Réalisation de guides d’ondes implantés dans Er:YAlO3 et conversion de fréquence infrarouge →vert M. Szachowicz1, S. Tascu1, M.-F. Joubert1, P. Moretti1, J. Mugnier1 et M. Nikl2 1 LPCML, UMR 5620 CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1, Domaine Scientifique de la Doua, 10 rue Ampère, 69622 Villeurbanne cedex, France. szachowicz@pcml.univ-lyon1.fr 2 Institute of Physics, Academy of Sciences of the Czech, Cukrovanicka 10, 16253 Prague, Czech Republic 23ème Journées Nationales d ’Optique Guidée 25- 27 octobre 2004 Paris

Plan de l’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

Introduction 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. ……… Finir par: Dans ce but, nous avons choisi d’étudier des guides monocristallins de YAlO3 dopé Erbium et je vais vous expliquer Pourquoi avoir choisi ce matériau

Pourquoi YAlO3:Er? 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Energy (x 1000cm-1) 2H9/2 4F3/2 4F5/2 4F7/2 2H11/2 4S3/2 4F9/2 4I9/2 4I11/2 4I13/2 4I15/2 4G9/2 Er3+ dans YAlO3 1,2 ms 6,5 ms 20 µs 550 nm 160 µs Cristal massif: laser upconversion IRvert à basse température D’une part, l’ion Er3+ est connu pour donner lieu à une fluorescence verte très intense correspondant à la transition …. Cette émission est très intense sous excitation directe dans 4S3/2 et elle est aussi, dans beaucoup de matériau hote, très intense sous excitation avec des photons IR. Ceci a été utilisé pour la réalisation de lasers à Upconversion IR  vert. La première mise en évidence d’un tel effet laser avec YAlO:Er date de 1986 par Anne Silversmith , et le mécanisme de pompage était celui décrit sur cette diapositive c’est-à-dire un processus d’absorption successive de deux photons: le premier en résonance avec la transition ….. Et le deuxième en résonance avec la transition entre états excités ….. Ce laser émet à 550 nm et ne fonctionne qu’à basse température. Ensuite, il y a eu d’autres mises en évidence de laser à upconversion IR  vert avec YAlO3:Er avec d’autres processus de pompage tels que le transfert d’énergie par upconversion ou le looping. Nous voulons voir si la structure guidante permettra de favoriser l’efficacité de ce processus. D’autre part, des guides par implantation ont déjà été réalisés au laboratoire avec des cristaux de YAG , cela devrait donc marcher aussi dans YAlO3 (A.J. Silversmith et al., 1986)

Echantillons deYAlO3: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 mm b 9 mm 2 mm a Finir par: Nous voulons réaliser des guides d’onde de façon à propager le long de l’axe cristallographique b c

Implantation ionique – guides d’ondes plans avec Δn<0 Substrat index value Light Optical waveguiding Refractive index Dep t h 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)

Implants successifs à faibles doses et des profondeurs différentes Implantation ionique – guides d’ondes canaux avec Δn>0 Mise en évidence récente dans le YAG (Moretti et. al. Opt. Mater. 24, 2003, 315) Appliqué ici dans YAP Depth Refractive index ns Δn>0 Substrat index value 15 µm 12 µm Implants successifs à faibles doses et des profondeurs différentes θ Moving slit Damaged multi implantation areas Specific set up 10 implantations de H+ aux doses comprises entre 1 et 3x1015 ions/cm2, angles différents (10°<θ<80°) et une énergie fixée

Caractérisation des guides Guides plans – spectroscopie des modes Guides canaux ou plans – camera CCD 17 μm 4 à 6 lignes noires assez fines correspondant aux modes guidés meilleur contraste pour une polarisation TE CCD Laser He :Ne P O FO Guide Montage expérimental P- polariseur, O-objective de microscope, FO- fibre optique IR, CCD –camera CCD 632 nm Prism Substrat : Er:YAlO3 Io

Etude spectroscopique - schéma du montage longueur d’onde entre 780 et 840 nm 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

Spectres d’absorption du cristal massif YAlO3:Er Diffusion dans la zone implantée 780 - 840 nm La courbe de gauche montre le spectre d’absorption du cristal non implanté. On voit clairement les transitions caractéristiques de l’Er3+ dans le YAP. La courbe de droite … Finir par: En utilisant différentes longueurs d’onde d’excitation entre 780 et 840 nm, on a enregistré les spectres d’émission dans le vert

Comparaison des spectres d’émission en sortie des guides canaux avec celui du massif Même position spectrale des raies d’émission Mais: Intensités relatives différentes Elargissement pour l’émission confinée 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 guides canaux implantés un recuit de 2 h à 300° de l’échantillon implanté ne modifie pas son spectre d’émission

Pour longueur d’onde sélectionnée: 551 nm Spectres d’excitation de l’émission guidée et spectre d’absorption 2H11/2 4S3/2 4I9/2 4I11/2 4I13/2 4I15/2 Absorption: transition 4I15/2→4I9/2 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 4I13/2→2H11/2 Dans le cas du cristal massif, le spectre d’excitation est identique à celui du guide canal Pour longueur d’onde sélectionnée: 551 nm

Dépendance de l’intensité de la fluorescence verte en fonction de Pexc et dynamique de la fluorescence 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. 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. Ce qui est tout à fait caractéristique d’une excitation par AEE qui necessite DEUX photons excitateurs.

Conclusions 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+ θ On a appliqué une nouvelle méthode de structuration d’indice pour élaborer des guides canaux avec Δn>0

Conclusions 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 , Dn) 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 ;;;;; Les différences observées, en ce qui concerne les intensités relatives et l’élargissement, sont …………….

Perspectives 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 m­lines en fonction de paramètres d’implantation et de recuit thermique