Une campagne de fabrication, selon un protocole exp´erimental proche de celui d´ecrit pour les guides en arˆete SOI [Figure III.25], a ´et´e entreprise par l’ICGM afin d’isoler de mani`ere empirique une architecture monomode de guide chalcog´enure en arˆete. Les dimensions des composants r´ealis´es ainsi que leur comportement modal sont regroup´es sur la [Figure III.35] :
H h W V r W/H Comportement modal 1.5 1 2 0.698 0.667 1.3333 1.5 1 3 0.698 0.667 2 1.5 1 4 0.698 0.667 2.6667 1.5 1 5 0.698 0.667 3.3333 MO 1.5 1 6 0.698 0.667 4 MO 1.5 1 7 0.698 0.667 4.6667 MO 1.5 1 8 0.698 0.667 5.3333 MO 1.5 1 9 0.698 0.667 6 MU 1.5 1 10 0.698 0.667 6.6667 MU
FigureIII.35 – D´etail des guides chalcog´enures en arˆete fabriqu´es et caract´eris´es
op-tiquement (monomode (MO) ou multimode (MU)). Les cases noircies correspondent `a des guides pour lesquels le couplage n’a pu ˆetre r´ealis´e.
L’observation de ce tableau r´ev`ele que ces composants ne sont pas multimodes verti-calement, la condition sur le param`etre r bien que v´erifi´ee devenant alors accessoire. Ainsi, le caract`ere monomode de ces guides se cantonne `a la dimension horizontale. Afin de comparer le comportement modal exp´erimental de ces guides avec les crit`eres monomodes existants, dont la coh´erence a pu ˆetre v´erifi´ee pour les guides SOI en arˆete, leurs dimensions et leur propri´et´e modale ont ´et´e report´ees sur un graphique de type [Figure III.22].
Condition de Soref Condition de Pogossian Condition de Pogossian-Rickman W/H r 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0 1 2 3 4 5 6 7
Figure III.36 – Comportement modal exp´erimental : monomode (petit point),
multimode (gros point), des guides chalcog´enures en arˆete fabriqu´es, confront´e aux crit`eres th´eoriques pr´esent´es pr´ec´edemment.
La [Figure III.36] contredit clairement les r´esultats exp´erimentaux obtenus. Un outil d’analyse modal bas´e sur un sch´ema de diff´erence finie (m´ethode ADI) de la suite optiBPM d´evelopp´ee par Optiwave, a ´et´e utilis´e afin de v´erifier cette interpr´etation.
a)
b)
c)
d)
Figure III.37 – Profil d’intensit´e transverse simul´e du mode d’ordre 1 horizontal
d’un guide chalcog´enure en arˆete de largeur : a) W= 1 µm , b) W= 2 µm , c) W= 5 µm, d) W= 10 µm et de hauteurs H= 1.5 µm, h= 1 µm.
L’analyse modale effectu´ee a confirm´e dans un premier temps le caract`ere monomode vertical de tous ces guides. Dans un second temps, elle a r´ev´el´e une largeur de cou-pure du mode horizontal d’ordre 1 d’environ 1µm, valeur coh´erente avec les crit`eres th´eoriques retenus. Par cons´equent, d’apr`es cette ´etude tous les guides caract´eris´es dont la largeur est sup´erieure `a cette valeur sont multimodes. Cette analyse va donc dans le mˆeme sens que la pr´ec´edente en r´efutant les comportements modaux ´etablis exp´erimentalement. La [Figure III.37] pr´esente l’´evolution du profil transverse du mode d’ordre 1 avec la largeur W r´esultant de cette ´etude.
3.3 Conclusion
3.3.1 Bilan
En se basant sur les seules conclusions exp´erimentales cit´ees dans le paragraphe pr´ec´edent, des guides courbes, des spirales, des jonctions Y et un interf´erom`etre de Mach-Zehnder ont ´et´e fabriqu´es et caract´eris´es. La Figure III.38 propose des observations de microscopie optique de ces diff´erents composants :
a) b)
c) d)
Figure III.38 – Observation microscopique (vue de dessus) de : a) guide courbe, b)
spirale, c) jonction Y, d) interf´erom`etre de Mach-Zehnder. Cr´edit images [167].
Ces r´esultats s’av`erent ˆetre tr`es prometteurs dans l’optique de la r´ealisation future d’un capteur de dioxyde de carbone par absorption.
3.3.2 Perspectives
Toutefois, cette inad´equation des mod`eles th´eoriques et des simulations avec les observations exp´erimentales, met en lumi`ere une technique de caract´erisation in-adapt´ee `a ces guides particuliers devant absolument ´evoluer. Une piste de r´eflexion possible, afin de d´eterminer exp´erimentalement et de mani`ere incontestable leur pro-pri´et´e modale, serait d’utiliser la m´ethode de r´esonance Fabry-Perot d´ecrite dans
[185].
Enfin, dans l’´eventualit´e o`u une technique de caract´erisation plus avanc´ee mettrait
en relief le caract`ere multimode de tous ces guides, nous proposons une liste de nouvelles architectures th´eoriquement monomodes [cf Figure III.39]. Nous avons vo-lontairement gard´e la mˆeme profondeur de gravure soit H-h= 0.5 µm pour ne pas modifier le protocole exp´erimental initial, seule la hauteur H change, telle que : H= 4 µm. H h W V r W/H 4 3.5 2 1.861 0.875 0.5 4 3.5 3 1.861 0.875 0.75 4 3.5 4 1.861 0.875 1 4 3.5 5 1.861 0.875 1.25 4 3.5 6 1.861 0.875 1.5 4 3.5 7 1.861 0.875 1.75
Figure III.39 – Guides chalcog´enures en arˆete v´erifiant la condition de Pogossian.
4 Conclusion
Les travaux pr´eliminaires de conception de guides monomodes dans les diff´erents syst`emes de mat´eriaux utilis´es, ont tous abouti `a la s´election d’architectures r´ealisant cette fonction. Quant `a elle, la fabrication et la caract´erisation optique de guides SOI en arˆete, ´etape pr´eliminaire `a la r´ealisation technologique d’interf´erom`etres multimodes dans ce syst`eme de mat´eriaux, a ´et´e achev´ee mais reste tr`es perfectible sous de nombreux aspects, notamment la qualit´e de fabrication ainsi que la qualit´e du clivage des facettes de sortie. Le chapitre suivant sera consacr´e `a l’optimisation des interf´erom`etres multimodes vis-`a-vis du m´ecanisme de d´etection particulier sur lequel s’appuie le capteur PEPS.
Chapitre IV
Interf´erom`etres multimodes
C
echapitre r´esume la d´emarche de conception d’un interf´erom`etre multimode uneentr´ee vers une sortie mise en oeuvre en vue d’optimiser sa sensibilit´e thermique. Il s’appuie principalement sur une th´eorie de d´ecomposition modale deux dimensions affin´ee par rapport `a sa forme classique, et sur un outil math´ematique original is-sue de cette derni`ere : la fonction de transmission T, qui de par les informations qu’elle contient, est potentiellement utilisable dans un vaste champ d’applications n´ecessitant un dimensionnement pr´ecis de ces composants. Outre l’objectif premier de conception, cette m´ethode innovante a permis de mettre en lumi`ere le comporte-ment physique fin de ces architectures en identifiant notamcomporte-ment divers r´egimes de fonctionnement en fonction d’une dimension caract´eristique, ainsi que de se sous-traire de l’utilisation de simulations thermo-optiques trois dimensions lourdes.
Sommaire
1 Syst`eme de mat´eriaux KLOE . . . 109
1.1 Introduction . . . 109 1.2 Conception de guides monomodes sym´etriques enterr´es . . 109 1.2.1 Param`etres optiques . . . 109 1.2.2 Analyse modale transverse . . . 111 1.2.3 R´esultats de fabrication et caract´erisation . . . . 121
2 Syst`eme de mat´eriaux silicium sur silice . . . 123
2.1 Introduction . . . 123 2.2 Conception de guides monomodes . . . 123 2.2.1 Param`etres optiques et choix de l’architecture . 123 2.2.2 Crit`ere monomode . . . 124 2.3 Fabrication . . . 125 2.3.1 Objectifs . . . 125 2.3.2 Protocole exp´erimental et r´ealisation . . . 126 2.3.3 R´esultats de caract´erisation optique . . . 130
3 Syst`eme de mat´eriaux chalcog´enures . . . 133
3.1 Conception de guides monomodes . . . 133 3.1.1 Param`etres optiques . . . 133 3.1.2 Choix de l’architecture . . . 133 3.2 Fabrication et caract´erisation optique . . . 134 3.3 Conclusion . . . 136 3.3.1 Bilan . . . 136 3.3.2 Perspectives . . . 136
1 Introduction
L’´etude et le d´eveloppement des interf´erom`etres multimodes sont tr`es largement
li´es `a l’exploitation du ph´enom`ene de !self-imaging" se produisant dans la section
multimode de ce composant. Ce ph´enom`ene d´efini par Soldano[174] comme la capa-cit´e d’un guide multimode `a reproduire un champ d’entr´ee sous forme d’une image
simple o`u d’images multiples `a des intervalles spatiaux p´eriodiques le long de la
direc-tion de propagadirec-tion du guide ; est en r´ealit´e un cas tr`es particulier d’un ph´enom`ene beaucoup plus g´en´eral, d´ecrit il y a plus de 170 ans sous le nom d’effet Talbot[198]. Cet effet de champ proche diffractif a ´et´e observ´e pour la premi`ere fois en 1836 par Henry Fox Talbot [Figure IV.1], inventeur anglais sp´ecialis´e dans la photographie, en envoyant une onde plane incidente sur un r´eseau de diffraction. L’image du r´eseau est alors r´ep´et´ee `a une distance r´eguli`ere de celui-ci. Cette distance r´eguli`ere est
ap-pel´ee longueur de Talbot et les images r´ep´et´ees!self-images"ou images de Talbot.
Un exemple de motif d’interf´erence complet obtenu en r´ealisant ce type d’exp´erience est pr´esent´e sur la figure IV.2. Ce motif est connu sous le nom de tapis de Talbot.
Figure IV.1 – Henry Fox
Tal-bot,1864.
Figure IV.2 – Tapis de
Talbot[199].
Ce n’est qu’en 1973 que la possibilit´e de r´ealiser ce ph´enom`ene de!self-imaging"
dans un guide plan ayant une r´epartition d’indice uniforme a ´et´e sugg´er´ee par Bryngdahl [200] et expliqu´ee de mani`ere plus d´etaill´ee deux ans plus tard par Ulrich [201],[202]. D`es lors, apparaissent un grand nombre d’applications `a base d’interf´erom`etres multimodes, exploitant cet effet particulier . Les premi`eres fonc-tions r´ealis´ees sont des foncfonc-tions passives : diviseurs de puissance[203], [204], multi-plexeurs et d´emultipl-exeurs[205], [206]. Puis des composants actifs : commutateurs optiques[207], [208] diviseurs de puissances variables[209], [210] att´enuateur optique variable[211]. Bien que non exhaustive cette liste donne toutefois un aper¸cu signi-ficatif du fort potentiel applicatif de ces composants notamment grˆace `a leur motif simple, leur compacit´e ainsi que leur robustesse relative vis-`a-vis de la longueur d’onde et de la polarisation.