Modifications structurales et optiques de verres de silice induites par irradiation électronique

Optical and structural modifications induced by electron irradiation on silica based glasses

• Auteur / Autrice : Anne-Sophie Jacqueline
• Direction : Bertrand Poumellec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Paris 11

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Résumé

L'irradiation électronique des verres germanosilicates par faisceau électronique se traduit par une modification permanente de l'indice de réfraction. Cette propriété de changement d'indice de réfraction sous irradiation électronique peut être exploitée pour la fabrication de circuits en optique intégrée. L'objectif de cette thèse est d'augmenter les connaissances sur les mécanismes d'interaction entre électrons et verres de silice, conduisant à une variation d'indice de réfraction accompagnant le changement de volume spécifique. Nous avons étudié les modifications structurales et optiques induites par l'irradiation électronique. Nous avons étudié l'influence de la méthode d'élaboration des verres (FHD, MCVd et PECVD), des conditions d'irradiation, et de la composition chimique sur les changements de volume spécifique. Nous avons montré que l'introduction de germanium (C<6% mol. GeO2) n'améliore pas la densification quel que soit le verre étudié. Nous avons mis en évidence un phénomène de dilatation de surface sur des échantillons MCVD (C>13. 4% mol. GeO2) exposés à une dose d'au moins 1 C/cm^2. Sur les échantillons MCVD présentant une compact ion de surface, une structure en anneaux de 3 et 4 tétraèdres apparaît jusqu'à la profondeur de pénétration des électrons. Des centres SiE', GeE' et Ge(ODC3) ont été identifiés. Sur les échantillons MCVD présentant une expansion de surface, une augmentation des modes d'étirement asymétrique des liaisons SiOGe et SiOSi est observable. Un centre non identifié absorbant à 3. 1 eV apparaît. A partir d'un modèle de contraintes, nous avons calculé le changement d'indice de réfraction. Les valeurs obtenues sont comparables avec les mesures expérimentales. Nous suggérons donc que le changement de volume spécifique soit une contribution majoritaire au changement d'indice de réfraction.

The electron irradiation of germanosilicate glasses induces refractive index changes that can be used to fabricate optical integrated circuits. The objective of this thesis was to understand better electron-silica interactions for further optimization. The study was focused on the structural and optical modifications induced by electron irradiation. Some authors have already demonstrated that electron irradiation is related to densification in pure silica. We have determined the dependence of the specific volume changes with the nature of the silica glasses (FHD, MCVD and PECVD), the irradiation parameters and the chemical composition. We have shown that the germanium content (C mol. GeO2 < 6%) does not improve the densification whatever the nature of the glass. During the densification mechanism, the number of the ring structures constituted of 3 or 4 tetrahedra increases until the electron penetration depth. We have evidenced also different centres appears with the electronic irradiation: SiE', GeE' and Ge(ODC3). On the contrary to low Ge-doped silica, we evidenced a dilatation phenomena with the MCVD samples (C mol. GeO2 > 13. 4%) exposed to a large dose (D > 1 C/cm^2). We have shown in this case an increase of the asymmetric stretching modes in the SiOGe and SiOSi bonds on the top l mM. In addition, an unknown centre absorbing at 3. 1 eV appears. The last part of the report is concerned with the refractive index change measurements. From a model based on elastic deformations, we have calculated the refractive index change. The obtained values are in good agreement with the experimental measurements. So, we suggest that the specific volume change represents the major contribution of the refractive index change. This thesis permits to optimize different parameters (elaboration method, irradiation conditions. . . ) for the waveguides elaboration.