DIFFRACTION PAR UN FAISCEAU D’ONDES ÉLASTIQUES DE SURFACE DE LUMIÈRE GUIDÉE 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 FAISCEAU D’ONDES ÉLASTIQUES DE SURFACE DE LUMIÈRE GUIDÉE 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 scientific research documents, whether they are published 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 destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. 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 Iumineuses. 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 elastique Absorbant d'ondes elastiques Faisceau optique guide de'vie Faisceau optique incident Faisceau optique guide non devie Couche de verre Faisceau optique guide | Substrat piezo electrique jquartz) Transducteur d'ondes elastiques de surface FIG. 1. — Schema du dispositif utilise pour observer la diffraction 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 aircouche 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 n t sin 8t est l'indice de refraction effectif qui est fonction pour une longueur d'onde incidente 1 0 de l'epaisseur de la couche et du mode de propagation. 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 propage 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 periodiquement. La valeur de la periode spatiale de modulation est de Tordre de grandeur de la longueur d'onde dans le vide. 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 transmis Faisceau optique incident 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 faisceau 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 a c o u s t i q u e eB = arc s i n OB : angle ha : longueur hg : longueur d ' o n d e de (A) Bragg d'onde des ondes élastiques optique d a n s 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 systèmeutilisé. Les processus technologiques et les caractéristiques des différents éléments d'un dispositif sont décrits dans les paragraphes suivants : 1. Transducteurs. - Le substrat étant piézoélectrique (quartz coupe Y), le transducteur est d'un type- C6-218 P. HARTEMANN, D. OSTROWSKY, M. REIBER ET R. TORGUET 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 caractéristiques 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 FIG.4. - Photographie d'un dispositif utilisé. Les parties c!aires correspondent aux réseaux de couplage. Plusieurs transducteurs 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 respectivement 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 R F 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 torr. La oxygène à une pression de 1 à 2 x vitesse de dépôt est de 60 à 80 &mm. La couche de verre étant déposée sur le substrat après la photo- 6, = Ag=-- \ arc sin ( 2 y 1,56 - 0,405 pm 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 1,27mW/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 incidente. 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 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 alimentant en régime impulsionnel le transducteur. Le rendement de déflexion y a été mesuré pour différentes valeurs de l'angle d'incidence du faisceau optique guidé sur le réseau élastique diffractant. En réalité, nous avons mesuré la variation A q 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 . P.eloctrioue= 0 . 8 W P.elarii~ue= 0.16 W X A@ 2 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. X O O 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 faarceau d é v i é C6-219 ÉLASTIQUES 3 4 *j (degréa) 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. 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] TIENP. K., << Light Waves in Thin Films and Inte- [3] KUHN L., DAKSSM. L., HEIDRICH P. F. and SCOTTB. A., « Deflection of an Optical Guided grated Optics ». Appl. Opt. 10 (1971). Wave by a Surface Acoustic Wave ». Appl. Phys. [2] DAKSSM. L., KUHNL., HEIDRICH P. F. and SCOTT Lett. 17 (1970). B. A., (< Grating Coupler for efficient excita- [4] OSTROWSKY D. B. and JACQUESA., «Formation tion of Optical Guided Waves in Thin Films». Appl. Phys. Lett. 16 (1970). of Optical Waveguides in Photoresist Films». Appl. Phys. Lett. 18 (1971).