Nous avons montré que l’autofocalisation d’un faisceau traversant un canal est possible. Cette technique simple a été employée pour fabriquer un capteur optofluidique constitué d’un guide d’onde photo-induit au cœur du LiNbO3 et d’un canal fluidique réalisé par une scie de précision.
Ce dispositif permet de mesurer des indices de réfraction de liquides situés entre 1 et 1.8 avec une précision d’environ 4 × 10−3.
Chapitre 5
Micro-canaux inclinés : application à
la fabrication d’un séparateur de
polarisation
Ce chapitre présent l’étude expérimentale de faisceaux autofocalisés traversant des micro-canaux sous des angles d’incidences forts, proches de l’angle critique. La double réfraction obtenue est exploitée pour fabriquer un séparateur de polarisation en optique guidée.
5.1 Introduction
Les faisceaux optiques autofocalisés sont au centre de nombreuses études dont certaines consiste à décrire leur comportement lorsqu’ils traversent des interfaces. Nous pouvons citer comme exemple, les solitons de milieux Kerr ou les solitons spatiaux quadratique qui interagissent avec la limite entre deux milieux [264–267]. Plusieurs travaux relatent de la réflexion de solitons [268–270] ainsi que leur capacité à générer des guides optiques à trajectoires complexes [150,271]. Des expériences ont été réalisées notamment sur la ré- flexion de solitons spatiaux quadratiques entre l’interface de deux milieux [268,272]. Des études ont montré la facilité d’utilisation de l’effet photoréfractif non-linéaire saturable
pour étudier expérimentalement la réflexion de faisceaux lumineux (soliton 2-D) [273]. Nous pouvons citer également la réalisation de guide d’onde à angles droits à l’intérieur du LiNbO3 exploitant la réflexion total du soliton. Dans ce cas, les guides réalisés sont monomode avec des pertes faibles malgré une trajectoire complexe [75,150]. Ces déve- loppements sont motivés non seulement par les aspects fondamentaux, mais aussi pour réaliser des dispositifs uniques, composés de guides d’ondes inscrits au cœur des matériaux. Cela montre la capacité des solitons spatiaux et ouvre la voie à différentes applications tel que la réalisation de capteurs avec des architectures originales.
Une étude détaillée a été présenté dans le chapitre précédent autour de la réalisation d’un capteur composé d’un guide d’onde induit par un faisceau autofocalisé traversant un canal micro-fluidique [274]. Nous avons vu que ce dispositif permet de mesurer l’indice de ré- fraction d’un liquide présent dans le canal et il est notamment démontré que les faisceaux autofocalisés peuvent conserver leur forme lorsqu’ils traversent des canaux sous incidence normale. Nous allons ici exploiter l’autofocalisation de faisceaux pour réaliser un com- posant en optique intégrée permettant de séparer les deux composantes de polarisation d’une onde guidée.
Dans le domaine de l’optique intégrée, la fabrication de tels dispositifs impliquent des processus de photolithographie complexes et coûteux. Ces dispositifs sont fabriqués à partir de différents matériaux tels que les semi-conducteurs [275], les polymères [276], le LiN bO3 [277], ou encore la silice [278–280]. Par ailleurs, les coupleurs directionnels [281], les jonctions Y [282,283] ou les coupleurs d’interférence multi-modes (MMI : Multi Mode Interference) [284,285] sont parmi les diverses architectures au cœur des composants séparateurs de polarisation. La séparation de composantes polarisées orthogonalement est basée sur différents principes tels que la biréfringence, ou encore le couplage anisotrope entre guides.
À titre d’exemple, la figure 5.1 décrit un séparateur de polarisation ultra-compact. Ce dispositif est réalisé par la technique SOI (SOI : Silicon On Insulator) qui est basée sur des plasmons de surface localisés, excités par une polarisation particulière. Le dispositif utilise des cylindres de taille nanométrique en argent pour sélectionner la polarisation. Un faisceau injecté avec une polarisation transverse magnétique (TM), excite des plasmons de surface et est couplé vers le port TM (figure 5.1-b) du coupleur directionnel avec de faibles pertes d’insertion. En revanche, un faisceau injecté avec une polarisation transverse électrique (TE) sera couplé vers le port TE (figure 5.1-b). Les simulations montrent que
5.2. Configuration étudiée ce dispositif peut atteindre un taux d’extinction de polarisation de l’ordre de 23 dB et des pertes d’insertion inférieures à 0.4 dB.
Figure 5.1 – Exemple de composant de séparation de polarisation réalisé sur silice. Vue en 3-D
du composant (a). Distribution du champ électrique pour les modes TE et TM (b) [280].
Dans notre cas, le dispositif de séparation de polarisation exploite la double réfraction dans un cristal biréfringent de LiNbO3. Le dispositif est constitué de guides d’onde auto- induits par un faisceau autofocalisé qui se propage dans un échantillon de LiNbO3 gravé avec un canal incliné par rapport aux faces d’entrée et de sortie de l’échantillon. En d’autres termes, ce dispositif auto-induit est composé d’un seul guide d’onde d’entrée qui se sépare en deux guides d’ondes parallèles après traversée le canal.
5.2 Configuration étudiée
Les échantillons utilisés sont similaires à ceux du chapitre précédent avec les mêmes dimensions (chapitre 4 : figure 4.5) et sont réalisés avec le même procédé de fabrication. À la différence du système étudié précédemment, le canal est gravé avec un angle θ par rapport à l’axe de propagation de la lumière. La gravure de l’échantillon et du canal sont effectuées par la même scie de précision [252]. La dimension du canal est de 200µm de large et 200µm de profondeur comme le montre la figure 5.2. Afin d’induire le guide d’onde, un faisceau autofocalisé de longueur d’onde de 532 nm est injecté en entrée du cristal.
Figure 5.2 – Schéma représentant la trajectoire d’un faisceau auto-confiné traversant un micro-
canal.
Comme dans le chapitre précédent, l’autofocalisation du faisceau est obtenue par l’effet photoréfractif contrôlé par effet pyroélectrique [176] à l’aide d’une augmentation homogène de la température de l’échantillon. En raison de l’inclinaison du canal, les guides d’entrée et de sortie sont parallèles et décalés d’une distance d comme décrit sur la figure5.2.