Excitation de modes guidés

Dans ce paragraphe, nous présentons les trois techniques les plus couramment utilisées pour injecter de la lumière dans une couche mince guidante.

II.2.1.1 Injection par la tranche

Le principe de l'injection par la tranche est schématisé sur la gure II.17. Le faisceau lumineux est injecté sur la face d'entrée du guide d'onde planaire, au moyen d'un objectif de microscope. Le faisceau peut provenir d'un laser, d'une bre optique ou d'un autre guide [88].

Le banc de couplage par la tranche, développé au laboratoire, est illustré sur la gure II.18. Il est constitué d'une source laser, d'un objectif et d'un support permettant de xer la couche sur un plateau équipé d'un système de positionnement. Couplé à une caméra

II.2. Techniques de caractérisation 53 Objectif Faisceau laser Couche mince Substrat

Fig. II.17  Injection de lumière par la tranche, dans une couche mince.

CCD, ce dispositif permet de visualiser le trait de guidage et de déterminer le coecient d'atténuation dans la couche.

La mise en ÷uvre d'une telle technique nécessite une bonne stabilité du plateau et un alignement très précis des éléments constituant le banc optique. Dans le cas général, un polissage de très bonne qualité de la face d'entrée sans détérioration du guide est nécessaire pour assurer une meilleure ecacité de couplage. Cette étape de polissage étant impossible à mener avec les guides sol-gel, l'application de cette technique d'injection leur est possible si, au préalable, les guides ont subi une préparation particulière : dépôts successifs de deux couches 10 : 1 : 1 et 10 : 3 : 3 (voir paragraphe II.1.3) sur un substrat de silicium suivi par un clivage selon un plan cristallin du silicium. La première couche joue donc le rôle de substrat et l'injection de la lumière se fait dans la deuxième couche, dont la composition est 10 : 3 : 3 car n(10 : 3 : 3) ≥ n(10 : 1 : 1). Systèmes de translation Objectif Plateau Couche mince Relié à l’aspirateur pour fixer la couche

Fig. II.18  Photo du banc de couplage par tranche réalisé au laboratoire.

Contrairement aux techniques suivantes, cette technique a l'inconvénient de ne pas être sélective aux modes et de présenter une perte de couplage relativement grande.

II.2.1.2 Couplage par réseau

L'utilisation de cette technique nécessite la gravure d'un réseau périodique à la surface du guide à étudier (Figure II.19).

qm

L

Substrat Couche mince Mode guidé

Fig. II.19  Illustration du couplage par réseau. Λ est le pas du réseau et thetam est l'angle d'incidence.

Une onde lumineuse incidente inclinée d'un angle θm par rapport à la normale, est diractée par le réseau sur un ou plusieurs ordres, et peut être couplée à des modes guidés [89]. Pour cela, il faut respecter la condition d'accord de phase suivante :

β_m = ^2π

λ ^{sin θm+} 2πl

Λ (II.8)

où l est le numéro d'ordre diracté, λ la longueur d'onde lumineuse, Λ le pas du réseau, βm la constante de propagation du mode guidé et θm l'angle d'incidence. Cette condition d'accord de phase, obtenue par conservation de la composante tangentielle des vecteurs d'onde, est tout à fait similaire à celle évoquée à propos de la conversion magnéto-optique TE-TM (paragraphe I.2.2). C'est une condition générale du couplage de mode : pour obtenir un rendement ecace, les modes doivent posséder la même constante de propagation [30].

Cette condition d'accord de phase rend cette technique de couplage sélective. On choisit le mode à exciter en faisant varier l'angle θm. Par contre, l'utilisation du réseau en coupleur nécessite une étape technologique pour sa réalisation. Cette étape de micro-structuration n'est pas forcément simple à mener.

Le couplage par prisme ne présente pas cet inconvénient et constitue la méthode la plus simple pour injecter de la lumière dans un guide planaire [90, 91].

II.2.1.3 Couplage par prisme

Cette technique est couramment utilisée lors de ce travail de thèse car elle la plus appropriée aux guides d'ondes planaires. Comme le schématise la gure II.20, son principe

II.2. Techniques de caractérisation 55 consiste à placer un prisme d'indice np supérieur à l'indice de la couche mince, sur la surface de celle-ci. Onde evanescente Substrat Pression qm A np Couche mince Gap d’air

Fig. II.20  Illustration du couplage par prisme. A et np sont respectivement l'angle et l'indice du prisme.

Un faisceau laser, incliné d'un angle θm par rapport à la normale à la face d'entrée, est envoyé sur le prisme. L'angle d'incidence est réglé de façon à être en réexion totale sur la base. En ce point est créée, dans le gap d'air entre le prisme et la couche, une onde évanescente. Sous condition d'accord de phase, cette onde peut exciter un mode guidé et, ainsi, créer un transfert d'énergie de l'onde incidente vers le mode guidé [92, 90]. Pour obtenir un gap d'air susamment faible, et optimiser le couplage, une pression est appliquée sur la face arrière du substrat. Dans cette conguration, la condition d'accord s'écrit : N_m = n_psin  A + arcsin sin θ_m n_p  (II.9) où Nmest l'indice eectif du mode guidé, A et npsont respectivement l'angle et l'indice du prisme.

Pour obtenir cette relation, il faut également appliquer la conservation de la compo-sante tangentielle des vecteurs d'onde à l'interface prisme-couche, puis utiliser les lois de la réfraction à l'intérieur du prisme. Les angles θm, qui réalisent cet accord de phase, sont appelés angles synchrones.

La technique de couplage par prisme a l'avantage par rapport à celles présentées ci dessus d'être sélective, non destructive et non localisée (injection de la lumière en un point quelconque du guide). Elle permet d'obtenir une meilleure ecacité de couplage qui peut atteindre 95% [93].

Deux géométries de prisme, présentées dans la gure II.21, ont été adoptées selon la caractérisation recherchée :

 un prisme isocèle qui constitue la base de la spectroscopie de lignes noires. Par une réexion à sa base du faisceau convergent incident, il permet de repérer les traits noires qui correspondent aux modes guidés (voir paragraphe II.2.2).

 un prisme droit (ou un demi-prisme) qui est souvent utilisé dans le montage permet-tant de mesurer l'atténuation ou de déterminer la qualité optique du guide. Il permet l'injection de la lumière qui se propage le long du guide. Il est parfois accompagné par un autre demi-prisme pour découpler la lumière.

qm A np qm qm A np

Fig. II.21  Représentation de deux géométries du prisme utilisées lors de la caractérisa-tion.

Après avoir passé en revue les diérentes techniques d'injection de la lumière dans un guide d'onde planaire, nous présentons ci-dessous la technique  M -lines  basée sur le couplage par prisme et permettant d'aboutir aux propriétés optogéométiques des guides d'onde.