Coupler for efficient excita- [4] OSTROWSKY D. B. and JACQUES A., «Formation
tion of Optical Guided Waves in Thin Films». of Optical Waveguides in Photoresist Films».
Appl. Phys. Lett. 16 (1970).
Appl. Phys. Lett. 18 (1971).