Etude des propriétés électro-optiques des couches minces de Ba1-xSrxTiO3 pour la modulation optique

• Auteur / Autrice : Floriane Leroy
• Direction : El Hadj Dogheche, Didier Decoster
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique - Micro et nano technologie
• Date : Soutenance le 07/06/2012
• Etablissement(s) : Valenciennes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Partenaire(s) de recherche : Pôle de recherche et d'enseignement supérieur (PRES) : Communauté d'universités et d'établissements Lille Nord de France (2009-2013)
• Jury : Président / Présidente : Tuami Lasri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : El Hadj Dogheche, Didier Decoster, Daniel Dolfi, Maryline Guilloux-Viry, Sandrine Payan, Thierry Rampone
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Dolfi, Maryline Guilloux-Viry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modulateurs (électronique)

Cristaux ferroélectriques

Électrooptique

Couches minces

Mots clés libres

Couche mince

Matériaux ferroélectriques

Couplage par prisme

Propriétés optiques

Modulation électro-optique

Thin film

Ferroelectric material

Prism-couplin

Optical properties

Electro-optic modulation

Résumé

Le développement de nouveaux matériaux est essentiel dans la réalisation de capteurs de petites dimensions et pour les composants micro-nano-optoélectroniques. Les matériaux à base d'oxydes en sont de bons candidats. Ce travail de thèse a concerné la synthèse de matériaux ferroélectriques tels le BaTiO3 (BTO) et le Ba1-xSrxTiO3 (BST), associés à des électrodes inférieures et supérieures en oxyde d'indium-d'étain (ITO), tous déposés par pulvérisation cathodique RF (radio fréquence). Nous nous sommes concentrés sur la relation existante entre les propriétés optiques et électro-optiques de guide d'ondes et l'orientation cristalline, la couche d'interface ainsi que la nature du substrat. Après la caractérisation des propriétés structurales, nous avons évalué les propriétés optiques de ces matériaux par la technique du couplage par prisme pour une gamme de longueurs d'ondes de l'UV au proche IR. Les résultats ont montré un bon confinement de la lumière dans le film, avec des pertes planaires de propagation optique de l'ordre de 3 dB/cm aux longueurs d'onde télécoms, résultats à l'état de l'art pour ces matériaux.Cette méthode de couplage optique a permis de mettre en évidence les propriétés électro-optiques du BTO et du BST dans cette même gamme de longueurs d'onde et pour les deux polarisations optiques, à partir de la variation des spectres de réflectivité. Si le BTO a montré un coefficient r33 de 23 pm/V aux longueurs d'onde télécoms, nous avons mesuré autour de 19 pm/V pour le BST(70/30).

The development of new material is essential for the realization of small sized sensors and for micro-nanooptoelectronics. Functional oxides are candidates of a major interest for the realization of new devices. This work concerns the growth of heterostructures formed by BaTiO3 (BTO) or Ba1-xSrxTiO3 (BST) ferroelectric multilayers associated to (ITO: Indium Tin Oxide) conductive oxides bottom and top electrodes. We focused on the relation between waveguide and electro-optic (EO) properties and the crystalline orientation, the interface layer and the nature of the substrate.RF (Radio Frequency) magnetron sputtering is a selected deposition technique for these applications. While the characterization of properties has become an integral part of research for the understanding of the material behavior, we evaluate the optical properties by prism coupling at wavelengths ranging from 450 nm to 1539 nm.The guided mode spectrum indicates that a good confinement of light is achieved in the film witch is necessary for optical waveguide devices. Ordinary and extraordinary refractive indices for BST/BTO are respectively 2,111/2,224 and 2,052/2,219 at 1539 nm. Optical propagation loss in a planar waveguide configuration in TE at 1539 nm wavelength was determined to be 3 dB/cm. The electro-optic effects were investigated in this study through the variation of the resonant coupling angle, refractive index variation ( n) in the prism coupling measurements. Finally, the EO coefficient of our BTO is 23 pm/V and 19 pm/V for BST(70/30) at 1539 nm.