Réalisation de guides d’ondes Réalisation de guides d’ondes implantés dans Er:YAlOimplantés dans Er:YAlO3 3

et conversion de fréquence et conversion de fréquence infrarouge infrarouge →→vertvert

M. SzachowiczM. Szachowicz11, , S. TascuS. Tascu11, M.-F. Joubert, M.-F. Joubert11,,P. MorettiP. Moretti11, J. Mugnier, J. Mugnier11 et M. Nikl et M. Nikl22

11 LPCML, UMR 5620 CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1, Domaine Scientifique de la Doua, LPCML, UMR 5620 CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1, Domaine Scientifique de la Doua, 10 rue Ampère, 69622 Villeurbanne cedex, France. szachowicz@pcml.univ-lyon1.fr10 rue Ampère, 69622 Villeurbanne cedex, France. szachowicz@pcml.univ-lyon1.fr

22  Institute of Physics, Academy of Sciences of the Czech, Cukrovanicka 10, 16253 Prague, Czech Institute of Physics, Academy of Sciences of the Czech, Cukrovanicka 10, 16253 Prague, Czech RepublicRepublic

23ème Journées Nationales d ’Optique Guidée 25- 27 octobre 2004 Paris

Plan de Plan de l’exposél’exposé

Introduction

Caractéristique du matériau étudié YAlO3:Er et formation des guides d’ondes par la méthode de l’implantation en ions He+ et H+

Etude spectroscopique de la luminescence verte de Er3+ sous excitation IR

Conclusions

Objectif: réaliser des guides cristallisés pouvant fournir des émissions intenses de lumière dans le domaine spectral infrarouge, visible ou proche ultraviolet pour l’optique intégrée.

L’implantation ionique: une méthode très universelle pour la fabrication de guides d’ondes optiques dans les matériaux cristallins

Avantage des structures guidées dans des

cristaux isolants dopés terre rare: elles associent

• les grandes sections efficaces d'absorption et d'émission de l'ion actif en réseau cristallin

• les effets de confinement et de guidage.

IntroductionIntroduction

Pourquoi Pourquoi YAlOYAlO33:Er?:Er?

Cristal massif: laser upconversion IRvert à basse température

(A.J. Silversmith et al., 1986)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

Ene

rgy

(x 1

000c

m-1

)

2H9/2

4F3/2

4F5/24F7/2

2H11/24S3/2

4F9/2

4I9/2

4I11/2

4I13/2

4I15/2

4G9/2 Er 3+ dans YAlO3

1,2 ms

6,5 ms

20 µs

550

550

nm

nm 160 µs

Echantillons Echantillons deYAlOdeYAlO33:Er:Er

Les cristaux sont obtenus par la méthode de Czochralski

Le pourcentage du dopage en Er3+ 1at.%

Coupés et orientés le long des trois axes cristallographiques a,b,c

Propagation le long de l’axe b

4 mmb

9 mm

2 mm

a

c

Implantation ionique – guides Implantation ionique – guides d’ondes plans avec d’ondes plans avec ΔΔn<0n<0

Substrat index value

Light

Optical waveguidingRefractive index

Depth

X

Optical barrier(damaged layer)

doses des ions He+ ou H+ comprises entre 1 et 4x1016 ions/cm2

énergie dans la gamme entre 1-1,5 MeV barrière optique à une profondeur de quelques

micromètres sous la surface élargissement de la barrière avec plusieurs

implantations d’énergies diverses voisines (ΔE: 50 – 100 KeV)

Implantation ionique – guides Implantation ionique – guides d’ondes canaux avec d’ondes canaux avec ΔΔn>0n>0

Dep

th

Refractive index

ns

Δn>0

Substrat index value

Mise en évidence récente dans le YAG (Moretti et. al. Opt. Mater. 24, 2003, 315)

Appliqué ici dans YAP

θMoving slit

Damaged multi implantation areas

θ

Specific set up10 implantations de H+ aux doses comprises entre 1 et 3x1015 ions/cm2, angles différents (10°<θ<80°) et une énergie fixée

Implants successifs à faibles doses et des profondeurs

différentes

15 µm

12 µm

Caractérisation des guidesCaractérisation des guides

CCD

Laser He :Ne

P O FO

Guide

O

Montage expérimentalP- polariseur, O-objective de microscope, FO- fibre optique IR, CCD –camera CCD

632 nmPrism

Substrat : Er:YAlO3

Io

Guides plans – Guides plans – spectroscopie des spectroscopie des modesmodes

Guides canaux ou plans Guides canaux ou plans – camera CCD– camera CCD

4 à 6 lignes noires assez fines correspondant aux modes guidés

meilleur contraste pour une polarisation TE

17 μm

Etude spectroscopique - schéma du montageEtude spectroscopique - schéma du montage

Cw Argon laser

Sapphire-titanium laser

f=100mm

chopper f=100 mm

IR mirror

visible monochromator

photomultiplier

oscilloscope

sample in the injection system

monored optical fiber

injection system

visible mirror

f=150

Montage optique pour collecter la luminescence confinée

Montage optique pour collecter la luminescence du massif

longueur d’onde entre 780 et 840 nm

Spectres d’absorption du cristal Spectres d’absorption du cristal massif YAlOmassif YAlO33:Er:Er

300 400 500 600 700 800 900

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

806796

657

652

542

523

492

449408

380

367

357

ab

sorp

tion

inte

nsi

ty [a

.u.]

wavelength [nm]

cristal non implanté

300 400 500 600 700 800 900

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

ab

sorp

tion

inte

nsi

ty [a

.u]

wavelength [nm]

cristal après implantation

Diffusion dans la zone implantée

780 - 840 nm

Comparaison des spectres d’émission Comparaison des spectres d’émission en sortie des guides canaux avec celui en sortie des guides canaux avec celui du massifdu massif

Même position spectrale des raies d’émission

Mais:

Intensités relatives différentes

Elargissement pour l’émission confinée

520 540 560 5800,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

inte

nsi

té d

'ém

issi

on

(a

.u.)

longueur d'onde (nm)

545 nm

551,25 nm

guide canal

cristal massif

545 nm: émission vers la composante Stark la plus basse de

4I15/2 absorption le long du guide Elargissement : probablement du à des défauts, du désordre … dans la zone implantée

Spectres d’émission en sortie des Spectres d’émission en sortie des guides canaux implantésguides canaux implantés

520 540 560-0,10,00,10,20,30,40,50,60,70,8

longueur d'onde (nm)

guide canal n>0

dose unique (1,5x1015ions/cm2) pour chaque angle d'implantation

520 540 560

0,000,050,100,150,200,250,300,35

inte

nsi

té d

'ém

issi

on

(a

.u.)

guide canal n>0

dose unique (3x1015ions/cm2) pour chaque angle d'implantation

520 540 560-0,50,00,51,01,52,02,53,03,5

551,25 nm guide canal n>0 doses différentes pour chaque angle d'implantation

un recuit de 2 h à 300° de l’échantillon implanté ne modifie pas son spectre d’émission

Absorption:

transition 44 II 15/215/2→→44 II 9/29/2

Excitation:

nouvelles raies à 798,6 nm, 796,8 nm, 796,1 nm, 794,3 nm, 791 nm, 789,5 nm et 787,1 nm

ces raies sont plus fines que les autres

transition entre états excités

44 II 13/213/2→→22 HH 11/211/2

Spectres d’excitation de Spectres d’excitation de l’émission guidée et spectre l’émission guidée et spectre d’absorptiond’absorption

780 800 820780 800 820

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

spectre d'absorption du massif

inte

nsi

té (

u.a

.)

Longueur d'onde (nm)

806,

7 nm

795,

5 nm

787,

1 nm 78

9,5

nm

791

nm

794,

3 nm

796,

1 nm

796,

8 nm

798,

6 nm

spectre d'excitation du guide canal

(dose 2,5x1015ions/cm2)

2H11/24S3/2

4I9/24I11/2

4I13/2

4I15/2

Pour longueur d’onde sélectionnée: 551 nm551 nm

Dépendance de l’intensité de la fluorescence Dépendance de l’intensité de la fluorescence verte en fonction de Pverte en fonction de Pexcexc et dynamique de la et dynamique de la fluorescence verte sous excitation IRfluorescence verte sous excitation IR

L’intensité de la fluorescence confinée varie quadratiquement avec la puissance d’excitation pour des puissances en sortie de la fibre d’injection entre 10 et 140 mW quelle que soit la longueur d’onde

d’excitation.

10 100

1E-3

0,01

0,1

Pen sortie de la fibre d'injection

(mW)

lum

ines

cenc

e ve

rte

exc

=80

0nm

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05-0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

inte

nsi

ty

time (s)

cristal massif

dose: 1,5x1015 ions/cm2

dose: 2,5x1015 ions/cm2

Des mesures de la dynamique de la fluorescence verte montrent que le temps d’établissement de l’état stationnaire est de l’ordre de 10 ms

La forme de la courbe ne change ni avec la dose d’implantation, ni avec la longueur d’onde d’excitation ni avec la puissance d’excitation.

ConclusionsConclusions

θ On a appliqué une nouvelle méthode de structuration d’indice pour élaborer des guides canaux avec Δn>0

Pour la première fois des guides optiques canaux et plans ont été réalisés par l’implantation ionique dans un cristal orienté de YAlO3 dopé avec 1% Er3+

ConclusionsConclusions

La conversion de fréquence infrarouge – vert due aux ions Er3+ est très efficace

Dans les guides d’ondes canaux implantés en protons (Δn>0), l’intensité de la luminescence verte convertie augmente avec la dose d’ions utilisée pour leur fabrication. Cet effet est probablement dû à une augmentation de la variation d’indice induite avec la dose.

Les raies de l’émission guidée ont la même position spectrale que celles-ci dans le cristal massif. Les différences observées (Irel , ) sont probablement dues à l’absorption des photons verts émis et au désordre de la structure du réseau dans le guide d’ondes.

Le mécanisme de peuplement du niveau émetteur est l’absorption dans l’état excité

PerspectivesPerspectives

Optimisation des guides au niveau de l’efficacité de la conversion IR vert et de la réduction de pertes

Etude comparative des guides canaux avec barrières latérales (Δn<O) et barrière de fond

Mesures quantitatives par la méthode m lines en fonction de paramètres d’implantation et de recuit thermique