Guides longs

L’observation de gain Raman en optique intégrée sur verre nécessite donc obliga-toire de grandes longueurs de propagation pour compenser la limitation en densité de puissance. L’intégration de telles longueurs est possible avec un guide enroulé en spirale repliée, comme illustré sur la figure 4.16.

Figure 4.16 – Illustration d’un guide en spirale repliée pour l’intégration de grandes lon-gueurs de propagation en optique intégrée.

La courbure des guides d’onde introduit une contribution supplémentaire de pertes par rayonnement, dont le principe a été décrit dans la section 3.2.1 du cha-pitre 3 de ce manuscrit. Ces pertes sont représentées par la partie imaginaire de

l’indice effectif complexe neff =n0

−jn00 du mode fondamental. Au cours de la

Chapitre 4. Étude en puissance : comportement non-linéaire

le coefficient de pertes par courbure↵_courb est donné par :

↵_courb=−_L¹10 log₁₀(e−2k0n00L) = ²⁰

ln(10)

2⇡

λ ⁿ

00 (4.25)

L’indice effectif complexe du mode fondamental à λ = 1064nm a été calculé

numériquement en fonction du rayon de courbure pour les trois types de guides. Pour cela, nous avons utilisé la transformation conforme et la méthode ADI avec le

solveur de mode commercial de Optiwave Systems. Les valeurs correspondantes de

pertes par courbure, obtenues en appliquant l’équation (4.25), sont représentées sur la figure 4.17. 0 20 40 60 80 100 120 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 P er te s pa r co ur bu re (d B /c m ) Rayon de courbure (µm) Guide de surface Guide enterré thermiquement Guide enterré sous champ

Figure4.17 – Contribution des pertes par courbure calculées à λ = 1064nm pour les différents types de guides.

Les pertes par courbure sont d’autant plus faibles, en particulier pour les petits rayons de courbure, que l’aire effective du mode est faible. Par conséquent, les guides

de surface permettent a priori d’intégrer le plus facilement de grandes longueurs

sur substrat de verre. Cependant, encore une fois, les pertes par propagation plus

élevées limitent fortement la longueur effectiveL_eff de conversion non-linéaire selon

l’équation (4.21).

Enfin, comme nous l’avons vu à la section 3.2.1, la courbure induit un décalage vers l’extérieur du mode guidé. Par conséquent, l’éventuelle discontinuité de rayon de courbure conduit à un recouvrement non optimal des modes guidés par chacun

4.8. Diffusion Raman stimulée en optique intégrée sur verre

des tronçons de guides [233]. Aux pertes par courbures s’ajoutent donc également les pertes par transition, en particulier au point d’inflexion au centre de la spirale. Par conséquent, l’intégration de guides en spirale nécessite un certain nombre de pré-cautions sur la conception des motifs de lithographie pour réduire au maximum ces deux sources de pertes additionnelles et ne pas dégrader davantage les performances non-linéaire de ces guides d’onde. Pour l’étude préliminaire du comportement en puissance de guides longs, nous avons donc utilisé un masque de lithographie avec

des guides en spirale conçus et optimisés par Teem Photonics. Ce masque de

litho-graphie comporte une spirale de diamètre 2 cm et de longueur 40 cm. Notons que

ce motif occupe une surface de l’ordre de 3 cm2, 5000 fois supérieure à celle d’un

guide rectiligne de longueur 4 cm. De sorte que la réalisation de guide en spirale sans défaut est beaucoup plus délicate que celle de motifs traditionnels. Il est en effet plus difficile d’éviter la présence d’éventuelles imperfections, comme une poussière ou un défaut local pendant la photolithographie. Deux puces optiques ont été réalisées avec ce masque de lithographie. Le premier, avec un procédé d’enterrage sous champ revu pour les besoins en courbures, la durée d’enterrage ayant été réduite de 17 min 30 s à 10 min afin d’augmenter le confinement et ainsi réduire les éventuelles pertes par courbures. Le second composant est réalisé avec le même procédé d’enterrage ther-mique que celui décrit dans le chapitre 3. Les différentes caractéristiques des guides

en spirale de longueur L = 40cm sont données dans le tableau 4.7. L’aire effective

et la profondeur d’enterrage sont mesurées avec le banc de caractérisation de la dis-tribution modale décrit dans la section 3.5.1. Le masque de lithographie comporte une série de guides courts rectilignes, de façon à ce que le coefficient de pertes par

propagation↵puisse être calculé à partir des pertes par insertionP₁ pour les guides

droit de longueurL₁⇡4cm et P₂ pour la spirale de longueurL₂ ⇡40cm selon :

↵= ^P2−P₁

L₂−L₁ (4.26)

La spirale obtenue par enterrage sous champ présente des pertes par propagation relativement élevées. Le rayon de courbure minimum est de 3 mm, les simulations indiquent alors que les pertes par courbure sont négligeable pour ce rayon de cour-bure. La pertes en excès sont imputées à la présence de défauts, tels celui présenté sur la figure 4.18, le long de la spirale.

Chapitre 4. Étude en puissance : comportement non-linéaire

Enterrage

thermique sous champ

A_eff (µm2) 5,8±0,6 12,0±1,2 e_ent (µm) 1,1±0,2 3,8±0,2 ↵ (dB/cm) 0,8±0,1 1,5±0,1 L_eff (cm) 5,4 2,9 Pcr (kW) 21,1 81,7 I_cr (GW/cm2) 364 81

Tableau4.7 – Grandeurs caractéristiques des spirales de 40 cm.

Figure4.18 – Illustration d’un défaut typique, repéré par le cercle rouge, le long de la spirale sans injection (gauche) et avec injection (droite).

Tout au long du procédé de lithographie – dépôt de résine, insolation, dévelop-pement, gravure – des précautions ont été prises pour éviter la présence de défauts. Le tracé de la spirale a ainsi été systématiquement contrôlé visuellement sous mi-croscope optique jusqu’à obtenir un motif sans défaut visible. Malgré cela, certains défauts apparaissent sous injection. Au niveau de ces imperfections, le champ n’est plus guidé et est rayonné au niveau de la surface comme le montre l’image de droite de la figure 4.18. La spirale réalisée avec le procédé d’enterrage thermique ne présente quant à elle pas ce type de défauts. Les pertes légèrement supérieures par rapport aux guides rectilignes sont ici attribuées à un défaut de lithographie clairement iden-tifié. Dans les deux cas, les pertes par propagation induisent une intensité critique d’émission Stokes par diffusion Raman à nouveau largement supérieure au seuil

d’en-dommagement des guides. En effet, puisque L_eff ⇡ 4,0cm, nous ne bénéficions pas

de toute la longueur de la spirale pour l’émission Raman stimulée. Comme le prévoit les valeur de la puissance critique, en plaçant les guides en spirales sur le banc de caractérisation dédié à la mesure de spectre non-linéaire, nous n’observons pas de