État de l’art, critères et objectifs à atteindre

La figure 2.11 rappelle les caractéristiques principales de l’architecture de l’amplificateur hybride réalisé par Florent Gardillou [94] et basé sur la superposition d’une couche de verre actif sur un guide canal défini dans le substrat passif.

verre actif : IOG1

verre passif : NFK5

∼6µm

1,5 mm

guide canal ´echang´e Tl

mode guid´e

Figure 2.11 – Schéma de l’amplificateur hybride, réalisé par Florent Gardillou [94], basé sur un échange thallium et sur un guide plan obtenu par amincissement mécanique du verre actif IOG1.

Dans cette structure, monomode àλpet àλs, le guide canal avait été réalisé avec un échange Tl+/K+dans le verre NFK5, commercialisé par Schott. L’échange basé sur des ions Tl+avait été choisi afin d’éviter les pertes dues aux précipités d’argent métallique qui peuvent se former lors des échanges employant des ions Ag+. De plus le NFK5 est caractérisé par un indice de réfraction de 1,473 et 1,479 à la longueur d’onde de signalλset de pompeλp. Cela signifie que son indice de réfraction est, aux mêmes longueurs d’onde, d’environ 2,5% inférieur à celui de l’IOG1, qui constitue le superstrat actif de l’amplificateur hybride. Cette différence d’indice a été exploitée afin de permette aux modes guidés par la structure d’interagir de manière importante avec le superstrat actif. Pour garantir le confinement des modes à la longueur d’onde de pompe et de signal, l’épaisseur du superstrat a été réduite à quelques micromètres, en utilisant une procédure de rodage et polissage mécanique.

La figure 2.12 illustre un profil d’intensité typique d’un mode guidé par ce type de structure hybride ; l’interface entre les deux verres est située, suivant la convention annoncée précédem-ment, eny = 0µm.

Il est clair que plus le profil des modes guidés est situé dans le superstrat et plus le com-portement de la structure hybride s’approchera à celui d’un guide amplificateur réalisé dans un substrat actif. Or, l’interaction avec le superstrat n’est pas le seul critère qui caractérise

Chapitre 2. Étude électromagnétique de la structure tridimensionnelle hybride x (µm) y (µ m) −8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8 −2 −1 0 1 2 3 4 5

Figure 2.12 – Iso-contours du profil d’intensité |Ψ(x,y)|2 d’un mode guidé par l’amplificateur hybride. L’aire mauve représente le superstrat actif.

le comportement de l’amplificateur hybride : une autre caractéristique importante est l’exten-sion latérale des modes guidés. En effet, l’amplification totale du composant dépend du gain linéique, àλs et de la longueur du dispositif. Ainsi, en optique intégrée, l’enroulement d’un guide amplificateur permet de trouver un compromis entre sa longueur et la surface occupé par le composant [132]. Or, lorsque un mode guidé se propage dans un guide courbe, il présente, à un rayon de courbure donné, des pertes par propagation qui dépendent de son confinement : plus le mode est confiné plus ses pertes sont faibles [115]. Donc, pour une largeur de guide donnée, des largeurs des modes faibles se traduisent en un bon confinement latéral, qui permet d’utiliser des rayons de courbure plus petits [115] et d’obtenir des dispositifs plus compacts.

Ainsi, pour quantifier l’interaction des modes guidés avec le superstrat dans la structure hybride, on définit le coefficientΓact. Il représente le pourcentage de l’intensité du mode guidé situé dans le superstrat ; cela signifie la partie du profil d’intensité qui dans la figure 2.12 se trouve dans l’aire de couleur mauve. L’interaction avec le superstratΓact est alors définie par l’équation : Γact= +∞ R 0 +∞ R −∞|Ψ(x,y)|²dxdy +∞ R −∞ +∞ R −∞|Ψ(x,y)|²dxdy (2.21)

oùΨ(x,y)est le profil de champ scalaire du mode guidé par la structure hybride. De manière analogue, pour quantifier l’extension latérale du mode guidé on mesure, comme représenté en figure 2.13,w1/e2,x : sa largeur à 1/e2du maximum d’intensité.

Dans la structure hybride, une forte interaction avec le superstrat actif n’est pas aisément conciliable avec le confinement latéral des modes guidés. Pour cela, lors du dimensionnement de l’amplificateur hybride, représenté en figure 2.11, les paramètres de l’échange Tl+/K+ et l’épaisseur du guide plan ont été déterminés en cherchant un compromis entreΓact, l’interaction avec le superstrat, etw1/e2,x, l’extension latérale des modes guidés. Lors de cette étude Florent Gardillou a mis en évidence qu’afin de limiter au mieux le dé-confinement des modes guidés il

2.4. Dimensionnement de l’amplificateur tridimensionnel −10⁰ −5 0 5 10 0,2 0,4 0,6 0,8 1 x (µm) I(x, y ⁰ )/ I ma x W_1/e2 ,x

Figure2.13 –Largeurw_1/e2,xdu profil d’intensité normalisé représenté en figure 2.12.

est nécessaire de réduire l’épaisseur du verre actif jusqu’à obtenir un guide plan monomode. En effet, l’utilisation de guides plans bimodes a comme effet principal de réduire le confinement latéral du mode guidé sans apporter des améliorations significatives à l’interaction avec le superstrat [95].

L’amplificateur hybride, réalisé avec un échange Tl+/K+à travers une fenêtre d’échangew

de 1µm et présentant une épaisseur du verre IOG1 allant de 5µm à 7µm, est caractérisé par des valeurs deΓact supérieures de 70%, des largeursw1/e2,x comprises entre 10µm et 18 µm àλp, et entre 12µm et 22µm àλs. Or, le gain optique à la longueur d’onde de signal dans ce guide amplificateur hybride, ayant une longueur de 1,16 cm, atteint un valeur de 3,66 dB/cm pour une puissance de pompe de 140 mW.

La structure que l’on se propose de réaliser, pour valider l’emploi d’un guide plan réalisé par échange Ag+/Na+ dans le verre IOG1, découle de l’amplificateur hybride fabriqué par Florent Gardillou et est représentée en figure 2.14. Nous rappelons que la réalisation d’un

verre actif : IOG1

verre passif : GO14

1,5 mm

mode guid´e

0,5 mm

guide plan ´echang´e Ag

guide canal ´echang´e Ag

Figure2.14 – Nouvelle architecture d’amplificateur hybride employant un guide plan défini dans le superstrat actif par un échange Ag+/Na+.

guide plan par échange d’ions élimine le processus de rodage et polissage du superstrat qui est technologiquement délicat. De plus, dans la nouvelle structure le guide canal dans le substrat est réalisé par un échange Ag+/Na+ dans le GO14 afin de pouvoir l’utiliser comme point de départ vers l’intégration avec des fonctions passives tridimensionnelles déjà existantes [111, 87]. La nouvelle architecture de la figure 2.14 emploie le même type de superstrat que

l’ampli-Chapitre 2. Étude électromagnétique de la structure tridimensionnelle hybride

ficateur hybride réalisé par Florent Gardillou ; pour cela ce dernier peut être considéré comme dispositif de référence. Ainsi le comportement amplificateur de la nouvelle structure sera va-lidé si ses modes guidés présentent des largeursw1/e2,x et des interactions avec le superstrat qui sont au moins équivalentes à celles de ce dispositif de référence. En conséquence, afin de prouver que du point de vue électromagnétique cette structure peut être employée comme amplificateur hybride, on fixe pour les modes guidés, à la longueur d’onde de pompe et de signal, les critères suivants :

– Γact>70%;

– 10µm _≤w1/e2,x ≤17µm àλpet 12 µm_≤w1/e2,x≤22µm àλs.

Le dimensionnement de la nouvelle architecture de l’amplificateur hybride commencera par la détermination des paramètres d’échange dans le superstrat.