Étude des changements structuraux photo-induits dans le verre à l’aide des impulsions femtosecondes et application à l’inscription de composants photoniques

L’intensité d’une impulsion laser femtoseconde est telle qu’il devient possible d’accéder à un régime d’interaction laser-matière hautement non-linéaire. La focalisation d’un faisceau d’impulsions femtosecondes dans un matériau transparent permet de déposer l’énergie précisément dans la zone focale. Un changement de l’indice de réfraction survient et la translation de l’échantillon permet l’inscription de structures photo-induites en trois dimensions. Ce principe peut s’appliquer à une large gamme de matériaux à la seule condition que ceux-ci soient transparents à longueur d’onde de la source laser utilisée. Ces caractéristiques confèrent au procédé dit d’inscription directe à l’aide d’impulsions femtosecondes un énorme potentiel quant au développement de composants photoniques à trois dimensions. Le développement de cet outil passe par une optimisation du procédé, ce qui sous-entend une meilleure compréhension de la réponse des matériaux aux impulsions femtosecondes. Le projet de doctorat décrit dans cette thèse porte sur l’étude des changements photo-induits et leurs applications à l’inscription de composants photoniques dans différents types de verres. Dans un premier temps, nous présentons l’auto-arrangement quasi-périodique des filaments multiples dans la silice fondue par l’entremise de l’auto-focalisation d’un faisceau doté d’un profil d’intensité fortement elliptique. Nous discutons ensuite du rehaussement de la périodicité du positionnement des filaments en insérant un masque de phase dans le trajet du faisceau. En second lieu, nous investiguons en détail l’interaction des impulsions femtosecondes avec des verres fluorés dans les régimes d’inscription mono-impulsionnel aussi bien que thermique. Ensuite, nous effectuons une étude détaillée de la photosensibilité d’un verre de chalcogénure composé de germanium et de soufre. Dans les deux cas, nous montrons que la morphologie et le signe du changement d’indice photo-induit peuvent être modifiés en variant les conditions d’exposition et ainsi permettre l’inscription directe de guides d’onde à faibles pertes. En outre, nous montrons que la réponse du Ge-S dépend de la proportion de soufre qui entre dans la composition du verre. Au final, cette thèse apporte une contribution originale au développement de la méthode d’inscription directe de composants photoniques et démontre la flexibilité de la technique en ce qui a trait à la modification de l’indice de réfraction des verres spéciaux utilisés en optique-photonique.The intensity of a femtosecond laser pulse is strong enough to free valence electrons from the local potential of their parent atom. Therefore, the laser-matter interaction is highly non-linear which has a significant impact on the energy transfer between pulses and the material. Focusing a femtosecond pulses laser beam results in the precise deposition of energy at the focus through nonlinear absorption mechanisms. This leads to a localised refractive index change and translation of the glass sample through the focussed laser beam allows the inscription of three-dimensional photo-induced structures. The method can be applied to every material on the sole condition of transparency at the wavelength of the laser source. Those characteristics demonstrate the enormous potential of the direct writing method for the fabrication of integrated photonics devices. Further development of this powerful tool necessitates improvements of the inscription process and a better understanding of the response of optical materials to femtosecond pulses. The research project described in this thesis refers to the study of the photo-induced changes and their application to the inscription of photonic components in different types of glass. First, we demonstrated the quasi-periodic self-arrangement of multiple filaments in fused silica through self-focussing of a highly elliptical beam. We enhanced the periodicity of the multiple filaments distribution by inserting a binary phase mask in the beam path. Next, the interaction between femtosecond pulses and fluoride glasses in both repetitive and thermal inscription regime was investigated in details. An exhaustive study of the photosensitivity of Ge-S binary glass followed. In both materials we showed that the morphology and the sign of the refractive index change can be modified through precise adjustment of the exposure conditions, allowing for the direct inscription of low loss optical waveguides. Also, we showed that the response of Ge-S glass is linked with the amount of sulfur present in the glass composition. Ultimately, this thesis conveys an original contribution to the development of the direct inscription method and demonstrates the flexibility of the technique concerning the refractive index modifications of special optical glasses used in the field of optic-photonic