M. Szachowicz 1 , S. Tascu 1 , M.-F. Joubert 1 , P. Moretti 1 , J. Mugnier 1 et M. Nikl 2

1. Réalisation de guides d’ondes implantés dans Er:YAlO3 et conversion de fréquence infrarouge →vert M. Szachowicz1, S. Tascu1, M.-F. Joubert1, P. Moretti1, J. Mugnier1 et M. Nikl2 1LPCML, UMR 5620 CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1, Domaine Scientifique de la Doua, 10 rue Ampère, 69622 Villeurbanne cedex, France. szachowicz@pcml.univ-lyon1.fr 2Institute of Physics, Academy of Sciences of the Czech, Cukrovanicka 10, 16253 Prague, Czech Republic 23ème Journées Nationales d ’Optique Guidée 25- 27 octobre 2004 Paris

2. Plan de l’exposé • Introduction • Caractéristique du matériau étudié YAlO3:Er et formation des guides d’ondes par la méthode de l’implantation en ions He+ et H+ • Etude spectroscopique de la luminescence verte de Er3+ sous excitation IR • Conclusions

3. Introduction • Objectif: réaliser des guides cristallisés pouvant fournir des émissions intenses de lumière dans le domaine spectral infrarouge, visible ou proche ultraviolet pour l’optique intégrée. • L’implantation ionique: une méthode très universelle pour la fabrication de guides d’ondes optiques dans les matériaux cristallins • Avantage des structures guidées dans des cristaux isolants dopés terre rare: elles associent • les grandes sections efficaces d'absorption et d'émission de l'ion actif en réseau cristallin • les effets de confinement et de guidage.

4. 28 4G9/2 26 2H9/2 24 4F3/2 4F5/2 Er3+dans YAlO3 22 4F7/2 20 2H11/2 Energy (x 1000cm-1) 4S3/2 18 160 µs 550 nm 16 4F9/2 14 20 µs 4I9/2 12 1,2 ms 4I11/2 10 8 6,5 ms 4I13/2 6 4 2 4I15/2 0 Pourquoi YAlO3:Er? Cristal massif: laser upconversion IRvert à basse température (A.J. Silversmith et al., 1986)

5. 9 mm 2 mm a b 4 mm Echantillons deYAlO3:Er • Les cristaux sont obtenus par la méthode de Czochralski • Le pourcentage du dopage en Er3+ 1at.% • Coupés et orientés le long des trois axes cristallographiques a,b,c • Propagation le long de l’axe b c

6. Optical waveguiding Refractive index Substrat index value Dep t h Light X Optical barrier (damaged layer) Implantation ionique – guides d’ondes plans avec Δn<0 • doses des ions He+ ou H+ comprises entre 1 et 4x1016 ions/cm2 • énergie dans la gamme entre 1-1,5 MeV • barrière optique à une profondeur de quelques micromètres sous la surface • élargissement de la barrière avec plusieurs implantations d’énergies diverses voisines (ΔE: 50 – 100 KeV)

7. ns Δn>0 Refractive index Depth Substrat index value θ Moving slit Specific set up θ Damaged multi implantation areas Implantation ionique – guides d’ondes canaux avec Δn>0 Mise en évidence récente dans le YAG (Moretti et. al. Opt. Mater. 24, 2003, 315) Appliqué ici dans YAP 15 µm 12 µm Implants successifs à faibles doses et des profondeurs différentes 10 implantations de H+ aux doses comprises entre 1 et 3x1015 ions/cm2, angles différents (10°<θ<80°) et une énergie fixée

8. P O FO O Laser He :Ne Guide 632 nm 17 μm Montage expérimental P- polariseur, O-objective de microscope, FO- fibre optique IR, CCD –camera CCD CCD Io Prism Substrat : Er:YAlO3 Caractérisation des guides Guides plans – spectroscopie des modes Guides canaux ou plans – camera CCD • 4 à 6 lignes noires assez fines correspondant aux modes guidés • meilleur contraste pour une polarisation TE

9. Sapphire-titanium laser Cw Argon laser IR mirror f=100mm chopper f=100 mm Montage optique pour collecter la luminescence du massif injection system monored optical fiber oscilloscope sample in the injection system visible monochromator visible mirror photomultiplier Montage optique pour collecter la luminescence confinée f=150 Etude spectroscopique - schéma du montage longueur d’onde entre 780 et 840 nm

10. Spectres d’absorption du cristal massif YAlO3:Er Diffusion dans la zone implantée 780 - 840 nm

11. Comparaison des spectres d’émission en sortie des guides canaux avec celui du massif • Même position spectrale des raies d’émission Mais: • Intensités relatives différentes • Elargissement pour l’émission confinée • 545 nm: émission vers la composante Stark la plus basse de 4I15/2  absorption le long du guide • Elargissement : probablement du à des défauts, du désordre … dans la zone implantée

12. Spectres d’émission en sortie des guides canaux implantés un recuit de 2 h à 300°de l’échantillon implanté ne modifie pas son spectre d’émission

13. 2H11/2 4S3/2 4I9/2 4I11/2 4I13/2 4I15/2 Spectres d’excitation de l’émission guidée et spectre d’absorption Absorption: • transition 4I15/2→4I9/2 Excitation: • nouvelles raies à 798,6 nm, 796,8 nm, 796,1 nm, 794,3 nm, 791 nm, 789,5 nm et 787,1 nm • ces raies sont plus fines que les autres  transition entre états excités 4I13/2→2H11/2 Pour longueur d’onde sélectionnée: 551 nm

14. Dépendance de l’intensité de la fluorescence verte en fonction de Pexc et dynamique de la fluorescence verte sous excitation IR L’intensité de la fluorescence confinée varie quadratiquement avec la puissance d’excitation pour des puissances en sortie de la fibre d’injection entre 10 et 140 mW quelle que soit la longueur d’onde d’excitation. • Des mesures de la dynamique de la fluorescence verte montrent que le temps d’établissement de l’état stationnaire est de l’ordre de 10 ms • La forme de la courbe ne change ni avec la dose d’implantation, ni avec la longueur d’onde d’excitation ni avec la puissance d’excitation.

15. θ Conclusions • Pour la première fois des guides optiques canaux et plans ont été réalisés par l’implantation ionique dans un cristal orienté de YAlO3 dopé avec 1% Er3+ • On a appliqué une nouvelle méthode de structuration d’indice pour élaborer des guides canaux avec Δn>0

16. Conclusions • La conversion de fréquence infrarouge – vert due aux ions Er3+ est très efficace • Dans les guides d’ondes canaux implantés en protons (Δn>0), l’intensité de la luminescence verte convertie augmente avec la dose d’ions utilisée pour leur fabrication. Cet effet est probablement dû à une augmentation de la variation d’indice induite avec la dose. • Les raies de l’émission guidée ont la même position spectrale que celles-ci dans le cristal massif. Les différences observées (Irel , Dn) sont probablement dues à l’absorption des photons verts émis et au désordre de la structure du réseau dans le guide d’ondes. • Le mécanisme de peuplement du niveau émetteur est l’absorption dans l’état excité

17. Perspectives • Optimisationdes guides au niveau de l’efficacité de la conversion IR  vert et de la réduction de pertes • Etude comparative des guides canaux avec barrières latérales (Δn<O) et barrière de fond • Mesures quantitatives par la méthode m­lines en fonction de paramètres d’implantation et de recuit thermique