FR2742556A1 - METHOD FOR PRODUCING FREQUENCY CONVERTERS BASED ON THE QUASI-TUNING OF PHASE IN GUIDED OPTICS - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE DE REALISATION DE CONVERTISSEURS DE FREQUENCE
BASE SUR LE QUASI-ACCORD DE PHASE EN OPTIQUE GUIDEE
Le domaine de l'invention est celui des convertisseurs de fréquence optique.METHOD FOR PRODUCING FREQUENCY CONVERTERS
BASED ON THE QUASI-PHASE CHORD IN GUIDED OPTICS
The field of the invention is that of optical frequency converters.
Plus précisément, il s'agit de convertisseurs de fréquence optique pour lesquels les ondes sont confinées dans un guide réalisé sur un substrat présentant des propriétés non-linéaires d'ordre 2 qui permettent les opérations schématisées sur la figure 1. Ces opérations sont le doublage de fréquence (figure 1a), la fluorescence paramétrique (figure 1 b), la sommation de fréquences (figure i c) ou bien encore la différence de fréquences (figure i d). Pour tirer parti de cette configuration géométrique à priori favorable en terme d'efficacité de conversion, deux conditions doivent être remplies. La première conceme l'accord de phase le long de la distance d'interaction, entre la polarisation non-linéaire induite par l'illumination incidente et la ou les ondes auxquelles cette polarisation a donné naissance.La seconde a trait à leur recouvrement spatial au sein du guide, sachant que ce recouvrement peut être pondéré par une distribution non homogène du coefficient non linéaire concerné. Nous verrons par la suite que cet aspect est particulièrement important lorsque la condition d'accord de phase qui vient d'être mentionnée est satisfaite de manière artificielle, c'est-àdire par une technique dite de Quasi-Accord de Phase (QAP). Cette approche consiste à moduler périodiquement un des paramètres intervenant dans l'interaction non-linéaire afin de compenser la différence de constante de propagation dk liée à la dispersion de l'indice de réfraction du matériau non-linéaire mis en jeu.Dans le cas où cette condition de QAP est vérifiée, on peut alors écrire en se rapportant à la figure i
(1) Ak=m.K où (2) K = 2.II/A et (3) = kû)3-kù)2i avec A: période de la modulation permettant le QAP
m: ordre (entier) dans lequel est obtenu le QAP
constantes constantes de propagation respectives des ondes 1, 2 et 3.More precisely, these are optical frequency converters for which the waves are confined in a guide produced on a substrate having non-linear properties of order 2 which allow the operations shown diagrammatically in FIG. 1. These operations are the doubling frequency (Figure 1a), parametric fluorescence (Figure 1b), the summation of frequencies (Figure IC) or even the difference in frequencies (Figure Id). To take advantage of this a priori favorable geometric configuration in terms of conversion efficiency, two conditions must be fulfilled. The first relates to the phase agreement along the interaction distance, between the non-linear polarization induced by the incident illumination and the wave or waves to which this polarization gave rise. The second relates to their spatial overlap at within the guide, knowing that this overlap can be weighted by a non-homogeneous distribution of the non-linear coefficient concerned. We will see later that this aspect is particularly important when the phase tuning condition which has just been mentioned is satisfied artificially, that is to say by a technique called Quasi-Tuning Phase (QAP). This approach consists in periodically modulating one of the parameters involved in the non-linear interaction in order to compensate for the difference in propagation constant dk linked to the dispersion of the refractive index of the non-linear material involved. this condition of QAP is satisfied, one can then write while referring to figure i
(1) Ak = mK where (2) K = 2.II / A and (3) = kû) 3-kù) 2i with A: modulation period allowing QAP
m: order (integer) in which the QAP is obtained
constants of propagation of waves 1, 2 and 3, respectively.
La technique du QAP est particulièrement intéressante puisqu'elle permet d'utiliser des matériaux très efficaces sur le plan non-linéaire même si la dispersion de leur indice de réfraction est importante. Ainsi il devient possible à certains matériaux, d'émettre par conversion de fréquence dans des gammes spectrales qui leur étaient jusque là interdites, du fait de l'incapacité des techniques classiques à vérifier la condition d'accord de phase. C'est le cas, par exemple, de l'émission dans le bleu par doublage de fréquence au sein de matériaux tels que LiNbO3, LiTaO3 ou encore KTP, qui présentent des non-linéarités élevées et qui sont de plus, compatibles avec la technologie de l'optique intégrée. The QAP technique is particularly interesting since it allows the use of very effective materials on the non-linear level even if the dispersion of their refractive index is important. Thus it becomes possible for certain materials to emit by frequency conversion in spectral ranges which were hitherto prohibited for them, due to the inability of conventional techniques to verify the condition of phase agreement. This is the case, for example, of emission in blue by frequency doubling in materials such as LiNbO3, LiTaO3 or even KTP, which have high non-linearities and which are moreover compatible with technology. integrated optics.
Si le QAP peut être obtenu par la modulation de n'importe lequel des paramètres intervenant dans l'interaction, le changement périodique du signe du coefficient non-linéaire est une des solutions qui conduit à la plus grande efficacité de conversion. Ainsi, la figure 2 schématise une configuration où un guide d'onde est réalisé sous la surface d'un substrat et matérialisé par des traits pointillés. Ce guide assure le confinement des différentes ondes qui interagissent dans la région où le coefficient nonlinéaire est modulé en signe (alternance de signes + et de signes -). Dans cette géométrie de l'optique guidée, il n'est pas nécessaire que la modulation existe dans tout le volume du matériau, il suffit qu'elle soit présente dans la région d'extension des modes guidés correspondant aux ondes qui interagissent.Par contre, cette demière condition est nécessaire pour aboutir à un rendement de conversion optimal. On voit bien entendu ici apparaître la notion de recouvrement entre les ondes qui interagissent et la région où le caractère périodique du coefficient non-linéaire est effectivement sensible. Une des techniques utilisée pour obtenir le changement de signe de ce coefficient non-linéaire, consiste à retoumer la polarisation ferroélectrique du matériau comme dans LiNbO3, LiTaO3 ou encore KTP. La forme des domaines où la polarisation ferroélectrique a été effectivement inversée, est bien entendu également un élément d'importance puisqu'elle influence directement la modulation du coefficient non-linéaire. Cette forme dépend elle-meme de la technique utilisée pour obtenir le renversement de polarisation ferroélectrique. If the QAP can be obtained by modulating any of the parameters involved in the interaction, the periodic change of the sign of the non-linear coefficient is one of the solutions which leads to the greatest conversion efficiency. Thus, FIG. 2 shows diagrammatically a configuration where a waveguide is produced under the surface of a substrate and materialized by dotted lines. This guide ensures the confinement of the various waves which interact in the region where the nonlinear coefficient is modulated in sign (alternation of signs + and signs -). In this geometry of guided optics, it is not necessary that the modulation exists in the entire volume of the material, it is enough that it is present in the region of extension of the guided modes corresponding to the waves which interact. , this last condition is necessary to achieve an optimal conversion yield. We see of course here appear the concept of overlap between the waves which interact and the region where the periodic character of the non-linear coefficient is effectively sensitive. One of the techniques used to obtain the change of sign of this non-linear coefficient, consists in retouming the ferroelectric polarization of the material as in LiNbO3, LiTaO3 or even KTP. The shape of the domains where the ferroelectric polarization has been effectively reversed is of course also an element of importance since it directly influences the modulation of the non-linear coefficient. This form itself depends on the technique used to obtain the reversal of ferroelectric polarization.
Actuellement, il demeure des problèmes importants pour obtenir des domaines suffisamment profonds pour assurer un bon recouvrement avec les modes guidés, tout en conservant un facteur de forme proche de 50%, sachant que plus le pas requis d'altemance de domaines est faible plus la difficulté d'obtenir des domaines profonds est grande. Currently, there are still significant problems in obtaining domains that are deep enough to ensure good recovery with the guided modes, while retaining a form factor close to 50%, knowing that the lower the required step of domain alteration, the lower the difficulty in obtaining deep domains is great.
A titre d'exemple, pour l'émission dans le bleu à partir d'une source autour de 860 nm, le pas A requis est voisin de 3,5 pm dans LiTaO3 et LiNbO3. Si l'on considère maintenant l'émission autour de 1,5 pm par fluorescence paramétrique à partir d'une pompe située vers 800 nm, la période adéquate dans ces deux matériaux est de l'ordre de 20 pm. For example, for the emission in blue from a source around 860 nm, the required step A is close to 3.5 μm in LiTaO3 and LiNbO3. If we now consider the emission around 1.5 pm by parametric fluorescence from a pump located around 800 nm, the adequate period in these two materials is of the order of 20 pm.
Selon l'art connu, la technique la plus courante pour réaliser localement le retoumement de polarisation ferroélectrique consiste à faire localement une opération de diffusion ou échange ionique, suivie d'un recuit rapide à haute température et ce généralement dans un four à lampes tel que celui schématisé en figure 3. Le substrat, par exemple LiTaO3 dans lequel a été réalisé localement et en surface l'échange protonique est placé sur un support encore appelé suscepteur type silicium absorbant et conduisant la chaleur. Le chauffage est assuré par des lampes qui illuminant le suscepteur, élèvent sa température ainsi que celle de l'échantillon en contact avec ce premier. According to known art, the most common technique for locally performing ferroelectric polarization retoupling consists in locally performing an ion diffusion or exchange operation, followed by rapid annealing at high temperature, generally in a lamp oven such as that shown diagrammatically in FIG. 3. The substrate, for example LiTaO3 in which the proton exchange was carried out locally and on the surface is placed on a support also called a susceptor of the silicon type which absorbs and conducts heat. The heating is ensured by lamps which illuminate the susceptor, raise its temperature as well as that of the sample in contact with this first.
Le substrat subit un recuit avec un temps de montrée très court, de l'ordre d'une dizaine de secondes dans le cas du substrat LiTaO3 à une température légèrement inférieure à la température de Curie du matériau ferroélectrique. The substrate undergoes annealing with a very short showing time, of the order of ten seconds in the case of the LiTaO3 substrate at a temperature slightly lower than the Curie temperature of the ferroelectric material.
La limitation principale conceme la profondeur D des domaines où la polarisation ferroélectrique a été retournée, qui ne peut dépasser leur largeur I (correspondant à la largeur sur laquelle on a réalisé les motifs lors de l'échange protonique. Si l'on cherche pour un pas A donné, à agrandir la largeur I en vue d'augmenter la profondeur D, ceci se fait alors au détriment du facteur de forme l/A qui s'éloigne de la valeur optimale de 50 % (altemance de domaines de même largeur)). II existe donc un compromis à trouver entre le respect de ce facteur de forme et la profondeur des domaines. The main limitation concerns the depth D of the domains where the ferroelectric polarization has been returned, which cannot exceed their width I (corresponding to the width over which the patterns were produced during the proton exchange. If we are looking for a step A given, to enlarge the width I in order to increase the depth D, this is done to the detriment of the form factor l / A which moves away from the optimal value of 50% (altemance of domains of the same width) ). There is therefore a compromise to be found between respecting this form factor and the depth of the fields.
A ce premier problème s'ajoute celui de la régularité de l'image de polarisation le long de la distance d'interaction (direction Ox sur la figure 2). To this first problem is added that of the regularity of the polarization image along the interaction distance (direction Ox in FIG. 2).
Celle-ci est directement liée à l'homogénéité de la température de l'échantillon durant le recuit. Ainsi des modifications de l'image de polarisation ferroélectrique peuvent être présentes dans le substrat, en cas d'inhomogénéité de température lors du recuit. II peut apparaître alors comme l'illustre la figure 4 des domaines de retournement de polarisation, beaucoup trop faibles (figure 4a), trop faibles (figure 4b), corrects (figure 4c), trop importants (figure 4d).This is directly related to the uniformity of the temperature of the sample during annealing. Thus, modifications of the ferroelectric polarization image may be present in the substrate, in the event of temperature non-uniformity during annealing. It can then appear as illustrated in FIG. 4 of the polarization reversal domains, much too weak (FIG. 4a), too weak (FIG. 4b), correct (FIG. 4c), too large (FIG. 4d).
En effet, pour que le QAP soit réellement efficace sur toute la longueur du guide dont l'ordre de grandeur est le centimètre, il est nécessaire que l'image de polarisation imprimée au cristal présente non seulement une forme correcte, mais de plus soit homogène le long de la distance d'interaction. Or les problèmes rencontrés dans les deux cas (forme et homogénéité) sont principalement liés aux conditions dans lesquelles se produit l'étape de recuit qui permet le retournement de polarisation à partir de la présence de protons. In fact, for the QAP to be truly effective over the entire length of the guide, the order of magnitude of which is a centimeter, it is necessary that the polarization image printed on the crystal not only present a correct shape, but also be homogeneous. along the interaction distance. However, the problems encountered in the two cases (shape and homogeneity) are mainly related to the conditions under which the annealing step occurs which allows the polarization reversal from the presence of protons.
Lors de cette étape de recuit, I'homogénéité de la température de l'échantillon dépend en partie de la qualité du contact entre ce dernier et le suscepteur. De plus, I'échantillon bien que transparent dans le visible, constitue un masque à l'éclairement du suscepteur ce qui accentue le problème d'homogénéité de température, d'autant plus critique que la formation des domaines est sensible à des variations de l'ordre de quelques degrés. During this annealing step, the uniformity of the temperature of the sample depends in part on the quality of the contact between the latter and the susceptor. In addition, the sample, although transparent in the visible, constitutes a mask for the illumination of the susceptor, which accentuates the problem of temperature uniformity, all the more critical as the formation of the domains is sensitive to variations in the 'order of a few degrees.
Pour améliorer la forme et l'homogénéité de l'image de polarisation, I'invention a pour objet un procédé de réalisation de convertisseur de fréquence comprenant une étape originale de recuit. To improve the shape and the homogeneity of the polarization image, the subject of the invention is a method for producing a frequency converter comprising an original annealing step.
Plus précisément, I'invention a pour objet un procédé de réalisation de convertisseur de fréquence comprenant un substrat en matériau ferroélectrique présentant des propriétés optiques non linéaires d'ordre 2, ledit substrat ayant une surface dite supérieure possédant une modulation de la polarisation ferroélectrique, caractérisé en ce qu'il comprend:
- le dépôt d'un matériau ma plus absorbant que le matériau ferroélectrique pour un rayonnement dans une gamme de longueurs d'onde Ai, sur la surface supérieure dudit substrat;
- le recuit du substrat à une température voisine de la température de Curie du matériau ferroélectrique, dans un four de recuit rapide, muni d'une source lumineuse de longueurs d'onde Ai. More specifically, the subject of the invention is a method for producing a frequency converter comprising a substrate made of ferroelectric material having nonlinear optical properties of order 2, said substrate having a so-called upper surface having a modulation of the ferroelectric polarization, characterized in that it includes:
the deposition of a material ma more absorbent than the ferroelectric material for radiation in a range of wavelengths Ai, on the upper surface of said substrate;
the annealing of the substrate at a temperature close to the Curie temperature of the ferroelectric material, in a rapid annealing oven, provided with a light source of wavelengths Ai.
La présence d'un élément absorbant ma en contact direct avec la surface du matériau ferroélectrique dans lequel on cherche à induire des retoumements de polarisation ferroélectrique permet d'assurer une amélioration notable de l'homogénéité du fait du rapport de conductivité thermique pouvant typiquement être supérieure de plusieurs ordres de grandeur entre le matériau de ladite couche et le matériau ferroélectrique par lequel transite la chaleur depuis le suscepteur, dans l'art connu. The presence of an absorbent element ma in direct contact with the surface of the ferroelectric material in which it is sought to induce ferroelectric polarization spin-offs makes it possible to ensure a significant improvement in homogeneity due to the thermal conductivity ratio which can typically be greater. of several orders of magnitude between the material of said layer and the ferroelectric material through which heat passes from the susceptor, in the known art.
Selon une variante de l'invention, le matériau absorbant est du silicium. According to a variant of the invention, the absorbent material is silicon.
Selon une variante de l'invention, le procédé comprend également une étape d'échange ionique entre des ions du matériau ferroélectrique et des ions extérieurs, au niveau de la surface du substrat. According to a variant of the invention, the method also comprises a step of ion exchange between ions of the ferroelectric material and external ions, at the surface of the substrate.
Selon une variante de l'invention, I'étape d'échange ionique est réalisée au travers d'un masque, possédant des motifs périodiques. According to a variant of the invention, the ion exchange step is carried out through a mask, having periodic patterns.
Selon une autre variante de l'invention, I'échange ionique peut être réalisé au niveau de l'ensemble de la surface du matériau ferroélectrique, la couche absorbante est dans ce cas déposée de manière discontinue, pour favoriser localement des retournements de polarisation ferroélectrique lors de l'opération de recuit. According to another variant of the invention, the ion exchange can be carried out at the level of the entire surface of the ferroelectric material, the absorbent layer is in this case deposited discontinuously, to locally favor reversals of ferroelectric polarization during of the annealing operation.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et gracie aux figures annexées parmi lesquelles:
- la figure i schématise les différents processus qui peuvent
intervenir dans des opérations de conversion de fréquence au
sein du substrat présentant des propriétés non-linéaires d'ordre
2;
- la figure 2 schématise un guide d'onde réalisé dans un substrat
ferroélectrique, dans lequel des domaines de polarisation
ferroélectrique alternée, sont présents;
- la figure 3 schématise un four à recuit rapide, selon l'art
antérieur, utilisant un suscepteur silicium;;
- la figure 4 illustre des configurations différentes de
retournement de polarisation périodique, au sein d'un substrat
ferroélectrique, traduisant l'inhomogénéîté de température
obtenue selon un procédé de recuit de l'art antérieur;
- la figure 5 schématise les étapes principales d'un premier
exemple de procédé selon l'invention;
- la figure 6 schématise les étapes principales d'un second
exemple de procédé selon l'invention;
- la figure 7 schématise une étape de procédé selon l'invention
utilisant une couche d'oxyde Ta2Os faisant localement barrière
énergétique.The invention will be better understood and other advantages will appear on reading the description which follows, given without limitation and free of charge in the appended figures among which:
- Figure i schematizes the different processes that can
intervene in frequency conversion operations at
within the substrate with non-linear order properties
2;
- Figure 2 shows schematically a waveguide produced in a substrate
ferroelectric, in which polarization domains
alternating ferroelectric, are present;
- Figure 3 shows schematically a rapid annealing oven, according to art
anterior, using a silicon susceptor;
- Figure 4 illustrates different configurations of
reversal of periodic polarization, within a substrate
ferroelectric, reflecting temperature inhomogeneity
obtained according to an annealing process of the prior art;
- Figure 5 shows schematically the main steps of a first
example of a method according to the invention;
- Figure 6 shows schematically the main steps of a second
example of a method according to the invention;
- Figure 7 shows schematically a process step according to the invention
using a locally barrier Ta2Os oxide layer
energetic.
Selon une première variante de l'invention, on réalise un convertisseur de fréquence à partir d'un substrat de LiTaO3 dans lequel on utilise une couche continue de silicium en contact avec la face supérieure dudit substrat. According to a first variant of the invention, a frequency converter is produced from a LiTaO3 substrate in which a continuous layer of silicon is used in contact with the upper face of said substrate.
Pour cela, on procéde de manière classique à un échange entre des ions Li+ du substrat et des ions H+ issus d'un bain d'acide. Pour conférer au retoumement de polarisation le caractère périodique voulu, cet échange protonique est effectué au travers d'un masque constitué de bandes de tantale dont l'épaisseur avoisine 1 000 A, pour assurer l'étanchéité et la résistance au bain acide pendant 25 minutes à 400"C (figure 5a). Une fois cet échange protonique effectué, le masque est éliminé. For this, one proceeds in a conventional manner to an exchange between Li + ions of the substrate and H + ions from an acid bath. To give the polarization retougement the desired periodic character, this proton exchange is carried out through a mask made up of tantalum bands with a thickness of around 1000 A, to ensure the tightness and resistance to the acid bath for 25 minutes. at 400 "C (FIG. 5a). Once this proton exchange has been carried out, the mask is removed.
Des ions H+ ont diffusé en surface dans les régions représentées par un signe négatif sur la figure 5a, et permettent après recuit le retoumement de polarisation recherché.H + ions have diffused on the surface in the regions represented by a negative sign in FIG. 5a, and allow after annealing the desired polarization twist.
Dans un second temps on procéde au dépôt d'une couche de silicium sur la surface du substrat LiTaO3 d'une épaisseur voisine de 2 000 A (figure 5b). On procède alors à l'opération de recuit rapide. Pour cela le substrat est placé sur un suscepteur classique en silicium, ou peut être placé sur un suscepteur n'absorbant pas nécessairement le rayonnement issu de la source lumineuse et ne jouant que le rôle de support. L'ensemble est porté avec un temps de montée très court environ une dizaine de secondes à une température voisine de 500"C. Les zones surfaciques dans lesquelles ont eu lieu l'échange protonique, directement en contact avec la couche de silicium, subissent un retournement de polarisation ferroélectrique qui conduit à l'élaboration des domaines recherchés pour satisfaire les conditions de quasi accord de phase. In the second step, a layer of silicon is deposited on the surface of the LiTaO3 substrate with a thickness close to 2000 A (FIG. 5b). We then proceed to the rapid annealing operation. For this, the substrate is placed on a conventional silicon susceptor, or can be placed on a susceptor which does not necessarily absorb the radiation from the light source and which only acts as a support. The whole is brought with a very short rise time about ten seconds to a temperature close to 500 "C. The surface zones in which the proton exchange took place, directly in contact with the silicon layer, undergo a reversal of ferroelectric polarization which leads to the development of the fields sought to satisfy the conditions of quasi phase agreement.
Selon une seconde variante de l'invention, le convertisseur de fréquence est réalisé en utilisant des éléments discontinus de silicium, en surface d'un substrat de LiTaO3. According to a second variant of the invention, the frequency converter is produced using discontinuous silicon elements, on the surface of a LiTaO3 substrate.
Selon ce procédé, puisque seules les régions où l'échange protonique a été réalisé, nécessitent d'être ultérieurement recuites, on ne dépose du silicium qu'au niveau de ces régions. Pour cela on procède selon les étapes illustrées en figure 6. According to this method, since only the regions where the proton exchange has been carried out, need to be subsequently annealed, silicon is only deposited at these regions. To do this, we proceed according to the steps illustrated in Figure 6.
On dépose dans un premier temps, une résine photosensible sur le substrat LiTaO3 où est encore présente la couche de tantale périodique qui sert cette fois directement de masque de photolithographie lors de l'insolation par la face arrière du substrat, de la résine préalablement déposée (figure 6a). Après développement de la résine, on procède au dépôt de silicium (figure 6b). Une étape classique de lift-off permet de ne laisser du silicium que sur les bandes où l'échange protonique à eu lieu. La dernière phase consiste ensuite à enlever par une attaque ionique globale, la couche de tantale d'épaisseur plus faible que celle du dépôt de silicium (figure 6c). On obtient ainsi des bandes de silicium surplombant les zones où l'échange protonique a eu lieu. Firstly, a photosensitive resin is deposited on the LiTaO3 substrate where the periodic tantalum layer is still present, this time directly serving as a photolithography mask during the exposure by the rear face of the substrate, of the resin previously deposited ( Figure 6a). After development of the resin, the silicon is deposited (FIG. 6b). A classic lift-off stage makes it possible to leave silicon only on the bands where the proton exchange has taken place. The last phase then consists in removing by a global ion attack, the tantalum layer of thickness thinner than that of the silicon deposit (FIG. 6c). Silicon bands are thus obtained overhanging the zones where the proton exchange took place.
On procède alors à l'opération de recuit dans un four équipé de lampes. L'éclairage par les lampes dans le four de recuit, crée une modulation périodique de la température en surface, qui va limiter l'extension latérale des domaines et par conséquent favoriser le rapport Dil puisque les régions n'ayant pas subi l'échange, seront à plus basse température que celles où l'on cherche à obtenir le retoumement de polarisation ferroélectrique qui sont échauffées par l'absorption de la chaleur par le silicium. The annealing operation is then carried out in an oven equipped with lamps. The lighting by the lamps in the annealing furnace creates a periodic modulation of the surface temperature, which will limit the lateral extension of the domains and consequently favor the Dil ratio since the regions which have not undergone the exchange, will be at a lower temperature than those where it is sought to obtain the ferroelectric polarization twist which are heated by the absorption of heat by the silicon.
Dans un troisième exemple de procédé selon l'invention, le recuit peut être effectué sur un substrat ayant subi localement une étape d'échange protonique classique, sur lequel ont été réalisées une couche isolante discontinue et une couche d'absorbant et conducteur de la chaleur. In a third example of a method according to the invention, the annealing can be carried out on a substrate which has undergone a conventional proton exchange step locally, on which a discontinuous insulating layer and a layer of absorbent and heat conductor have been produced. .
Plus précisément, ce procédé comprend le dépôt d'une couche de silicium homogène sur un isolant thermique périodique pouvant notamment résulter de l'oxydation du masque en tantale (figure 7). L'oxyde Ta2O5 protège localement le substrat LiTaO3 de l'échauffement dû à l'absorption dans le silicium pour les zones dans lesquelles il n'y a pas eu d'échange protonique.More specifically, this process comprises the deposition of a homogeneous silicon layer on a periodic thermal insulator which can in particular result from the oxidation of the tantalum mask (FIG. 7). The Ta2O5 oxide locally protects the LiTaO3 substrate from overheating due to absorption in silicon for the zones in which there has been no proton exchange.
On peut également directement réaliser un masque en Taros sur le substrat pour réaliser l'étape d'échange protonique, ce masque étant conservé pour le dépôt de la couche uniforme de silicium. It is also possible to directly produce a Taros mask on the substrate to carry out the proton exchange step, this mask being preserved for the deposition of the uniform layer of silicon.
Selon une quatrième variante de l'invention, le procédé de réalisation de convertisseur de fréquence, comprend une étape d'échange protonique sans passer par la réalisation d'un masque. Dans le cas d'un substrat de LiTaO3, on réalise un échange protonique homogène en présence d'un bain d'acide, dans ce cas on réalise un dépôt de silicium discontinu, seules les zones situées en regard du silicium, conduisent à des retournements de polarisation ferroélectrique.L'étape homogène d'échange protonique permet alors en un nombre limité d'étapes de définir des domaines de polarisation alternée et de définir le guide nécessaire au confinement des ondes optiques. II suffit en effet de faire subir au substrat après l'obtention de l'image de polarisation, un recuit standard (par opposition à un recuit rapide), à une température voisines de 400"C (dans le cas de LiTaO3) comme cela se fait de manière classique pour obtenir le profil de variation d'indice voulu pour réaliser un guide à partir d'un échange protonique. According to a fourth variant of the invention, the method for producing a frequency converter comprises a step of proton exchange without going through the production of a mask. In the case of a LiTaO3 substrate, a homogeneous proton exchange is carried out in the presence of an acid bath, in this case a discontinuous silicon deposition is carried out, only the zones located opposite the silicon, lead to reversals The homogeneous proton exchange step then allows, in a limited number of steps, to define areas of alternating polarization and to define the guide necessary for the confinement of optical waves. It suffices in fact to subject the substrate after obtaining the polarization image, a standard annealing (as opposed to a rapid annealing), at a temperature in the region of 400 "C (in the case of LiTaO3) as is conventionally done to obtain the index variation profile desired to produce a guide from a proton exchange.
Selon une cinquième variante de l'invention, aucun échange ionique n'est effectué au préalable. On réalise un dépôt discontinu de silicium. Grace à l'opération de recuit rapide, on procéde au retoumement local de polarisation. Dans un second temps, on réalise le guide en procédant à une étape d'échange ionique le long d'un ruban, afin de modifier localement l'indice du matériau ferroélectrique et ainsi définir un ruban guidant permettant d'assurer un confinement latéral. According to a fifth variant of the invention, no ion exchange is carried out beforehand. A discontinuous deposition of silicon is carried out. Thanks to the rapid annealing operation, the local polarization retoupling is carried out. In a second step, the guide is produced by carrying out an ion exchange step along a strip, in order to locally modify the index of the ferroelectric material and thus define a guide strip making it possible to ensure lateral confinement.
Différents exemples de procédé selon l'invention ont été décrits dans le cadre de substrat LiTaO3, néanmoins tout matériau ferroélectrique peut être utilisé. Different examples of the process according to the invention have been described in the context of a LiTaO3 substrate, however any ferroelectric material can be used.
Ainsi l'on peut à titre d'exemple, employer un substrat de LiNbO3. Thus, by way of example, a LiNbO3 substrate can be used.
Dans ce cas, le matériau absorbant ma peut avantageusement être du titane, le retoumement de polarisation étant obtenu par un recuit effectué vers 1 000"C. Ce recuit plus exactement peut être réalisé durant 5 minutes après un temps de montée de 2 mm pour obtenir une température de 980"C. In this case, the absorbent material ma can advantageously be titanium, the polarization reversal being obtained by an annealing carried out around 1000 "C. This annealing more exactly can be carried out for 5 minutes after a rise time of 2 mm to obtain a temperature of 980 "C.
Des essais ont montré qu'avec ce procédé on est en mesure d'atteindre une profondeur de domaines D d'au moins 2 pm, pouvant être réalisés au pas de 20 pm. Tests have shown that with this method it is possible to reach a depth of domains D of at least 2 μm, which can be produced in steps of 20 μm.
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1996
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Patent Citations (2)
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|---|
| MIZUUCHI K ET AL: "Domain inversion in LiTaO/sub 3/ using proton exchange followed by heat treatment", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 1 FEB. 1994, USA, vol. 75, no. 3, ISSN 0021-8979, pages 1311 - 1318, XP000430035 * |
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