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Réalisation de guides d’ondes implantés dans Er:YAlO 3 et conversion de fréquence infrarouge → vert. M. Szachowicz 1 , S. Tascu 1 , M.-F. Joubert 1 , P. Moretti 1 , J. Mugnier 1 et M. Nikl 2 - PowerPoint PPT Presentation
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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. [email protected] rue Ampère, 69622 Villeurbanne cedex, France. [email protected]
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