Niobate en film mince pour applications électro-optiques
Résumé
Les cristaux ferroélectriques sont des matériaux dans lesquels la relation polarisation diélectrique - champ électrique P(E) est fortement non linéaire et la permittivité diélectrique électriquement accordable. Dans le domaine des fréquences optiques, la non-linéarité P(E) peut se traduire par une modification de l'indice de réfraction sous l'effet d'un champ électrique. Cet effet électro-optique est exploité pour moduler la phase ou l'intensité d'une onde électromagnétique, et se trouve à la base du traitement du signal optique. Les structures ferroélectriques, non centro-symétriques, possèdent également d'excellentes propriétés piézo- et pyro-électriques. Le développement des méthodes de dépôt de films minces a ouvert la possibilité d'accéder à cette richesse d'effets physiques avec de faibles tensions (des Volts au lieu de kV) et des composants de taille toujours plus petite. Néanmoins le développement des films ferroélectriques pour la mise en œuvre de l'effet électro-optique est resté très limité : les tentatives de réaliser des films minces de LiNbO3, le matériau de référence dans le domaine électro-optique, sont 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 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.