Un micro-usinage d’une précision et d’une qualité exceptionnelles permet de concevoir des guides d’ondes électromagnétiques en niobate de lithium de type ridges (en forme de crête), démultipliant leurs performances. Un intérêt majeur pour réduire la taille et en même temps garantir, voire améliorer la sensibilité des capteurs niobate de lithium pour des développements dans les domaines de la défense et de la médecine.
Dans le monde des composants, le niobate de lithium présente des propriétés optiques exceptionnelles qui en font un candidat de choix pour la réalisation de nombreuses fonctionnalités dynamiques de types capteurs, modulateurs, filtres… Traditionnellement, ces composants sont néanmoins très encombrants, de l’ordre du centimètre, ce qui rend leur intégration difficile. Depuis 2004, l’Institut FEMTO-ST travaille à les miniaturiser en utilisant des configurations optiques inspirées des semi-conducteurs : les cristaux photoniques. De là sont nés des composants mille fois moins encombrants, qui ont des applications aussi bien pour les télécommunications optiques que pour la détection des champs électriques ou la détection de gaz.
Cependant, le faible confinement des guides optiques en niobate de lithium reste un problème majeur que les scientifiques s’attachent à résoudre. Mieux contrôler la lumière sur des dimensions toujours plus petites est en effet le gage d’une plus grande sensibilité des microcomposants.
Afin d’augmenter le confinement de la lumière dans le matériau, les chercheurs de l’Institut FEMTO-ST ont mis au point des guides de forme particulière, les ridges, dont la qualité est obtenue grâce à un usinage « optique » réalisé à la scie circulaire de précision.
En choisissant bien les paramètres de la scie, il est en effet possible d’obtenir une découpe de la pièce à la fois très fine (largeur de l’ordre du micron) et profonde (> 500 μm), et son polissage simultané.
Cette technologie remplace avantageusement la technique classique du smart cut, une opération qui combine implantation ionique, attaque chimique et polissage mécanique, très lourde à réaliser dans le cas précis du niobate de lithium.
Photo 1 Photo 2
Photo 1 : Ridges par découpe optique. Meilleur facteur de forme réalisé : profondeur 526 μm, largeur de 1 à 4 μm.
Angle au sommet 88°
Photo 2 : Usinage des flancs du ridge par FIB
L’épaisseur des motifs usinés peut varier de quelques μm, pour des applications optiques, à plusieurs centaines de μm, intéressant alors les domaines de l’acoustique. Le meilleur facteur de forme obtenu, exceptionnel et totalement inédit, fait état d’une structure de 526 μm de profondeur sur une largeur de 1 à 4 μm, d’une quasi-verticalité puisque l’angle est au sommet de 88°. À des échelles plus modestes, 20 à 30 μm semble une hauteur idéale pour obtenir des flancs parfaitement droits. Le ridge est ensuite gravé par FIB (faisceau d’ions focalisé), autorisant la gravure de motifs nanométriques sur des profondeurs jusqu’à 15 μm. Ces attaques successives et sur plusieurs fronts génèrent des motifs en trois dimensions. Le contraste d’indice de réfraction dans le guide est plus important, et davantage de lumière se trouve confinée au même endroit.
Cette technologie lève le verrou du confinement de la lumière dans les guides optiques en niobate de lithium, et permettra de réduire le volume des capteurs actuels tout en garantissant leurs performances, voire en améliorant encore leur sensibilité. De telles avancées intéressent particulièrement les domaines de la défense et de la médecine, et donnent lieu à différentes collaborations. Un projet mené avec la DGA prévoit d’ores et déjà des applications dans un délai de trois ans. Un autre, prévoyant la mise au point de matériaux et produits innovants pour l’industrie, a reçu l’agrément de l’ANR en novembre dernier. Enfin, la Région Franche-Comté soutient les recherches menées sur les ridges en accordant le financement de thèses et de matériel.
Contact : Nadège Courjal
Département d’optique – Institut FEMTO-ST
Université de Franche-Comté / UTBM / ENSMM / CNRS
Tél. (0033/0) 3 81 66 55 85