4.6 Réalisation du laser DFB hybride tridimensionnel
4.6.1 Procédé technologique
Nous avons souligné précédemment que la seule différence entre les architectures de l’am-plificateur et du laser DFB hybride tridimensionnel est le réseau de Bragg réalisé à la surface du substrat passif et perpendiculairement aux guides sélectivement enterrés.
Ainsi, le procédé de fabrication du laser DFB hybride tridimensionnel se différencie de celui de l’amplificateur hybride tridimensionnel par les étapes technologiques introduites, juste après la réalisation des guides sélectivement enterrés dans le GO14, pour inscrire le réseau de Bragg à la surface du substrat passif.
Une fois le réseau fabriqué, l’IOG1 localement échangé est finalement reporté sur le substrat passif en permettant d’obtenir l’amplification optique dans le dispositif et en encapsulant le réseau de Bragg, qui se retrouve ainsi protégé de l’environnement externe. Or ce superstrat est le même qui a déjà été employé lors la fabrication de l’amplificateur hybride tridimensionnel ; le laser DFB hybride tridimensionnel a donc été réalisé en exploitant la réversibilité de l’adhésion moléculaire.
4.6.2 Réalisation du réseau de Bragg
L’inscription des réseaux de Bragg à la surface des substrats de verre par gravure sèche est employée depuis plus d’une dizaine d’année à l’IMEP-LAHC et a permis de fabriquer des lasers DFB [85, 102] aussi bien que des miroirs sélectifs [157, 110, 112]. La figure 4.18 reporte les étapes principales de ce procédé technologique, inspiré des travaux de Andersonet al.[158].
(a) d´epˆot d’une couche d’aluminium
(b) d´efinition de la cuvette (c) d´epˆot de la r´esine et insolation interf´erometrique
(d) d´eveloppememnt de la r´esine
(e) ombrage du r´eseau (f) gravure de la r´esine
(g) gravure du verre (h) nettoyage
L
cguide d’onde
Figure 4.18 –Procédé de fabrication du réseau de Bragg à la surface du substrat passif.
Un masque d’aluminium, épais de (100±5)nm, est réalisé par des étapes de dépôt (a) et lithographie (b) à la surface du verre GO14. Ce masque délimite ainsi la région, dite cuvette,
Chapitre 4. Réalisation et caractérisation d’un laser DFB hybride tridimensionnel
où sera gravé le réseau de Bragg. Dans notre cas la cuvette, de longueur Lc = 1,5 cm, est définie en correspondance de la région où les guides sélectivement enterrés effleurent la surface du GO14. Une couche de résine (Microposit S1805 G2) de 500 nm d’épaisseur (c) est ensuite déposée à la surface du substrat, et cuite pendant 30 min dans une étuve à90°C. Après cela la résine est insolée sur le banc d’inscription holographique représenté en figure 4.19.
laser≪bleu≫ λ = 405 nm objectif X 60 trou diffractant acromatique lentille ´echantillon miroir θL
Figure4.19 –Schéma du banc d’inscription holographique des réseaux de Bragg dans la résine.
Ce banc emploie un montage interférométrique à miroir de Lloyd et une diode laser mono-mode et délivrant une puissance de 50 mW àλ= 405,2 nm (Toptica Photonics - BlueMode). La lumière issue du laser est focalisée par un objectif de microscopex60 sur un trou diffractant (avec un diamètre de 5 µm) employé pour filtrer les hautes fréquences spatiales du faisceau laser. À la sortie du trou diffractant le faisceau laser, désormais divergent, est collimaté par un doublet achromatique et éclaire (avec une homogénéité en puissance supérieure à 80% sur un diamètre d’environ 6 cm [106]) une équerre qui maintient dans un bras un miroir métallique plan et dans l’autre l’échantillon. Ce dernier est donc illuminé par le faisceau direct et par celui réfléchi par le miroir : des franges d’interférence, sombre et claires, apparaissent dans la résine qui est uniquement insolée au niveau des claires. Le pas du réseau Λ coïncide avec la période des franges d’interférence ; il est ainsi fixé en réglant l’angleθL entre le miroir et l’axe optique, selon la formule :
Λ = λ
2 sin(θL) (4.17)
L’étape de développement (d) dissout les régions de la résine illuminées par les franges claires lors de l’insolation et révèle ainsi le réseau de Bragg inscrit dans son volume. Le trans-fert du réseau de la résine au verre nécessite une étape dite d’ombrage durant laquelle une fine couche d’aluminium est déposée sur les crêtes du réseau, défini dans la résine, par une éva-poration sous incidence oblique (e). L’aluminium ainsi déposé se comporte comme un masque lors de la gravure du verre, il est donc important qu’il n’atteigne pas les vallées du réseau fabriqué dans la résine autrement ce dernier ne sera par re-transcrit dans le verre. Pour cela il est nécessaire d’optimiser tous les paramètres des étapes de cuisson, insolation et dévelop-pement afin de maximiser le rapport de forme du réseau inscrit dans la résine et éviter tout dépôt d’aluminium dans ses vallées.
4.6. Réalisation du laser DFB hybride tridimensionnel
éliminée à l’aide d’un plasma d’oxygène (f). Cela permet de mieux contrôler la profondeur du réseau qui sera transcrit dans le verre. Enfin, (g) le verre est attaqué par un procédé de gravure ionique réactive (RIE), utilisant un mélange de gazSF6 etCHF3, développé au CIME1 pour la gravure de la silice. Ainsi le réseau est finalement transféré à la surface du GO14, qui est ensuite nettoyée (h).
Ce procédé généralement employé pour réaliser des réseaux de profondeur supérieure à la centaine de nanomètres a été adapté pour obtenir des profondeurs de gravure inférieures ou égales à 25 nm. En particulier nous avons choisi de réaliser le réseau du laser DFB tridimen-sionnel avec une durée de l’étape de gravure du verre égale à 4 min. En effet avec ce temps de gravure nous sommes arrivé à réaliser des réseaux homogènes sur toute l’aire de la cuvette et avec des profondeurs de (20±5) nm.
4.6.3 Topographie du réseau
La période Λ du réseau obtenu à la surface du substrat de GO14, contenant les guides sélectivement enterrés, est mesurée en employant la méthode du minimum de déviation avec le montage représenté en figure 4.20. Le laser employé pour l’insolation de la résine éclaire
laser
≪bleu
≫λ = 405 nm
ordre 0
ord
re
1
goniom`etre
camera CCD
´echantillon
r´eseau
θ
dFigure4.20 –Schéma du banc de mesure du pasΛdu réseau de Bragg.
ici le réseau inscrit dans la plaquette de GO14 qui a été fixée sur la platine de rotation d’un goniomètre de précision. Suite à l’interaction avec le réseau le faisceau laser est diffracté en différentes directions caractérisés par l’angleθd,iformé entre chaque faisceau diffracté et celui transmis. Chacun des angles θd,i correspond à un différent ordre de diffraction du réseau, l’ordre 0 étant associé au faisceau transmis, et son valeur dépend de l’angle entre le faisceau laser incident et le réseau. Or, la mesure des deux angles θd,1 et θd,−1, correspondants aux minima de déviation des ordres 1 et -1, permet d’extraire le pas du réseauΛ à l’aide de la formule suivante : Λ = λ 2 sin θd,1+θd,−1 4 (4.18)
Chapitre 4. Réalisation et caractérisation d’un laser DFB hybride tridimensionnel
En employant cette équation, nous avons mesuré une période de Λ = (508±1) nm qui est très proche à la valeur de 509 nm choisie lors du dimensionnement de la section active du laser.
En ayant extrait la période du réseau, il nous reste à connaitre son profil et sa profondeur
probtenue avec une durée de 4 min de l’étape de gravure du verre. Pour cela, on a eu recours au microscope à force atomique (Atomic Force Microscope) qui permet d’obtenir une image tridimensionnelle de la surface du verre. Les figures 4.21(a,b) reportent les résultats de ces mesures effectuées sur une surface de 4 µm x4 µm et montrent la présence d’un réseau au profil quasi-rectangulaire caractérisé par une profondeurpr de (20±5) nm.
pr = (20 ± 5)nm Λ = (508 ± 1) nm (a) 0 1 2 3 4 0 5 10 15 20 25 z (µm) h a u te u r (n m) (b)
Figure4.21 –(a) Image AFM, 4µmx4µm, de six périodes du réseau de Bragg inscrit à la surface du GO14 avec un temps de gravure du verre de 4 min. (b) Vision en coupe du profil du réseau.
Les crêtes du réseau présentent, à leur intérieur, des creux qui atteignent une profondeur maximale de 10 nm. Leur présence est due, à notre avis, à une faible adhésion de l’aluminium évaporé sur les crêtes du réseau inscrit dans la résine. Cet effet ne devrait néanmoins pas empêcher le bon fonctionnement du réseau autour deλB.
Ces caractérisations confirment que les paramètres du réseau réalisé, avec un temps de gravure de 4 min, sur le substrat de GO14 contenant des guides sélectivement enterrés sont conformes aux paramètres fixés lors du dimensionnement de la section active du laser DFB hybride tridimensionnel. Nous pouvons donc passer aux caractérisations des guides de Bragg sélectivement enterrés et ensuite à celles du laser DFB hybride tridimensionnel.