Ce travail est consacré à l'étude et la réalisation des guides optiques distribués par un échange protonique partiel (PPE, Partiel Proton Exchange) localisé dans un guide de titane (Ti) diffusé dans un substrat de niobate de lithium (PPE-Ti:LiNbO3), permettant ainsi l’inscription à travers un masque de structures périodiques et apériodiques, appelées souvent ‘structures de Bragg’. Le niobate de lithium est choisi comme substrat de base en raison de ses multiples propriétés attractives pour la réalisation de filtres optiques accordables électro-optiquement et offrent ainsi l’opportunité de contribuer au déploiement d’architectures optiques dynamiques. La simplicité et la maitrise du processus d’échange protonique permet d’une part de reproduire n’importe quel motif à travers un masque et de contrôler les paramètres caractéristiques de la fonction de transmission, d’autre part. Nous proposons une approche analytique originale basée sur les méthodes des rayons et de l’indice effectif permettant de calculer les constantes de propagation du guide. Elle sera utilisée pour calculer l’indice effectif de n’importe quel profil d’indice de réfraction, en particulier, pour le cas du guide distribué PPE-Ti:LiNbO3. Deux méthodes de calcul numériques sont proposées. La première considère que l’indice effectif est constant suivant la direction de propagation dans chacune des zones de la micro-structuration, alors que la deuxième, plus conforme à la réalité, tient compte du fait que l'indice effectif varie également suivant cette direction. L’effet du recouvrement entre les zones voisines de la structure, ayant subi le processus d’échange protonique, est pris en considération pour le calcul sa fonction de transmission. Nous montrons que la technique d’échange protonique permet de contrôler, par exemple, la bande passante de la fonction de filtrage et ce par le biais des paramètres caractéristiques du processus d’échange. Dans le cadre des réalisations expérimentales, nous montrons qu’une correction du rapport cyclique de la micro-structure, définissant le masque photolithographique, est obligatoire pour ne pas perdre son effet le par recouvrement des zones échangées. Des simulations et des tests expérimentaux ont permis de montrer la faisabilité d’une telle implémentation pour des structures dédiées à un fonctionnement autour de ? = 1,55 µm. Les approches qui ont été développées ont permis notamment d’établir les limites de cette technologie / This work is dedicated to the study and the realization of distributed partially proton-exchanged Ti:LiNbO3 waveguides. The implemented technology allows the inscription of periodic and aperiodic structures, through a mask reproducing any pattern. The application is dedicated to the realization of tunable wavelength filters. Is is then possible to control the transmission function parameters and furthermore, allows the realization of structures presenting a predefined transfer function. The proposed analytical approach allows calculating the propagation constants for an optical waveguide, presenting any refractive index profile. Two methods are presented. In the first one, we consider that the effective index is constant according to the propagation direction in each of the microstructuration zones, while in the second one, which is more realistic, we take into account the fact that the effective index in each of the exchanged zones varies according to this direction. The approaches which were developed allowed notably establishing the limits of this technology

Ce travail est consacré à l'étude et la réalisation des guides optiques distribués par un échange protonique partiel (PPE, Partiel Proton Exchange) localisé dans un guide de titane (Ti) diffusé dans un substrat de niobate de lithium (PPE-Ti:LiNbO3), permettant ainsi l'inscription à travers un masque de structures périodiques et apériodiques, appelées souvent 'structures de Bragg'. Le niobate de lithium est choisi comme substrat de base en raison de ses multiples propriétés attractives pour la réalisation de filtres optiques accordables électro-optiquement et offrent ainsi l'opportunité de contribuer au déploiement d'architectures optiques dynamiques. La simplicité et la maitrise du processus d'échange protonique permet d'une part de reproduire n'importe quel motif à travers un masque et de contrôler les paramètres caractéristiques de la fonction de transmission, d'autre part. Nous proposons une approche analytique originale basée sur les méthodes des rayons et de l'indice effectif permettant de calculer les constantes de propagation du guide. Elle sera utilisée pour calculer l'indice effectif de n'importe quel profil d'indice de réfraction, en particulier, pour le cas du guide distribué PPE-Ti:LiNbO3. Deux méthodes de calcul numériques sont proposées. La première considère que l'indice effectif est constant suivant la direction de propagation dans chacune des zones de la micro-structuration, alors que la deuxième, plus conforme à la réalité, tient compte du fait que l'indice effectif varie également suivant cette direction. L'effet du recouvrement entre les zones voisines de la structure, ayant subi le processus d'échange protonique, est pris en considération pour le calcul sa fonction de transmission. Nous montrons que la technique d'échange protonique permet de contrôler, par exemple, la bande passante de la fonction de filtrage et ce par le biais des paramètres caractéristiques du processus d'échange. Dans le cadre des réalisations expérimentales, nous montrons qu'une correction du rapport cyclique de la micro-structure, définissant le masque photolithographique, est obligatoire pour ne pas perdre son effet le par recouvrement des zones échangées. Des simulations et des tests expérimentaux ont permis de montrer la faisabilité d'une telle implémentation pour des structures dédiées à un fonctionnement autour de ? = 1,55 µm. Les approches qui ont été développées ont permis notamment d'établir les limites de cette technologie

Le présent travail visait à développer et à étudier une nouvelle méthode de fabrication des guides d'onde, « High Index Soft Proton Exchange » (HISoPE) , qui permet de réaliser des guides d'onde très confinés (dne = 0,1). Des caractérisations en génération d’harmonique localisée ont montré que les propriétés non linéaires de ces guides ne sont pas détruites mais les guides HISoPE réalisés sur coupe Z peuvent présenter des modes ayant des pertes élevées. Ces pertes peuvent être éliminés en utilisant des bains plus acides pour l’échange, mais cela implique des déformations plus importante dans les guides d'onde canal et la nature hybride des modes propageant. Dans le cadre du projet PhoXcry, nous avons essayé de réaliser un modulateur électro-optique très efficace en combinant des cristaux photoniques et des guides HISoPE sur coupe X. Dans les meilleurs guides d'onde fabriqués sur coupe X, les pertes à la propagation, expliquées par la nature hybride des modes sont de 1.75dB/cm, mais dans les guides d'ondes nanostructurés il n’a pas été possible d’identifier clairement une bande interdite photonique. HISoPE en combinaison avec l’échange inverse (Reverse Proton Exchange, RPE) a montré un grand potentiel pour la fabrication de guides d'onde enterrés. Dans une expérience de SHG et malgré des pertes élevées de 2dB/cm, nous avons pu estimer une efficacité de conversion de 160%/W*cm2. Un comportement du coupleur directionnel a été observé dans les guides d'onde enterrés fabriqué en raison d’une cinétique RPE différente dans les différentes parties du guide d'onde. Un développement ultérieur de la méthode HISoPE + RPE devrait permettre d'améliorer la qualité des guides enterrés. / The present work aimed to develop and to study a new method of waveguide fabrication, High Index Soft Proton Exchange (HISoPE), which allows realizing highly confining waveguides in LiNbO3 (dne=0.1). Characterizations by localized SHG experiments, showed that the nonlinear properties of the HISoPE waveguides are not destroyed, but modes with high propagation loss were observed for planar HISoPE waveguides on Z-cut wafers. These losses can be eliminated by performing the exchange in more acidic bath, but this results in more important deformations in channel waveguides and in the hybrid nature of the propagating modes. In the frame of the project PhoXcry, we tried to realize a highly efficient electro-optical modulator by combining photonic crystals and HISoPE waveguides on X-cut wafers of LiNbO3. The losses of the waveguides fabricated on X-cut, attributed to the hybrid nature of the propagating modes, were estimated to be around 1.75dB/cm. The nanostructured waveguides exhibited high losses and it was not possible to identify clear optical band gap. HISoPE in combination with reverse proton exchange (RPE) showed a great potential for buried waveguide fabrication. We used them in a SHG experiment and despite elevated losses of 2dB/cm, the conversion efficiency was estimated as high as 160%/W*cm2. A directional coupler behavior was observed in the buried waveguides due to different RPE kinetics in different parts of the waveguide. A further development of the HISoPE+RPE process will improve the quality of the buried waveguides.

Le présent travail visait à développer et à étudier une nouvelle méthode de fabrication des guides d'onde, " High Index Soft Proton Exchange " (HISoPE) , qui permet de réaliser des guides d'onde très confinés (dne = 0,1). Des caractérisations en génération d'harmonique localisée ont montré que les propriétés non linéaires de ces guides ne sont pas détruites mais les guides HISoPE réalisés sur coupe Z peuvent présenter des modes ayant des pertes élevées. Ces pertes peuvent être éliminés en utilisant des bains plus acides pour l'échange, mais cela implique des déformations plus importante dans les guides d'onde canal et la nature hybride des modes propageant. Dans le cadre du projet PhoXcry, nous avons essayé de réaliser un modulateur électro-optique très efficace en combinant des cristaux photoniques et des guides HISoPE sur coupe X. Dans les meilleurs guides d'onde fabriqués sur coupe X, les pertes à la propagation, expliquées par la nature hybride des modes sont de 1.75dB/cm, mais dans les guides d'ondes nanostructurés il n'a pas été possible d'identifier clairement une bande interdite photonique. HISoPE en combinaison avec l'échange inverse (Reverse Proton Exchange, RPE) a montré un grand potentiel pour la fabrication de guides d'onde enterrés. Dans une expérience de SHG et malgré des pertes élevées de 2dB/cm, nous avons pu estimer une efficacité de conversion de 160%/W*cm2. Un comportement du coupleur directionnel a été observé dans les guides d'onde enterrés fabriqué en raison d'une cinétique RPE différente dans les différentes parties du guide d'onde. Un développement ultérieur de la méthode HISoPE + RPE devrait permettre d'améliorer la qualité des guides enterrés.