Inscription femtoseconde de type A de guides d’onde à fort contraste d’indice et de réseaux de Bragg

Femtosecond laser inscription of type A-based high index contrast waveguides and Bragg gratings

• Auteur / Autrice : Laura Loi
• Direction : Lionel Canioni, Yannick Petit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 17/11/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Éric Cormier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthieu Bellec
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Gallais, Matthieu Lancry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseau de Bragg

Fibres optiques

Guides d'ondes

Agrégats métalliques

Filamentation (physique)

Mots clés libres

Direct Laser Writing

Laser femtosecondes

Verres contenant argents

Agrégats d’argents

Modifications de Type A

Modifications d’indice éléve

Guide d’ondes

Reseaux volumique de Bragg

Guides d’onde de Bragg

Direct Laser Writing

Femtosecond lasers

Silver-containing glasses

Silver clusters

Type A modifications

High refractive index change

Waveguides

Volume Bragg Gratings

Waveguides Bragg Gratings

Résumé

Direct Laser Writing (DLW) est une technique flexible et efficace pour modifier les propriétés optique des matériaux. Elle permet de realiser facilement des circuits photoniques intégrés. Malheureusement, le changement d’indice de réfraction induit reste encore modeste par rapport à celui obtenu par d’autres techniques, telles que la lithographie. Cela constitue un frein a son déploiement, en particulier pour la miniaturisation des circuits photoniques. Par conséquent, l’augmentation de la variation d’indice de réfraction produite par le DLW est un axe d’étude actuel. En 2017, il a été démontré une nouveau type de modification d’indice dans des verres contenant argent, basé sur la formation photoinduite d’agrégats d'ions d’argent. Cette modification a été nommée type A. L’inscription de ces structures argentique a lieu dans un régime athermique, et présente des dimensions plus petites que la limite de diffraction. Les modifications de type A ont été utilisées jusqu’à présent pour fabriquer des guides d’ondes, des coupleurs, des séparateurs de faisceau et, plus récemment, un capteur d’indice de réfraction.Le travail rapporté dans ce manuscrit a un double objectif. D’une part, accroître l’indice de réfraction et d’autre part, de concevoir et fabriquer des de réseaux de Bragg périodiques avec une grande résolution, basées sur les modifications de type A.Le premier objectif est résolu par l’adoption d’une approche multi-passages qui permet d’augmenter fortement le contraste de l’indice des guides d’ondes inscrits par plusieurs balayages laser successifs. En exploitant le régime athermique de l’inscription de type A, ce travail a démontré un changement d’indice remarquablement élevé jusqu’à 2x10-2. Des guides d’ondes multi-passages ont été fabriqués dans ces verres montrant à la fois un contrôle du confinement du mode guidé et une réduction des pertes de propagation. Le deuxième objectif atteint concerne la réalisation de Waveguides Bragg Gratings (WBGs) et de Volume Bragg Gratings (VBGs) en transmission. Les WBGs de type A ont démontré des résonances de Bragg de premier ordre dans la gamme spectrale VIS-NIR avec des coefficients de couplage élevés, jusqu’à 2 ordres de grandeur plus élevés que ce qui est donné dans la littérature. Enfin, des VBGs multicouches de type A ont démontré que l’augmentation de l’efficacité de diffraction, jusqu’à 55 %, est obtenue pour des réseau de seulement 20 µm d’épaisseur.Les résultats reportés dans ce manuscrit démontrent qu’un changement d’indice très élevé est accessible avec des modifications de type A et permet d’obtenir de fortes résonances de Bragg de premier ordre dans la gamme VIS-NIR. Par conséquent, ces résultats prometteurs mettent en évidence tout l’interêt des modifications de type A pour la conception de circuit photonique par DLW.

Direct Laser Writing (DLW) is a flexible and efficient technique to modify the optical properties of media. It allows for easily fabricating Photonics Integrated Circuits (PICs). However, the induced refractive index change is still small if compared to what is achieved in other techniques, such as lithography. This constitutes a limitation of such a technique, especially for the miniaturization of photonics circuits. Therefore, the achieving of higher index modification is a research axis that is currently being investigated. In 2017, a new type of index modification has been demonstrated in silver-containing glasses, namely Type A, which is based on the photoinduced clustering of the silver ions. The inscription of silver-sustained structures occurs in an athermal regime and shows dimensions overcoming the diffraction limit. Type A modifications have been exploited to fabricate waveguides, couplers, beam splitters and, more recently, a refractive index sensor. The work reported in this manuscript has a twofold goal. On the one hand, the achievement of high Type A refractive index change, on the other hand, the conception and fabrication of high-resolution Bragg gratings. The first objective was achieved by adopting a multiscan approach, which allows for strongly increasing the induced index change by increasing the number of consecutive laser passes. By exploiting the athermal regime of Type inscription, this work demonstrates remarkably high refractive index change up to 2x10^-2. Moreover, Type A multiscan waveguides show fine control of the confinement of the guided mode and reduced propagation losses. The second objective has led to the realization of Waveguides Bragg Gratings (WBGs) and transmission Volume Bragg Gratings (VBGs). Type A WBGs show first-order Bragg resonances in the VIS-NIR spectral range with coupling coefficients up to 2 orders of magnitude higher than what is reported in the literature. Finally, Type A multilayers VBGs show that high diffraction efficiency, up to 55%, is achieved for only 20 µm thick gratings. The results reported in this manuscript demonstrate that high refractive index change and strong first-order Bragg resonances in the VIS-NIR can be obtained with Type A modifications. Therefore, such promising results highlight the interest of Type A modifications for the conception of photonics circuits by DLW technique.