Réalisation des guides : l’échange d’ions

Plusieurs techniques sont envisageables pour la réalisation d’un guide d’onde. Comme nous l’avons vu précédemment, le guide d’onde le plus simple consiste en la superposition de trois couches de deux milieux d’in-dices différents. Ainsi différentes méthodes et différents matériaux peuvent être utilisés. Le choix pour la réalisation de nos guides optiques s’est porté sur une technique dite d’échanges d’ions ; technique qui est maîtrisée au sein de l’IMEP et de TeemPhotonics3

(deux partenaires du projet). Cette solution n’était pas unique puisque, par exemple, le premier SWIFTS réalisé [45] l’a été sur un substrat de silicium.

Figure 4.3 – Masques de réalisation des guides et des électrodes

– fig. a : boucle complète d’un SWIFTS Gabor ;

– fig. b : électrodes de différentes tailles (5 et 10 mm de long et 10, 100 et 1000 µm

de large) superposées à des guides droits et à la boucle.

Nous avons choisi cette méthode pour plusieurs raisons. Tout d’abord, pour la flexibilité de la méthode. En effet, cette méthode est assez facile à mettre en œuvre et surtout les paramètres de réalisation sont faciles à modifier. Ainsi, cette méthode permet d’obtenir des guides de surfaces ayant un confinement4

très variable. Aussi, pour SWIFTS, cela représente un avantage non négligeable, car nous pouvons ainsi faire varier assez aisé-ment le confineaisé-ment des guides et donc l’efficacité des plots. D’autre part, cette méthode de réalisation offre des composants à faible coût de produc-tion, faibles pertes et large bande spectrale de fonctionnement (de 600nm à 1, 5 µm). Enfin, cette technologie offre une bonne compatibilité avec des fibres optiques en verre. En effet, le fait d’avoir à peu près le même matériau et la même différence d’indices permet de limiter les pertes d’injection.

Cette technologie a été introduite il y a presque quarante ans par Izawa et Nakagome [86]. Le principe de l’échange d’ions est de modifier localement la concentration de certains ions présents dans le verre, ceci ayant pour effet de changer localement l’indice de réfraction.

4. Le confinement est en fait lié à la taille du mode fondamental ; taille qui est inversement proportionnelle à la difference d’indice entre le cœur et le substrat. Ainsi plus un guide est confiné (différence d’indice fort) plus le mode guidé sera petit.

4.2.1.1 Principe de l’échange d’ions

On peut distinguer deux méthodes de réalisation de guides d’onde par échange d’ions. La première consiste à immerger un substrat de verre dans un bain de sel fondu à une température élevée. La seconde consiste à dé-poser une couche de métal à la surface du substrat et de « tracter » les ions métalliques à l’aide d’un champ électrique. La première méthode est la plus répandue et c’est celle que nous avons utilisée.

Afin de comprendre le mécanisme de l’échange d’ions il est nécessaire de rappeler la composition et la structuration du verre. Tout d’abord, le verre est un matériau amorphe, c’est-à-dire que ce matériau possède un ordre local et non global. De plus, il est composé de différents oxydes dont la formule est de la forme suivante : A_mO_n où A est un ion alcalin et O est l’oxygène. Enfin ces composés sont classés en trois catégories suivant leur énergie de liaison :

– Les formateurs de réseau : ils sont à la base du verre. Ce sont des composés qui ont une liaison chimique forte. À eux seuls ils peuvent former du verre. Parmi ces types de composés on peut citer la silice (SiO2), l’oxyde de bore (B2O3) ou encore l’oxyde de phosphore (P2O5). Dans le cas de la silice la liaison de base de réseau est une liaison Si−O−Si.

– Les intermédiaires de réseau : ces oxydes ne permettent pas tout seuls de former du verre. En effet, leur énergie de liaison est trop faible. Néanmoins, lorsqu’ils sont associés à des formateurs ils permettent de modifier les propriétés physiques du verre. Ainsi, ils permettent par exemple de modifier la résistance mécanique du verre. On peut citer parmi eux l’oxyde de titane (TiO₂), l’oxyde de plomb (PbO) ou encore l’oxyde d’aluminium (Al2O3).

– Les modificateurs de réseau : ce sont des oxydes dont l’énergie de liai-son est la plus faible des trois catégories. Étant donné la faible énergie de liaison de ces composés, en chauffant le verre on va pouvoir casser les liaisons des modificateurs, ce qui va libérer des cations. Parmi les modificateurs on peut citer l’oxyde de Potassium (K₂O) ou l’oxyde de sodium (Na2O).

Ainsi, le principe de l’échange ionique consiste à briser les liaisons des modificateurs en chauffant le verre afin d’échanger les ions libérés avec les ions du bain de sel fondu. Pour cela on utilise un bain de sel de nitrate (BNO₃) fondu contenant des ions B⁺dans lequel on plonge un verre dont les modificateurs (A₂O) ne contiennent pas d’ion B⁺. Ainsi, par un phénomène de diffusion régi par la loi de Fick, des ions B⁺ vont migrer du bain vers le verre et inversement des ions A⁺ vont migrer du verre vers le bain. Cet échange d’ions va modifier localement l’indice de réfraction du verre. En effet, depuis les années 1940 [87, 88] on connaît une loi empirique qui relie la concentration des ions dans le verre à son indice de réfraction.

4.2.1.2 Ions échangés

Il existe plusieurs couples d’ions qui peuvent être échangés afin de créer des guides optiques (cf. Ramaswamy et Srivastava [89]). Chacun des couples ayant des propriétés différentes, notamment en ce qui concerne la variation d’indice. Néanmoins, au sein de l’IMEP seuls les échanges K⁺/Na⁺ et Ag⁺/Na⁺sont disponibles.

L’échange d’ions entre K⁺et Na⁺ne permet pas des contrastes d’indices très importants (de l’ordre de 0, 009) alors que l’échange d’ions entre Ag⁺et Na⁺permet lui des contrastes d’indices relativement importants (de l’ordre de 0, 1). Pour la réalisation des composants SWIFTS durant cette thèse nous avons utilisé les deux procédés. Néanmoins, l’échange à l’Argent est préfé-rable. En effet, vus les contrastes d’indices seul un échange avec des ions Ar-gent permet de garantir une compacité acceptable pour SWIFTS ; le contraste d’indice de l’échange au Potassium ne permet pas d’envisager des rayons de courbures inférieur au cm. De plus, les guides par échange d’ions Argent sont enterrables par l’utilisation d’un champ électrique, alors que cela est impossible pour les ions Potassium. Or dans le cas de SWIFTS, la profon-deur du guide est un paramètre qui doit pouvoir être piloté. Cela provient du fait que le guidage par échange d’ions Potassium s’opère par la création de contraintes physique sur le verre. En effet, les ions Potassium étant plus gros que les ions Sodium, ils créent donc des contraintes locales qui se tra-duisent par une augmentation de l’indice. Et donc, étant donné leur taille ils sont peu mobiles. Alors que le guidage par échange d’ions Argent s’opère lui par un changement de la permittivité du matériau, et comme les ions Ar-gent sont légèrement plus petits que les ions Sodium ceux-ci sont facilement « tractés » à l’aide d’un champ électrique.

4.2.1.3 Technique de réalisation

Afin de créer un guide d’onde confiné il est nécessaire de cibler les endroits où l’on réalise l’échange d’ions. Pour cela on réalise une photo-lithogravure sur un dépôt d’aluminium à la surface du substrat de verre. Les principales étapes de ce process sont données sur la figure 4.4.

Ce process permet d’obtenir des guides de largeur supérieure à 1 µm.

4.2.2 Réalisation des plots : technique de lithographie E-beam