Niobate en film mince pour composants microstructures actifs: élaboration (SrxBa1-xNb2O6), propriétés, méthode de caractérisation optique
Résumé
Les niobates sont des matériaux ferroélectriques de référence dans le domaine électro-optique : LN (LiNbO3) est le cristal industriel standard et SBN:x (SrxBa1-xNb2O6) présente le coefficient électro-optique diagonal r33 le plus élevé jamais mesuré sur un cristal. La préparation de ces matériaux sous forme de film mince permet de réunir potentiellement les conditions d'un guidage d'onde efficace et d'une modulation électro-optique très basse tension. Elle ouvre également la voie, par micro-nano structuration des films, à la réalisation de composants actifs à bande interdite photonique électriquement accordable, par effet Pockels. Les applications potentielles sont multiples. Néanmoins le développement des films ferroélectriques pour la mise en œuvre de l'effet électro-optique est resté très limité : la réalisation de films minces de LiNbO3 fait toujours l'objet de recherches en cours , et les tentatives consacrées à des matériaux alternatifs sont restées sans suite. Pourtant l'enjeu est considérable dans le domaine du transport de l'information et des composants photoniques. Notre objectif était donc le développement de films actifs aux propriétés électro-optiques (effet Pockels) héritées de celles du cristal. Le matériau choisi est le niobate de strontium-barium (Srx Ba1-xNb2 O6 - SBN:x), un matériau ferroélectrique qui présente à l'état de cristal massif des propriétés électro-optiques exceptionnelles (r33 voisin de 200 pm/V pour x= 60%), très supérieures à celles du niobate de lithium (LiNbO3, r33 = 31 pm/ V). Nous avons obtenu des films épitaxiés sur des substrats MgO recouverts de platine en utilisant la technique de pulvérisation RF magnétron de cibles céramiques. Ces films présentent une très forte non-linéarité diélectrique, des propriétés ferroélectriques et électro-optiques. Les méthodes qui ont été mises au point pour déterminer les coefficients électro-optiques d'un film mince s'appuient généralement sur des approximations drastiques, des relations présupposées entre les coefficients, et négligent en particulier les autres effets du champ (piézoélectricité et électro-absorption). La méthode que nous avons mise au point ne fait appel à aucune de ces approximations et met en évidence le poids des différentes contributions. Nous présentons cette méthode et les propriétés électro-optiques ainsi déterminées sur les films de SBN. Ces propriétés électro-optiques sont supérieures à celles du niobate de lithium massif et ouvrent la voie à la conception de composants photoniques actifs, miniaturisés et électriquement accordables.