Soutenance mémoire
Le développement des réseaux de télécommunication actuel est principalement orienté vers les systèmes haut débit. L’utilisation d’une onde lumineuse de fréquence élevée comme onde porteuse d’information permet des débits très importants. La faible absorption des fibres optiques de silice dans le proche infrarouge en fait de bons supports de transmission d’informations sur de grandes distances. Le développement des réseaux optiques haut débit accroît la demande de dispositifs optoélectroniques assurant les fonctions de source lumineuse, de modulation, d’amplification et de détection. La réalisation de nouveaux composants optiques comme des modulateurs électro-optique de phase ou d’amplitude s’inscrit donc dans cette perspective de développement des réseaux optiques haut débit.
Les modulateurs électro-optiques actuels sont principalement réalisés à partir de matériaux cristallins massifs comme le Niobate de Lithium, d’autres modulateurs sont développés à partir de matériaux polymères [1]. La possibilité de réaliser des modulateurs électro-optiques à partir de matériaux ferroélectriques céramiques a été étudiée par certains auteurs [2, 3]. L’utilisation de ces matériaux en couches minces présente les avantages d’un coût relativement faible par rapport au matériau massif et d’une intégration facilitée [4]. De plus, les céramiques de Titanate-Zirconate de Plomb (PZT) possèdent des propriétés électro-optiques qui devraient permettre leur utilisation comme matériaux actifs dans les modulateurs électro-optiques [5].
Matériaux ferroélectriques pour l’optique guidée
Les modulateurs électro-optiques actuels sont principalement réalisés à partir de matériaux cristallins massifs comme le Niobate de Lithium. La possibilité de réaliser des modulateurs électro-optiques à partir de matériaux ferroélectriques céramiques a été étudiée par certains auteurs [2, 6, 7]. La littérature montre que les céramiques ferroélectriques de zirconate-titanate de plomb lanthane (PLZT) possèdent des propriétés électro-optiques qui devraient permettre leur utilisation comme modulateurs électro-optiques .
L’utilisation de céramiques en couches minces pour réaliser des applications électro-optiques dans une configuration optique guidée présente les avantages de faciliter l’intégration du dispositif et de diminuer les tensions de commande. De plus, l’utilisation de méthodes d’élaboration de couches minces comme les procédés de dépôt chimique en solution (CSD) alternatives aux méthodes de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), d’évaporation ou de pulvérisation devrait permettre de réduire les coûts de fabrication.
Caractéristiques de la ferroélectricité
La nature d’un cristal trouve son origine dans la structure élémentaire microscopique de celui-ci. Cette structure élémentaire des cristaux est décrite en cristallographie par des représentations telles que la maille élémentaire. Il existe 32 groupes de symétrie cristalline différents, qui sont définis par des ensemble d’opérations de symétrie possibles (rotation, inversion centrale, réflexion. . .).
Parmi ces 32 classes de symétrie, on distingue plusieurs sous-groupes avec des propriétés physiques différentes . Il existe 11 classes cristallines centrosymétriques, qui ne présentent pas de propriétés polaires. Les 21 autres classes de symétrie ne sont pas centrosymétriques et possèdent un ou plusieurs axes polaires. Excepté la classe cubique 432, les 20 autres classes de symétrie présentent des propriétés de polarisation sous contrainte mécanique, ce sont les classes cristallines «piézo-électriques». Dix de ces classes de symétrie «piézo électriques» présentent une polarisation qui est fonction de la température, il s’agit des classes «pyroélectriques». Au sein de ce dernier ensemble «pyroélectriques» certaines classes cristallines présentent plusieurs axes polaires en absence de champ électrique. Ces solides montrent des propriétés de basculement de la polarisation selon ces différents axes polaires par application d’un champ électrique, ce sont les classes cristallines «ferroélectriques».
En absence de champ électrique et en deçà d’une certaine température de transition, les matériaux ferroélectriques possèdent plusieurs axes polaires, c’est à dire des directions orientées suivant une polarisation électrique spontanée Ps. La température de transition est appelée température de Curie Tc, au delà de celle-ci la polarisation spontanée disparaît.
L’existence de moments dipolaires microscopiques d’origine ionique dans le cristal est à l’origine du phénomène de ferroélectricité. Ces moments dipolaires apparaissent lorsque le cristal possède deux centres de symétrie des charges électriques positives et négatives distincts. Lorsque la température devient supérieure à Tc, le solide n’est plus en phase ferroélectrique mais en phase paraélectrique [12]. Cette transition de phase associée à l’augmentation de température provoque la disparition de la polarisation spontanée. Il existe deux grandes catégories de matériaux ferroélectriques suivant le mode de transition de phase [13]. Certains ferroélectriques ont un changement de phase ferroélectrique/paraélectrique associé à une transition ordre-désordre (c’est le cas de certains cristaux liquides). D’autre matériaux ferroélectriques possèdent une transition de phase ferroélectrique/paraélectrique associé à une transition displacive qui modifie la structure cristalline, c’est le cas des structures pérovskites (type ABO3).
Mécanisme de transition de phase ordre-désordre
Dans un matériau ferroélectrique, les moments dipolaires passent d’un état ordonné à un état désordonné avec pour conséquence la disparition de la polarisation spontané macroscopique. Un exemple de ferroélectrique ordre-désordre est le KDP (KH2PO4) dans lequel les hydrogènes peuvent occuper deux sites différents dans le réseau de tétraèdre PO₄− . Au dessus de la température critique les deux sites sont occupés avec la même probabilité, il s’agit alors d’un état désordonné sans polarisation macroscopique. Au dessous de la température critique certains sites sont occupés préférentiellement par l’hydrogène, un état ordonné existe avec une polarisation macroscopique non nulle.
Mécanisme de transition de phase displacive
La transition de phase peut être induite par un déplacement relatif des ions constitutifs de la maille cristalline, il s’agit alors d’une transition displacive. Les matériaux de structure pérovskites comme le titanate de baryum BaTiO3 ou les solutions solides de zirconate-titanate de plomb Pb(ZrxTi1−x)O3 font partie des ferroélectriques displacifs.
Lorsque la température est abaissée au dessous de la température de Curie, la structure cristalline se contracte, les dimensions des atomes interviennent alors fortement dans l’arrangement cristallin. L’octaèdre d’oxygène se déforme, l’ion en site B se déplace vers une nouvelle position d’équilibre qui ne se trouve plus au barycentre de l’octaèdre d’oxygène. En première approximation et dans le cas d’une déformation cubique/tétragonale, ce phénomène peut s’expliquer par un déplacement selon une direction z et en sens contraire des ions Ti4+ (ou Zr4+) et O₂− . Ces déplacements de quelques Angströms provoquent l’apparition de deux nouvelles positions d’équilibres de l’ion en site B et d’un moment dipolaire électrique colinéaire à l’axe de déformation. Ces positions sont symétriques par rapport au barycentre de l’octaèdre d’oxygène. Il existe alors deux orientations possibles du moment dipolaire au sein de la maille : un sens haut et un sens bas . Les axes supportés par la direction de déformation z et orientés dans les deux sens possibles de la polarisation forment deux axes polaires .
Le cristal subit une transition de phase paraélectrique/ferroélectrique associée à une transition structurale cubique/tétragonale. Cette déformation pouvant se produire suivant une arrête du cube (plan cristallin 100), il existe trois directions possibles de déformation selon les trois directions de l’espace Ox, Oy et Oz donc six axes polaires et donc six orientations possibles du moments dipolaires.
Lors d’une transition de phase paraélectrique/ferroélectrique associée à une transition structurale cubique/rhomboédrique, le cube se déforme le long de la diagonale d’espace (plan cristallin 111), il existe alors quatre axes de déformation possibles et donc huit axes polaires . Dans le cas du titanate de baryum BaTiO3, la transition de phase paraélectrique/ferroélectrique associée à une transition structurale cubique/orthorombique est également possible, le cube se déforme le long d’une diagonale de surface (plan cristallin 110), il existe alors six axes de déformation possibles et donc douze axes polaires différents .
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Table des matières
Introduction
1 Matériaux ferroélectriques pour l’optique guidée
1.1 Caractéristiques de la ferroélectricité
1.1.1 Mécanisme de transition de phase ordre-désordre
1.1.2 Mécanisme de transition de phase displacive
1.2 Couches minces de PZT
1.3 Effets électro-optiques
2 Principe de spectroscopie M-lines
2.1 Description du guidage optique
2.1.1 Définition du guide
2.1.2 Modes TE et modes TM
2.1.3 Expression des champs dans les différents milieux
2.1.4 Equation de dispersion
2.1.5 Répartition énergétique des modes guidés
2.2 Dispositif expérimental
2.2.1 Principes
2.2.2 Choix de la lentille de focalisation
2.2.3 Réalisation mécanique du coupleur à prisme
2.2.4 Choix du prisme
2.2.5 Acquisition et Automatisation
2.2.6 Alignement
Alignement du banc optique
Centrage du prisme
Recherche du zéro
3 Analyse des résultats expérimentaux
3.1 Détermination de l’indice de réfraction et de l’épaisseur : Position du problème
3.2 Critères d’indexation des modes
3.2.1 Critère d’indexation des modes de M. Matyáš
3.2.2 Critère d’indexation des modes : le minimum de σm
3.2.3 Evaluation du critère du minimum de σm
3.3 Optimisation
3.3.1 Méthode d’optimisation simplex
3.3.2 Evaluation de l’optimisation
3.3.3 Résultats de la méthode d’optimisation par le simplex
3.4 Précision des mesures
3.4.1 Calcul des incertitudes
3.4.2 Applications aux couches minces de PZT en phase pyrochlore et de ZnO
4 Méthode d’élaboration et de gravure de films de PZT
4.1 Protocole de réalisation de films de PZT par dépôt chimique en solution
4.2 Élaboration de films de PZT sur différents substrats de verre
4.3 Étude du traitement thermique
4.4 Etude de la variation du rapport zirconium sur titane
4.4.1 Étude de la variation du rapport zirconium sur titane de 00/100 à 100/00 pour une température de 650◦C
4.4.2 Étude de la variation du rapport zirconium sur titane de 32/68 à 48/52 pour une température de 700◦C
4.5 Réalisation de guides d’ondes par gravure chimique
5 Caractérisations optiques des films de PZT
Conclusion
