Cristaux photoniques commandables en niobate de lithium Matthieu Roussey, Maria-Pilar Bernal, Nadège Courjal, Fadi Baida & Daniel Van Labeke Institut FEMTO-ST Département d’Optique P.M. Duffieux Université de Franche-Comté matthieu.roussey@univ-fcomte.fr Journées Nationales de l’Optique Guidée Paris 26/10/2004

Objectifs Réalisation de composants de taille micrométrique: utilisation de cristaux photoniques commandables On utilise le niobate de lithium, car : Matériau ayant des forts coefficients Electro-optiques Piézoélectriques Non-linéaires Matériau adapté aux applications télécom MAIS très difficile à usiner Département d’Optique P.M. Duffieux JNOG 26/10/2004 2

Modélisations numériques Description de la fabrication Caractérisation Plan Modélisations numériques Description de la fabrication Caractérisation Conclusion et perspectives Département d’Optique P.M. Duffieux JNOG 26/10/2004 3

Modélisations par FDTD: Généralités Objet: Trous ou plots infiniment longs Infiniment périodique selon x Nombre de rangées finies selon y Détection: Transmission en sortie du cristal photonique Mur absorbant: PML Injection : Onde plane impulsionnelle (@ 1,55μm) Indice du LiNbO3 : n= 2,141 x y Période: a=500nm Diamètre: d=a/2 Mur absorbant: PML Département d’Optique P.M. Duffieux JNOG 26/10/2004 4

Modélisation par FDTD : Le nombre de rangées selon y Variation de 3 à 21 rangées (par pas de 2) 1 Transmission 800 1400 2000 Longueurs d’onde (nm) Au-delà de 20 rangées, la structure se comporte comme un cristal infini. Département d’Optique P.M. Duffieux JNOG 26/10/2004 5

Modélisation par FDTD : En fonction de l’indice de réfraction 1 1 Dn=0.015 Dn=0 T/2 l(min,Tmin) lT/2 1000 1500 2000 1750 1900 Dl Longueur d’onde (nm) Longueur d’onde (nm) On peut atteindre un déplacement de la bande de 10,5nm pour une variation d’indice de 0,015 La BIP ne change pas de forme lorsque l’indice est modifié (faibles variations) Département d’Optique P.M. Duffieux JNOG 26/10/2004 6

Modélisation par FDTD : Tableau récapitulatif Motif Direction de propagation Polarisation lTmin (nm) Tmin (%) lT/2 d Sensibilité h=Dl/Dn (nm) Plots GK TE Pas de bande interdite photonique TM 1152 6,4.10-3 1306,6 392 523 GM 1043 8,5.10-2 1119,2 145 111 1204 1,4.10-3  1406,9 593 534 Trous 1439 4,2. 10-2 1577 269 706 1406 6,5. 10-5 1543 246 641 1749 9,5. 10-5 1824 375 840 1729 2,5. 10-1 1848 225 846 Ce tableau nous montre que la configuration optimale est: La maille triangulaire de trou éclairée dans la direction GM en polarisation TE Département d’Optique P.M. Duffieux JNOG 26/10/2004 7

Fabrication: Les guides optiques en niobate de lithium Les guides optiques sont en COUPE X - échange protonique au travers d’un masque Si02 (180°C, 2h30) - recuit sur plaque chauffante (333°C, 10h) E(V/m) Cristal Photonique z x y Profondeur (mm) Largeur (mm) Schéma des guides optiques Mode optique simulé à l=1.55mm (méthode de Galerkin) Département d’Optique P.M. Duffieux JNOG 26/10/2004 8

Réalisation des structure photoniques: Gravure directe (FIB) Profondeur plus élevée (1,5 mm) Problème: les trous sont coniques Département d’Optique P.M. Duffieux JNOG 26/10/2004 9

Réalisation des structures photoniques: L’échantillon étudié Image MEB angle: 0° Image MEB angle: 52° Diamètre = 213 nm Profondeur de gravure = 1.5 mm !! Echantillon : 22 rangées perpendiculairement au guide 17 rangées parallèlement au guide Guide : niobate de lithium échange protonique, coupe x Département d’Optique P.M. Duffieux JNOG 26/10/2004 10

Caractérisation: Montage expérimental Laser 532nm Guide + Cristal Photonique Fibre DSF Analyseur de spectres Fibre monomode OSA INPUT Référence Continuum: A. Mussot, T. Sylvestre, L. Provino, and H.Maillote, Opt. Lett. 28, pp.1820 (2003). Lien: herve.maillote@univ-fomte.fr Département d’Optique P.M. Duffieux JNOG 26/10/2004 11

Caractérisation: Résultats ---- Guide seul ---- Guide + Cristal Bande Interdite Photonique Dl=1200 – 1600 (nm) -12 -14 -16 -18 -20 Transmission [dB] -12 dB -22 -24 -26 -28 -30 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 Longueur d'onde [nm] Département d’Optique P.M. Duffieux JNOG 26/10/2004 12

Les simulations FDTD ont permis de trouver la structure optimale Conclusion Les simulations FDTD ont permis de trouver la structure optimale La fabrication de cristaux photoniques en niobate de lithium a été effectuée La caractérisation a permis de mettre en évidence une bande interdite photonique Département d’Optique P.M. Duffieux JNOG 26/10/2004 13

Perspectives Modélisation: Etude 3D permettant Le calcul des pertes le long des trous De tenir compte de la conicité des trous D’intégrer au calcul le confinement du mode dans le guide Fabrication: Réaliser des trous plus profonds Intégrer des électrodes afin de déplacer électriquement la BIP Caractérisation: Caractérisation SNOM Optimisation de la source blanche Guide photonique (introduire des défauts dans le CP) Département d’Optique P.M. Duffieux JNOG 26/10/2004 14

Merci Département d’Optique P.M. Duffieux JNOG 26/10/2004 15

=1000nm Département d’Optique P.M. Duffieux JNOG 26/10/2004 16

=1500nm Département d’Optique P.M. Duffieux JNOG 26/10/2004 17

=1700nm Département d’Optique P.M. Duffieux JNOG 26/10/2004 18