Optique intégrée : théorie et applications

Azzedine Boudrioua

Description

Cet ouvrage présente de façon pédagogique les bases de l'optique intégrée. Il fait la synthèse des approches théoriques et des techniques expérimentales mises en oeuvre pour l'étude des structures guidantes. Les modèles théoriques sont accompagnés des outils expérimentaux et de leur mise en oeuvre pour caractériser le phénomène étudié. Le passage de la théorie à l'expérience rend la compréhension des phénomènes physiques simple et didactique. Le livre donne également une présentation des applications industrielles des composants optiques intégrés. Les thèmes étudiés s'étendent de la théorie des guides d'onde et des techniques de caractérisations optiques linéaires et non linéaires de guides aux cristaux photoniques. Ce dernier domaine, en plein essor, constitue un défi majeur des technologies photoniques.
Introduction. Théorie des guides d'ondes optique. Rappels d'optique. Étude de la propagation guidée. Guides d'ondes canaux. Propagation dans les milieux anisotropes. Fabrication de guides d'ondes. Techniques de fabrication des guides d'ondes. Matériaux pour l'optique intégrée. Techniques de caractérisation de guides d'ondes. Techniques de couplage dans les guides d'ondes optiques. La spectroscopie des lignes noires m-lines. Les pertes optiques dans les guides. Les effets non linéaires en optique intégrée. Généralités. La génération de second harmonique. La génération de second harmonique dans les guides d'ondes. Les techniques de caractérisation optique non linéaire de guide d'ondes. Effets optiques non linéaires paramétriques. Sources laser à base de l'optique non linéaire. L'effet électro-optique dans les guides d'ondes. L'effet électro-optique. L'effet électro-optique dans les guides d'ondes. Techniques de mesures des coefficients électro-optiques. Dispositifs utilisant l'effet électro-optique. Dispositifs optiques intégrés utilisant l'effet électro-optique. La modulation dans les réseaux optiques : état de l'art. Guides d'ondes à cristaux photoniques. La relation de dispersion. Les cristaux photoniques. Techniques de fabrication de cristaux photoniques. Exemples d'applications. Les cristaux photoniques et l'optique non linéaire. Bibliographies. Conclusion.

Sujets

• Optique
• Physique

Informations

• Publié par: Hermès - Editions Lavoisier
• Date de parution: 25 octobre 2006
• Nombre de lectures: 172
• EAN13: 9782746242326
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

Optique intégrée




































© LAVOISIER, 2006
LAVOISIER
11, rue Lavoisier
75008 Paris

www.hermes-science.com
www.lavoisier.fr

ISBN 2-7462-1445-8


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Printed and bound in England by Antony Rowe Ltd, Chippenham, October 2006.





Optique intégrée

théorie et applications











Azzedine Boudrioua













COLLECTION DIRIGEE PAR PIERRE-NOËL FAVENNEC



Yves Narbonne – Découverte des réseaux par la systémique, 2006
Tullio Tanzi et Frédéric Delmer – Ingénierie du risque, 2006
Yves Narbonne – Complexité et systémique, 2005
André Moliton – Processus fondamentaux en électromagnétisme dans les milieux
matériels, 2004
André Moliton – Bases de l'électromagnétisme dans les milieux matériels, 2004
André Moliton – Applications de l'électromagnétisme dans les milieux matériels,
2004
TABLE DES MATI¨RES
Remerciements...................................... 11
Azzedine BOUDRIOUA
PrØface........................................... 13
FrØdØrique DE FORNEL
Introduction........................................ 15
Chapitre 1. ThØorie des guides d ondes optiques................. 21
1.1. Rappels d’optique................................. 22
1.1.1. PhØnomŁne de la rØflexion totale ..................... 22
1.1.2. Lame face parallŁle............................ 24
1.2. Etude de la propagation guidØe ......................... 25
1.2.1. Description gØnØrale............................. 25
1.2.2. Guides d ondes plans saut d indice................... 27
1.2.2.1. Equation de dispersion des modes guidØs ............. 27
1.2.2.1.1. Traitement par les rayons optiques............... 27
1.2.2.1.2. Traitement par les Øquations de Maxwell ........... 29
1.2.2.2. Epaisseur de coupure 36
1.2.2.3. Epaisseur effective ........................... 40
1.2.3. Guides d ondes plans gradient d indice................ 41
1.2.3.1. L’approximation des rayons optiques 42
1.2.3.2. La mØthode WKB 44
1.3. Guides d ondes canaux.............................. 48
1.3.1. MØthode des indices effectifs ....................... 50
1.4. Propagation dans les milieux anisotropes................... 53
1.5. Bibliographie ................................... 56









ô
ô
6 Optique intØgrØe
Chapitre 2. Fabrication de guides d ondes..................... 59
2.1. Techniques de fabrication des guides d ondes................ 60
2.1.1. Techniques de dØpt de couches 60
2.1.1.1. DØp t par la tournette (spin coating) 60
2.1.1.2. DØpt chimique en phase vapeur (CVD) .............. 60
2.1.1.3. La technique sol-gel .......................... 61
2.1.1.4. La croissance par Øpitaxie....................... 61
2.1.1.5. L’ablation laser (PLD)......................... 62
2.1.1.6. La pulvØrisation cathodique ..................... 63
2.1.2. Techniques de substitution 63
2.1.2.1. L’exo-diffusion ............................. 64
2.1.2.2. La diffusion dans le substrat 64
2.1.2.3. L’Øchange ionique ........................... 66
2.1.2.4. La technique d’implantation ionique ................ 69
2.1.2.4.1. Principe de l’implantation ionique ............... 71
2.1.2.4.2. Effets de l’implantation ..................... 72
2.1.2.4.3. Effets de l implantation ionique sur les indices
de rØfraction.................................... 73
2.1.2.4.4. Fabrication de guides canaux .................. 75
2.2. MatØriaux pour l optique intØgrØe....................... 79
2.2.1. Les verres ................................... 80
2.2.2. Les matØriaux organiques ......................... 81
2.2.3. Les matØriaux diØlectriques ........................ 81
2.2.3.1. LiTaO .................................. 81 3
2.2.3.2. Les cØramiques (PLZT, PLT, etc.) ................. 82
2.2.3.3. KTiOPO (KTP) ............................ 82 4
2.2.3.4. LiNbO 83 3
2.2.4. Les matØriaux semi-conducteurs ..................... 85
2.2.4.1. La filiŁre SiO/Si 86 2
2.2.5. Les nouveaux cristaux non linØaires ................... 86
2.3. Bibliographie ................................... 87
Chapitre 3. Techniques de caractØrisation de guides d ondes......... 95
3.1. Techniques de couplage dans les guides d ondes optiques 95
3.1.1. Couplage transversal ............................ 95
3.1.1.1. Le couplage par la tranche ...................... 96
3.1.1.2. Le couplage par biseau ........................ 97
3.1.2. Couplage longitudinal 98
3.1.2.1. Le couplage par rØseau 98
3.1.2.2. Le couplage par prisme 99
3.1.2.2.1. Effet de la prØsence du prisme ................. 101
3.1.2.2.2. EfficacitØ du couplage ...................... 105



















Table des matiŁres 7
3.2. La spectroscopie des lignes noires « m-lines » ................ 107
3.2.1. Le dispositif de mesure ........................... 107
3.2.1.1. Mesure par transmission ....................... 107
3.2.1.2. Mesure par rØflexion.......................... 108
3.2.2. Arrangements expØrimentaux 109
3.2.2.1. Le faisceau laser ............................ 109
3.2.2.2. Le couplage ............................... 110
3.2.3. PrØcision de la mesure 111
3.2.4. Etude thØorique des indices effectifs N ................ 114 m
3.2.5. DØtermination des paramŁtres optogØomØtriques du guide ...... 117
3.2.5.1. Guide saut d’indice ......................... 117
3.2.5.1.1. Cas de guides monomodes ................... 117
3.2.5.1.2. Cas de deux modes ........................ 117
3.2.5.1.3. Cas des guides multimodes 119
3.2.5.2. Guide gradient d’indice ....................... 121
3.2.5.2.1. RØsumØ de la mØthode iWKB.................. 123
3.3. Les pertes optiques dans les guides ...................... 125
3.3.1. Origines physiques des pertes 125
3.3.1.1. Pertes par absorption.......................... 125
3.3.1.1.1. Absorption interbande 125
3.3.1.1.2. Absorption par les porteurs libres ............... 126
3.3.1.1.3. Absorption par des impuretØs .................. 126
3.3.1.2. Pertes par radiation........................... 126
3.3.1.3. Pertes par conversion ......................... 127
3.3.1.4. Pertes par diffusion 127
3.3.1.4.1. Pertes par diffusion de surface ................. 127
3.3.2. Mesures des pertes dans les guides .................... 129
3.3.2.1. Mesure des pertes par couplage en bout (par la tranche) .... 129
3.3.2.2. Meage par prisme ............ 130
3.3.2.3. Mesme et dØcouplage
par la tranche..................................... 132
3.3.2.4. Mesure des pertes par analyse de la surface 134
3.3.3. CaractØrisation par microscopie en champ proche optique
de guides d ondes ................................... 136
3.4. Bibliographie 138
Chapitre 4. Les effets non linØaires en optique intØgrØe ............ 143
4.1. GØnØralitØs 144
4.2. La gØnØration de second harmonique ..................... 147
4.2.1. GØnØration de second harmonique dans le volume........... 149
4.2.1.1. L accord de phase par birØfringence ................ 152
4.2.2. Le quasi-accord de phase (QAP) 155





















8 Optique intØgrØe
4.2.3. RØalisation de structures pØriodiquement polarisØes.......... 161
4.2.3.1. GØnØralitØs................................ 161
4.2.3.2. Techniques expØrimentales de retournement de la polarisation . . 162
4.2.3.3. RØalisation de structures PPLN par champ Ølectrique
(electric poling) ................................... 164
4.2.3.3.1. Principe ............................... 164
4.2.3.3.2. Processus expØrimental ..................... 165
4.3. La gØnØration de second harmonique dans les guides d ondes ...... 174
4.3.1. Calcul de l’intØgrale de recouvrement .................. 179
4.4. Les techniques de caractØrisation optique non linØaire de guide d ondes . . 182
4.4.1. Le montage GSH-GSHR .......................... 182
4.4.2. GØnØration de second harmonique par rØflexion ............ 185
4.4.2.1. Puissance du faisceau harmonique rØflØchi 186
4.4.2.2. Le montage SHEW........................... 187
4.4.3. GØnØration de second harmonique en configuration guidØe ..... 190
4.5. Effets optiques non linØaires paramØtriques ................. 192
4.5.1. Amplification paramØtrique ........................ 192
4.5.1.1. Oscillation paramØtrique optique (OPO) .............. 194
4.6. Sources laser base de l’optique non linØaire ................ 197
4.7. Bibliographie ................................... 202
Chapitre 5. L effet Ølectro-optique dans les guides d ondes.......... 209
5.1. L’effet Ølectro-optique .............................. 210
5.1.1. Cas du LiNbO ................................ 215 3 ! ! !
5.1.1.1. Cas du champ Ølectrique E // Oz // c ................ 216
5.1.1.1.1. Configuration transversale ! ! ! !
Vecteur d onde k ⊥ E (k ⊥ c) ....................... 217
5.1.1.1.2. Configuration longitudinale ! ! ! !
Vecteur d onde k // E (k // c) ......................... 218 ! !
5.1.1.2. Cas du champ Ølectrique E ⊥ c ................... 220
5.2. L effet Ølectro-optique dans les guides d ondes....