Croissance par ablation laser de films minces d'oxyde pour la réalisation de structures optiquement guidantes

Oxide thin film growth by pulsed-laser abaltion for optical waveguiding devices

• Auteur / Autrice : Anne Roemer
• Direction : Eric Millon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie, sciences des matériaux
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Metz
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LSMCL - Laboratoire de Spectrométrie de Masse et de Chimie Laser - EA 1094

Mots clés

Mots clés contrôlés

DVD

Dépôt par laser pulsé

Couches minces ferroélectriques

Dioxyde de plomb

Lasers -- Matériaux

Mots clés libres

Films minces

PbTiO3

Ferroélectrique

Ablation laser

Guide d'onde

Résumé

Notre démarche générale s'inscrit dans la réalisation de structures optiquement guidantes sous forme de films minces pour des applications en optoélectronique intégrée. Le matériau choisi pour la réalisation de couches minces optiquement actives est le titanate de plomb PbTiO3 (PT). En effet, ses coefficients optiques non linéaires en font un excellent candidat pour la génération d'un faisceau laser bleu par doublage de fréquence d'une diode laser émettant à 980 nm. Si la génération de second harmonique est connue et assez bien maîtrisée dans les cristaux massifs, la transposition de ce principe aux matériaux en couches minces reste délicate à mettre en œuvre. Dans ce travail, les couches minces de titanate de plomb sont réalisées par ablation laser (ou pulsed-laser deposition : PLD). L'optimisation des conditions de croissance a permis d'obtenir des films minces orientés et épitaxiés d'excellente qualité morpho-stucturale sur substrat monocristallin de MgO (100). Leurs propriétés de guides d'onde étudiées par spectroscopie des lignes noires (m-lines) montrent que les caractéristiques optiques des films minces de PT sont identiques à celles du matériau massif. Les pertes optiques mesurées à 633 nm sont inférieures à 1 dB/cm, valeur qui constitue le meilleur résultat obtenu jusqu'à présent sur de tels systèmes (PbTiO3/Substrat). La perspective de réaliser des structures optiquement guidantes capables de générer un laser bleu par quasi accord de phase dans un dispositif intégré PT/MgO/Si pourrait s'envisager mais cela nécessite la réalisation du retournement périodique des domaines ferroélectriques avec une résolution que la technologie actuelle ne permet d'accéder.

Our general thought process (démarche de la pensée) is in keeping with the general pattern of the realization of optical waveguiding thin films for integrated optoelectronic applications. The matérial of choice is lead titanate PbTiO3 (PT). This compound is widely studied and well known for its ferroelectric properties, but it has not been used yet in optical devices for which the reference material is lithium niobate LiNbO3. Nevertheless, the non linear optical coefficients of PT are promising for the generation of a blue light source from laser diodes which emit at 980 nm. If the second harmonic generation is well known and mastered for bulk materials, the transposition in thin films is still difficult. In this study, lead titanate thin films were grown by pulsed-laser deposition (PLD). The growth conditions on (100)MgO substrate were optimized such as substrate temperature, oxygen pressure ou laser fluence to grow oriented and epitaxial thin films with excellent structural properties and surface roughness. The waguiding properties studied by m-lines spectroscopy indicate that optical characteritics (refractive indices) of thin films are the same as the bulk's ones. The optical losses measured at 632,8 nm are lower than 1 dB/cm, which constitute the best results obtained up to now on this kind of system (PbTiO3/Substrate). Future prospects for the realization of optical waguiding structures for the generation of blue light by quasi phase matching (QPM) in integrated devices PT/MgO/Si could be considered but it requires the realization of periodic poled thin films with a resolution that actual technology couldn't realize at this time.