Guide d'onde
L'echange protonique
Pour creer une région qui puisse guider la lumière dans notre substrat initial le LiNbO3, on utilise la technique de l'échange protonique.
Brièvement, il s'agit de placer dans un four à température T le substrat en présence d'acide benzoïque [BA] et de benzoate de Lithium [LB] dans une enceinte fermée pendant un temps t que l'on appellera temps d'échange.
Cet échange
ressemblant à une réaction acido-basique substitue un atome d'Hydrogène avec un atome de Lithium dans la maille cristalline transformant le LiNbO3 en H(x)Li(1-x)NbO3 sur une profondeur e dépendant du temps d'échange.
Cet échange s'effectue sur toutes les faces de l'échantillon parallélépipédique de Niobate de Lithium.
Une conséquence directe: la technologie APE ne peut guider qu'une seule polarisation, puisque selon les axes ordinaires les conditions de guidage ne sont pas réunies (indice de l’échange inférieur à l'indice du substrat) excepté pour les modes hybrides.
Ce processus de fabrication dans tous les cas induit une augmentation importante de l'indice extraordinaire et une faible diminution de l'indice ordinaire dans la couche échangée (souvenons nous que le LiNbO3 est un matériau biréfringent uniaxe).
On parle de caractérisation de guides d'onde car dans ce procédé, les paramètres énumérés précédemment (la température T, le temps d'échange t, et le ratio ρ) ont une grande influence sur la couche substituée notamment sur sa structure cristalline, ses indices de réfraction, ses coefficients non-linéaires donc sur le guidage de la lumière. ρ=mLB/(mLB+mBA) mLB : masse de benzoate de lithium ; mBA : masse d’acide benzoique
L'influence de la température pendant l'échange sur la structure cristalline de la couche guide est flagrante grâce à des mesures expérimentales, notamment des spectroscopies de rétrodiffusion de Rutherford ainsi que par diffractions de rayons X . La marche à suivre étant d'exposer l'échantillon à un faisceau d'ion à grande énergie cinétique, détecter le nombre d'ions rétrodiffusés et comparer avec le taux de rétrodiffusion du substrat. Ces deux techniques permettent de comparer les structures cristallines du substrat et de la couche échangée.
Spectroscopies de rétrodiffusion de Rutherford pour des échantillons fabriqués à différentes température
courbes de diffraction de rayons X pour différents pourcentages de LB:
(a)0%BL bas; (b) 1%BL milieu ; (c) 3%BL pour des échantillons fabriqués à différentes température
La structure est mieux conservée lorsque ρ ≥ 1% ce qui implique mLB ≠ 0 et si la température lors de l'échange est élevée d'après les graphes ci-dessus.
Pour un même profil d'indice (la température influe peu sur la variation d'indice), en effectuant l'échange dans un four, on conserve une structure cristalline très proche de celle du LiNbO3 brut, ce qui diminue les contraintes internes au matériau.
Les contraintes internes induites en association avec les propriétés intrinsèques du matériau modifient sa permittivité de telle sorte que :
[δε] = ([Ph] + [R][ε][Pz])[S] = [T] * [S]
L'effet photo-élastique induit une variation d'indice de réfraction lorsque la maille cristalline est déformée par l'échange protonique. Puis l'effet piézoélectrique crée un champ électrique sous l'effet des contraintes qui engendrera une autre modification des indices optiques grâce aux propriétés électro-optique non linéaires du LiNbO3.
différents profils d’indices observés dans la couche micro-structurée
Les expériences ont montré que pour chaque température, il existe un ratio en masse de [LB] ρ_0 tel que si ρ > ρ_0, la couche échangée aura un profil d’indice extraordinaire de type gradient d’indice PE3.
Le taux de substitution x de la couche H_x Li_(1-x) NbO_3 reste en dessous de 20%, la structure cristalline de la région substituée est dans la phase α, très proche de la structure du substrat.
Cela explique le peu de pertes et la grande qualité des guides PE3 fabriqués dans ces conditions, la maille ainsi que les coefficients non linéaires sont peu altérés.
Si lors de la fabrication on choisit ρ < ρ_0 pour une certaine température, la région échangée est dans la phase β et 0.5 < x < 0.8.