De nombreux procédés ont été développés pour la fabrication des guides d’onde. Le choix de la méthode dépend évidemment de la nature chimique du matériau, de son utilisation, du coût de fabrication et aussi de l’impact sur l’environnement.
Dans notre cas, il nous faut une technique permettant de fabriquer des couches minces de fluorure par voie sèche sans intervention de solvant aqueux ou contenant des groupements OH.
Les techniques de dépôt qui ont été utilisées pour la fabrication de couches minces ou de structures guidantes planaires en verre de fluorure sont:
Ø le Dépôt Chimique en phase Vapeur (CVD pour Chemical Vapor Deposition) utilisé par K. Fujiura et al. pour des couches minces ZBLA [66].
Ø le Dépôt Physique en phase Vapeur (PVD pour Physical Vapor Deposition) développée au département Oxydes et Fluorures de L’IMMM (Institut des Molécules et Matériaux du Mans) sur des couches minces PZG (PbF2–ZnF2–GaF3) [67] et plus récemment pour la fabrication des couches minces ZLA (ZrF4-LaF3-AlF3) [68].
Ø l’Echange Ionique (IE pour ionic exchange) F-/OD- ou F-/Cl- développé par l’équipe Verres et Céramiques à l’Université de Rennes pour la fabrication de guides d’onde ZBLA et BIG (BaF2 InF3-GaF3) [69-70-71]. L’échange cationique Na+/Li+ ou Na+/K+ a aussi été testé, avec des résultats moins intéressants [72].
Ø la méthode Sol-Gel proposée par J Ballato et al. à partir de précurseurs métal- organiques, pour des couches minces de verres ZBLA [73]. Un traitement par HF gazeux est nécessaire pour convertir les hydroxydes en fluorures.
Ø la Pulvérisation Cathodique par radio-fréquence (RF-Sputtering) utilisée par U. Kaiser et al. pour des couches mince de MgF2, LaF3 [74].
Ø l’ablation laser (PLD pour Pulsed Laser Deposition) utilisée par D. Ganser et al. pour des couches minces ZBLAN[75].
Ø L’enduction centrifuge (Spin coating). La surface du substrat est enduite par le verre fondu à déposer. La rotation à grande vitesse du substrat permet d’éliminer l’excès de liquide et le film est ensuite trempé. Des guides d’onde ont été obtenus pour des verres de fluoroaluminate [76]
Ø L'épitaxie par jet moléculaire (MBE pour Molecular Beam Epitaxy). La surface du substrat est bombardée par les atomes sous forme d’un flux de gaz à grande vitesse qui vont se fixer pour constituer la couche. [77-78]. Des guides d’onde planaires CaF2
dopés Pr3+ et Er3+ ont été réalisés [79].
Toutefois, la bonne qualité optique des guides d’onde reste primordiale sans oublier les problèmes de coût de fabrication.
Les premières études d’évaporation sous vide de verres de fluorure utilisant la technique PVD ont été effectuées par H. Poignant [80] sur des systèmes ZBLA et ZBLAN. Compte tenu de la différence importante de pression de vapeur entre ZrF4 et BaF2, il n’a pas été possible d’obtenir un dépôt de composition proche de celle du verre évaporé. D’autres systèmes vitreux ont alors été étudiés par C. Jacoboni et B. Boulard qui ont obtenu des dépôts vitreux et uniformes de composition PbF2-ZnF2-GaF3 (PZG). Les premiers guides d’onde planaires en verre PZG dopé Er3+
[67] et co-dopé Er3+/Ce3+ [81] ont été fabriqués avec des pertes par propagation de l’ordre de 0,5 dB/cm. Plus récemment, les travaux de thèse d’O. Péron ont montré qu’il était possible de fabriquer des guides d’onde planaires à base de fluorozirconate ZLA (ZrF4-LaF3-AlF3) dopé Er3+ [68] et co- dopé Er3+/Yb3+ /Ce3+ [82] pour l’amplification optique. Les pertes optiques sont inférieures à 2dB/cm [68-83].
D’autre part, la technique d’échange ionique F-/Cl- sur verre ZBLA donne également des guides d’onde avec une bonne qualité optique; les pertes sont de l’ordre de 0,5dB/cm [84].
4.3.1 -Les Guides d’onde canaux
La réalisation d’un laser compact dans un guide d’onde nécessite un confinement maximum de l’énergie pour la pompe et le signal. Il faut donc un bon recouvrement des faisceaux dans la région active de la structure. Les guides d’ondes planaires ne sont pas appropriés pour ce type de dispositif. La lumière doit est confinée dans deux directions de l’espace, ce qui correspond à des guides d’onde canaux. Il peut y avoir des guides d’onde canaux en surface (Figure 8a) ou des guides d’onde enterrés (Figure 8b).
Figure 8 : Illustration des guides d’onde canaux a) de surface b) enterré.
La plupart des techniques développées pour l’élaboration de guides d’onde canaux utilise la photolithographie. C’est une étape qui consiste à reproduire les motifs d’un masque mère sur le substrat. Pour ce faire, une couche de résine photo-sensible est déposée sur le substrat pour être ensuite insolé avec une lampe UV à travers le masque mère. Pour supprimer les étapes de lithographie habituelles, la photo-inscription de structures confinées soit sur guide d’onde planaire ou à la surface d’un verre massif est possible.
Les techniques les plus connues sont :
- l’échange ionique à travers un masque déposé à la surface du verre [71] ; - la gravure chimique avec notamment des solutions aqueuses de ZrOCl2 [85] ; - la technique lift-off suivi de la photolithographie [85-86] ;
- la photo-inscription à l’aide d’un laser UV [87].
Les différentes étapes du procédé par échange ionique mis au point par l’équipe Verres et Céramiques de l’Université Rennes sont présentées sur la Figure 9.
Figure 9 : Processus de fabrication par échange ionique des guides d’onde canaux sur substrat en verre ZLAN [82].
La gravure du substrat (chimique s’il s’agit d’un verre type ZBLA ou par RIE pour un substrat SiO2/Si, suivi du dépôt d’une couche mince par PVD a déjà été utilisée au département Oxydes et fluorures du Mans. Les différentes étapes du procédé sont décrites sur la Figure 10.
Figure 10: Processus de fabrication de guide d’onde canaux par dépôt PVD d’une couche mince sur un substrat en verre ZBLA gravé [82].