Les structures résonnantes

Résonateurs en anneau et micro-disques

Les résonateurs circulaires, comme les résonateurs en anneau ou micro-disques, sont constitués d’une cavité optique, anneau ou disque, et d’un ou plusieurs guides disposés à proximité. Ces structures, conduisent à des extinctions périodiques (réso-nances) dans le spectre transmit, qui sont notamment utilisées pour la modulation optique, la détection ou le filtrage optique.

Lorsqu’un guide est suffisamment près du résonateur, une partie de l’onde in-cidente est transmise dans la cavité par couplage évanescent. Le mode ainsi injecté dans la cavité est à son tour couplé avec le guide et les interférences entre le mode du guide et celui de la cavité conduisent à des interférences destructives appelées résonances. Il peut être démontré que le coefficient de transmission en puissance Pt

en sortie du guide dans une résonance est [14] Pt = ^(αr−t)²

(1−αrt)2 (3.3) où αr est le coefficient de perte de l’anneau après un tour dans la cavité incluant les pertes de couplage et les pertes de propagation ; αr = 1 signifie qu’il n’y a pas de pertes. Le coefficient κ (figure3.4) représente la proportion du champ couplée dans la cavité et t la proportion restée dans le guide tel que κ²+t² = 1 sans perte de couplage.

D’après les équations3.3nous remarquons qu’il existe un cas, lorsque αr =t, où la puissance transmise dans une résonance est nulle. Cette situation qui correspond au cas des interférences destructives est connue sous le nom de couplage critique. La position des résonances dans le spectre est déterminée par la taille de l’anneau ou du disque mais également par les indices de réfraction effectifs du milieu. Ainsi tous les effets qui agissent sur l’indice de réfraction permettent de translater les ré-sonances sur le spectre. Il est donc possible de moduler l’intensité à une longueur d’onde en agissant sur les indices de réfraction. Ce processus est d’ailleurs à la base

CHAPITRE 3. FABRICATION ET CARACTÉRISATION DE STRUCTURES PHOTONIQUES EN YSZ

FIGURE3.4 – a) Représentation schématique d’un résonateur en anneau. Le couplage entre le guide et l’anneau est défini par t et κ tel que κ²+t² =1 sans perte de couplage. Les pertes de propagation dans l’anneau et de couplage sont contenues dans α. b) Résonances typiques d’un résonateur en anneau définies par, une longueur d’onde λ_i, une largeur à mi-hauteur FWHM et un intervalle spectral libre (ISL). Le facteur de qualité Q d’une telle structure est défini par Q= λi

FW HM.

des modulateurs optiques.

Les résonances sont caractérisées par leur largeur à mi-hauteur FW HM (Full Width at Half Maximum) et par leur période ISL=λ²/ngL (intervalle spectral libre) où L est le périmètre de l’anneau ou du micro-disque, ngl’indice de groupe et λ la longueur d’onde. Le facteur de qualité d’une telle structure résonante est défini par Q=_λi/FW HM avec λ_ila position spectrale de la résonance.

Guide à filtre de Bragg

Dans l’étude de l’YSZ en optique intégrée, nous avons également considéré les filtres de Bragg.

FIGURE3.5 – Représentation d’un filtre de Bragg intégré. Les réflexions multiples interfèrent constructivement et atténuent le signal transmis à une longueur d’onde λ_Bragg.

Dans la configuration la plus simple, un filtre de Bragg intégré est constitué d’une variation périodique d’indice de réfraction ne f f dans la direction de propa-gation du mode optique [15]. Cette modulation peut être effectuée en alternant pé-riodiquement les matériaux ou les dimensions géométriques d’un guide. Cette va-riation d’indice induit une multitude de réflexions qui interfèrent constructivement à une longueur d’onde bien précise appelée longueur d’onde de Bragg λ_Bragg. A cette longueur d’onde, l’onde est fortement réfléchie alors que le reste du spectre est transmit. Cette longueur d’onde de Bragg s’exprime comme

CHAPITRE 3. FABRICATION ET CARACTÉRISATION DE STRUCTURES PHOTONIQUES EN YSZ oùΛ est la période du réseau et ne f f est l’indice effectif du mode dans le guide non modulé en indice.

Parmi les différentes manières d’obtenir un filtre de Bragg intégré, la structura-tion des parois des guides d’onde reste la plus simple à mettre en oeuvre. En effet cette méthode ne nécessite pas d’étapes de fabrication supplémentaires, ce qui est un argument majeur pour une étude de principe sur une nouvelle plateforme comme celle d’YSZ sur saphir.

FIGURE3.6 – Représentation schématique d’un filtre de Bragg intégré. La modulation (cor-rugation) des parois d’un guide entraine une variation périodique de l’indice effectif et donc une atténuation du signal à λBragg.

Les filtres de Bragg que nous utiliserons dans cette étude seront donc constitués d’un guide d’onde d’YSZ sur saphir comme présenté figure 3.6 dont la largeur W est modulée de δW (corrugation) avec une périodeΛ.

3.2 Développement du procédé de fabrication

Les structures photoniques passives ciblées au départ de cette étude ont des lar-geurs comprises entre 400 et 800 nm pour les guides d’onde et réseaux de couplage. Leur fabrication peut donc être faite par lithographie optique classique. Cependant certains composants peuvent présenter des motifs de tailles réduites comme l’es-pace entre la cavité et le guide pour les résonateurs circulaires et la période de cor-rugation dans les filtres de Bragg intégrés.

Pour anticiper la fabrication de tels motifs, nous nous sommes donc tournés vers la lithographie électronique comme technique d’impression.

L’extraordinaire résistance chimique de l’YSZ déjà discutée au chapitre 1 rend difficile l’utilisation des techniques de gravure chimique classique comme la RIE (Reactive Ion Etching) ou ICP RIE (Inductively Coupled Plasma RIE) [16].

Nous avons donc opté pour une technique de gravure par bombardement io-nique (Ion Beam Etching - IBE) [17] disponible dans notre laboratoire. Cette tech-nique possède une très faible sélectivité permettant la gravure d’une grande variété d’éléments chimiques comme celle contenue dans la famille des oxydes fonctionnels [18,19].

Ceci rend par exemple possible la gravure de structures photoniques plus com-plexes composées de multicouches d’oxydes différents. De plus, certains paramètres comme la nature chimique, l’angle d’incidence ou l’énergie et la densité des ions

CHAPITRE 3. FABRICATION ET CARACTÉRISATION DE STRUCTURES PHOTONIQUES EN YSZ

utilisés permettent un bon contrôle des vitesses de gravure, des profils de structures gravées et de l’état de surface après gravure.

Je présente dans la suite le développement du procédé de fabrication des struc-tures photoniques en YSZ à travers l’optimisation des techniques de lithographie et gravure utilisées pendant la thèse.