Interaction acousto-optique dans les matériaux périodiquement structurés

Acousto-optical interaction in periodically structured materials

• Auteur / Autrice : Ludovic Socié
• Direction : Vincent Laude
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 03/06/2014
• Etablissement(s) : Besançon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies
• Jury : Président / Présidente : Franck Chollet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Laude, Jérôme Bourderionnet, Sarah Benchabane
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Bonello, Anatole Lupu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes sonores

Mots clés libres

Acousto-optique

Niobate de lithium

Ondes acoustiques de surface

Modulateur acousto-optique

Acousto-optic

Lithium niobate

Surface acoustic waves

Acousto-optical modulator

Résumé

Ces travaux de thèse visent à proposer un nouveau type de modulateur acousto-optique intégré exploitantdes ondes élastiques guidées à la surface du niobate de lithium. Ce matériau piézoélectrique permet en effet deréaliser des guides d’ondes optiques intégrés ainsi que des transducteurs à ondes élastiques efficaces. La modulationacousto-optique y reste cependant classiquement limitée par le recouvrement partiel des deux types d’ondes. J’aicherché à développer un nouveau type de guide d’ondes élastiques de surface exploitant les résonances d’épaisseurd’électrodes épaisses et permettant une meilleure exploitation de la conversion d’énergie électrique en énergieélastique dans les dispositifs intégrés.Dans un premier temps, j’ai développé un moyen de confiner l’énergie acoustique en surface afin de l’utiliserplus efficacement. Je me suis tourné vers la réalisation de transducteurs à peignes interdigités pour les ondes acoustiquesde surface permettant de confiner l’énergie qu’ils génèrent dans des électrodes à haut facteur de forme. Lacaractérisation de ces dispositifs a permis de démontrer un fort confinement de l’énergie mécanique, concomitantd’une absence de diffraction à la surface du matériau. Ces dispositifs acoustiques permettent ainsi un guidage del’énergie acoustique dans les trois dimensions de l’espace avec une largeur transverse aussi petite que la longueurd’onde.Dans un second temps, j’ai réalisé des modulateurs acousto-optiques utilisant les transducteurs précédents. Cesmodulateurs sont fondés sur un interféromètre de Mach-Zehnder dont un bras est soumis à l’interaction acoustooptique.Les expériences réalisées ont permis de montrer une modulation de l’onde optique aux fréquences de résonancedes transducteurs à haut facteur de forme. La transmission spectrale de ces interféromètres est par ailleurscannelée en raison d’une légère asymétrie des bras de l’interféromètre. Nous avons observé, à fréquence nulle, unfort décalage en longueur d’onde du spectre cannelé d’environ 20 nm. Ce décalage reste encore inexpliqué.

This thesis intended to propose a new kind of integrated acousto-optical modulator exploiting guided elasticwaves on the surface of a lithium niobate substrate. This piezoelectric material makes it possible to integrate opticalwaveguides as well as efficient elastic waves transducers. Classically, the acousto-optical modulation remainslimited by the partial overlap of the two kind of waves. I have sought to develop a new kind of surface elasticwaveguide exploiting the thickness resonances of thick electrodes allowing a better exploitation of electric energyto elastic energy conversion in integrated devices.First, I have developed a way to confine the acoustic energy at the surface to use it more efficiently. I turnedtowards the realization of interdigitated transducers for surface acoustic waves allowing to confine the generatedenergy in the high aspect ratio electrodes. The characterization of such devices allowed to demonstrate a strongconfinement of the mechanical energy at the surface of the material. These acoustic devices allowed for diffractionlessguiding of the acoustic energy in the three dimensions of space over a transverse width as small as thewavelength.The second part of this thesis was dedicated to the realization of acousto-optical modulators using the previoustransducers. These modulators are based on a Mach-Zehnder interferometer including one arm subjectd to theacousto-optical intercation. Due to a slight asymmetry of the interferometer arms, the spectrale transmission with awhite light source gives a channeled spectrum. Experiments have shown an optical wave modulation at resonancesfrequencies of the high aspect ratio transducers. We have observed, at zero frequency, a strong wavelength shift ofchanneled spectrum of about 20 nm. This shift remains unexplained.