nanostructuration de réseaux électro-optiques linbo3...

Nanostructuration de réseaux

électro-optiques LiNbO3 suspendus Alexis Caspar, Fabien Henrot, Gwenn Ulliac, Venancio Calero,

Abdoulaye Ndao, Wentao Qiu, Fabrice Devaux, Maria-Pilar Bernal,

Nadège Courjal

JNCO 2015, Rennes

JNCO, 8 juillet 2015 Rennes

Outline

2

Objectif : développement de dispositifs électro-optiques ultra-compacts

Le substrat choisi est LiNbO3:

Faibles pertes en propagation (< 0.1dB/cm @1.55µm)

Large bande de transparence optique (350 – 5200nm)

Forts coefficients EO, NL et AO

Faible dispersion en longueur d’onde

Ces propriétés sont très appréciées dans le domaine des télécommunications

optiques

Mais les composants LiNbO3 sont en général très encombrants….

-1-

ww

w.p

hotlin

e.c

om

ww

w.in

deco.jp

ww

w.ic

oseti.o

rg


Guides LiNbO3 confinés But : augmenter l’interaction Electro-Optique

Pour une tension de commande donnée, on peut diminuer la longueur active

- En augmentant le coefficient de recouvrement électro-optique

- En diminuant la distance inter-électrodes g . 11µm!!!

-2-

Lrn

gV

e

33

3

Tension demi-onde :

V

g

dSE

dSEE

Zopt

ZoptZel

2

,

2

,,

Standard diffusé Ti

g ~ 7 µm , = 42 %

g = gap between electrodes

L = active length

ne= refractive index

Coeff. de recouvrement EO :

Confinement vertical Confinement latéral

g ~ 6 µm, = 65 % g ~ 6 µm, = 82 %


Etat de l’art : membranes EO

-10-

Couches fines LiNbO3

Ion slicing + RIE + FIB

H. Lu et al, Opt. Express 20, 2974 (2012)

Wire wg PhC

/V = 2 nm/V

IL > 10 dB

Membranes suspendues LiNbO3

Implantation ionique + gravure HF + FIB

R. Geiss, Applied Physics Letters, 97, 131109 (2010)

• Désaccord de mode avec fibres Fortes pertes d’insertion

• Implantation ionique lourde à mettre en œuvre

Objectif = membranes à faibles pertes d’insertions, et faciles à

réaliser

I. Banc de caractérisation

II. Membranes électro-optiques


Méthode alternative Amincir le substrat à la scie circulaire

Technique simple pour produire des couches minces de LiNbO3 ( 300 nm!!!)

La lame est soulevée avant la fin du guide : cela crée une transition adiabatique verticale

Pertes d’insertions < 3 dB (3 µm d’épaisseur de membrane)

La méthode permet de fibrer avec les etchniques standard

Process 1) Guide diffusé titane entouré

d’électrodes

Std wg

2) Amincissement à la scie circulaire

Mode en sortie

(=fin du taper)

Mode guidé dans la

membrane

X (µm)

Y (

µm

)

-10 -5 0 5 10

0

-5

-10

Air

Air

LN

-12-




Banc de Caractérisation

Principe = Mesure de IL et RL en fonction de

Spectre de transmission

-2-

Component Analyzer

BOSA200 C-Band Polarization

Controler

SMF fiber

sample

L

1520 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565-8

-7.5

-7

-6.5

-6

-5.5

-5

-4.5

Wavelength (nm)

Tra

nsm

issio

n (

dB

)

LFSRng

2

2

L

Calculs classiques :

Indice de groupe déduit de FSR

Pertes déduites du contraste :

(R = coeff. de réflexion)

1549.5 1549.6 1549.7 1549.8 1549.9 1550 1550.1 1550.2 1550.3 1550.4 1550.5-8

-7.5

-7

-6.5

-6

-5.5

-5

-4.5

Wavelength (nm)

Tra

nsm

issio

n (

dB

)

FSR

minmax

minmax1010 2loglog

1

II

IIR

LdB




Analyse

-3-

Mesure des puissances optiques transmises et réfléchies,

on s’affranchit de la connaissance du coeff. de réflexion :

7

LLrrLrr

LLrrLrrIIR

2cosexp22exp1

2cosexp22exp

2312

2

23

2

12

2312

2

23

2

120

r12 = Coefficient de réflexion entrée

r23 = Coefficient de réflexion sortie

t12 = Coefficient de transmission entrée

= Pertes linéiques de propagation (Np/cm)

= Constante de propagation

L = Longueur de guide

I0 = Puissance optique injectée

LLrrLrr

LttIIT

2cosexp22exp1

exp

2312

2

23

2

12

2

23

2

12

0L

minminmaxmax

minminmaxmax10/ log

1

TRTR

TRTRcmdB

IIII

IIII

L

L

1 549,5 1 549,7 1 549,9 1 550,1 1 550,3 1 550,50

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Wavelength (nm)O

ptica

l R

espo

nse

(a

.u.)

Transmission

Reflexion

ITmax

ITmin

IRmax

IRmin

En une mesure, on récupère l’information sur pertes et réflexion




0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.40

0.5

1

Tra

nsm

itte

d

Po

we

r (a

.u.)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.40

0.5

1

Time (ns)

Re

fle

cte

d

Po

we

r (a

.u.)

TE

TM

TE

TM

t1TE

t1TM

t1TE

t1TM

Caractéristiques OCT

Largeur spectrale =50 nm f=6.2 THz

Pas d’échantillonnage e=0.16

pm

fe=20 MHz

Résolution axiale

= 11 µm

Profondeur de champ

= 3.5 m

Tomographie Optique de Cohérence des guides

-4- 8

Information sur la topographie des guides

TF de densité spectrale d’énergie

= Autocorrélation de la réponse impulsionnelle

= Signature OCT des guides

n2

2

nf

c

e

2

0

L

L

t1TE=2ng,TEL/c0 où ng,TE = indice de groupe effectif, polarisation TE

t1TM=2ng,TML/c0 où ng,TM = indice de groupe effectif, polarisation TM

Transformée de Fourier de la densité spectrale d’énergie :

1 pic = 1 cavité optique dans le système




La position temporelle des pics dépend de l’indice de groupe

On en déduit ng(V)

ng = tpicc0/(2L)

Application à l’étude de l’effet EO

-5-

Information sur indice de groupe, détection de variations très sensibles (> 3 10-7 RIU/V).

Amélioration de sensibilité possible si mesure sur un spectre plus large (=50 nm),

Régression linéaire

160 170 180 190 200 210

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time (ps)

Tra

nsm

itte

d P

ow

er

(u.a

.)

-120 V

-100 V

-80 V

-60 V

-40 V

-20 V

0 V

20 V

40 V

60 V

80 V

100 V

180.8 180.85 180.9 180.95 181 181.05 181.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Time (ps)

Tra

nsm

itte

d P

ow

er

(u.a

.)

-120 V

-100 V

-80 V

-60 V

-40 V

-20 V

0 V

20 V

40 V

60 V

80 V

100 V

Transformée de Fourier de la densité spectrale optique transmise

En fonction de la tension appliquée

L = 6 mm

L

V

Mesure de l’indice de groupe ng pour

polarisation TE

dngTE/dV = -4,010-6 RIU/V

dngTM/dV = -1,110-6 RIU/V

Incertitude de mesure : ng=4.610-5

t=0.012 ps ng,t/ng = t/t = 0.007 ‰

L=1 µm ng,L/ng = t/t = 0.016 ‰




Signal filtré : cos(4neffL /)

Signal initial

1549.7 1549.8 1549.9 1550 1550.1 1550.2 1550.30

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Wavelength (nm)

Tra

nsm

issio

n (

a.u

.)

0.15 0.2 0.250

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time (ns)

Tra

nsm

itte

d

Pow

er

(a.u

.)

TE

TM

Mesure de la dispersion en fonction de la tension appliquée

On en déduit neff(,V)

Indice de phase effectif

-6- 10

TF de la densité spectrale optique transmise Densité spectrale d’énergie

L

V

Filtrage et TF-1

1520 1530 1540 1550 15602.12

2.13

2.14

2.15

2.16

2.17

2.18

2.19

Wavelength (nm)

Effective P

hase Index

Lneff

4

1549.5 1550 1550.52.138

2.139

2.14

2.141

Wavelength (nm)

-120 V

-100 V

-80 V

-60 V -40 V

-20 V

0 V

20 V

40 V 60 V

80 V

100 V

120 V




Déduction de l’indice de phase effectif neff à 1550 nm :

Indice de phase effectif

11 -7-

Indice extraordinaire effectif

déduit des mesures pour polarisation TE

L

V

TE TM

neff/V (RIU/V) TE neff/V (RIU/V) TM

Mesures OCT (4.0 0.5)10-6 37 4 % (1.2 0.2)10-6 29 5 %

Simulations f.e.m. 4.510-6 41 % 1.410-6 33 %

-100 -50 0 50 1002.1385

2.139

2.1395

2.14

2.1405

Applied Voltage (V)

Eff

ective R

efr

active I

ndex

Indice ordinaire effectif

déduit des mesures pour polarisation TM

-100 -50 0 50 1002.2157

2.2158

2.2159

2.216

2.2161

Applied Voltage (V)

Eff

ective R

efr

active I

ndex




Déduction de la tension demi-onde à 1550 nm :

Comparaison avec figure de modulation

-8- 12

Mesure de tension demi-onde

L

V

V,TE V,TM

Mesure directe 16.5 0.2 V 50 1 V

Déduite de OCT 16.2 1.2 V 50 8 V

Tension demi-onde déduite des mesures OCT :

Polarisation TE :

Polarisation TM

Méthode validée pour faire des mesures

directes de topographie ou de dispersion

d’indice.

V

tVRITI

)(cos1 2

0

TEe

TErnL

gV

33

3,2

TMo

TMrnL

gV

13

3,2

L = 6mm

g = 14 µm

r33=30,8 pm/V

r13=10,1 pm/V




I. Banc de mesure Electro-Optique II. Membranes électro-optiques

-9-

Component Analyzer

BOSA200 C-Band Polarization

Controler

SMF fiber

sample


Epaisseur Membrane 4.0 µm

Standard 500 µm

Polarisation TM TM

Pertes propagation (dB/cm)

4.2 0.2 4.0 0.2

Group index 2.269 2.267

n/V (RIU / V) 3.4 0,5 10-6

1.4 0.5 10-6

Caractérisation OCT des membranes

Epaisseur Membrane 4.0 µm

Standard 500 µm

Polarisation TE TE

Pertes propagation (dB/cm)

0.6 0.2 0.7 0.2

Group index 2.189 2.189

n/V (RIU / V) 10.1 0,5 10-6

4.0 0.5 10-6

Signature OCT des membranes =

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.40

0.5

1

Reflecte

d

inte

nsity (

a.u

.)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.40

0.5

1

Time (ns)

Tra

nsm

itte

d

inte

nsity (

a.u

.)

TE

TM

• Indice de Groupe inchangé par l’amincissement

• Pertes en propagation < 1 dB/cm

• Effet EO amélioré d’un facteur >2.4 par rapport à

guide standard!!!!!

-13-

X 2.5

X 2,4




Inscription d’un réseau suspendu

Inscription du réseau par FIB

Rugosité des murs < 4 nm

Murs verticaux

= Un record technologique pour LiNbO3

Vue MEB d’un cristal photonique 1D

dans une membrane de 4 µm d’épaisseur

OCT du guide avec membrane et réseau

I. PhCs in ridges

II. PhCs in membranes -14-

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

0.5

1

Tra

nsm

ited

Pow

er

(a.u

.)

TE

TM

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

0.5

1

Time (ns)R

eflecte

d

Pow

er

(a.u

.)

TE

TM

0.0935 0.094 0.0945 0.095 0.0955 0.096 0.0965 0.097 0.0975 0.098

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

TE

TM

L1 L2

guide

Réseau

10/2

1

2

1

110

/L

iiRB

R

AAR

RTE = 53.7% 1.3 %,

RTM = 48.6 0.8 %


Caractérisation EO de membrane + réseau

Réflexion sur le réseau, longueur active de 3 mm

IL < 4 dB

Effet EO augmenté en présence du réseau

Photographie du dispositif de mesure

1) Réflectivité du réseau

RTE = 53.7% 1.3 %, RTM = 48.6 0.8 %

2) Efficacité électro-optique

Réponse EO du réseau suspendu

V = 9.1 V

Active length = 3 mm

Vpi*L 3,6 fois plus petit que pour guide

standard!!

Electrical

probe

X20

microscope

objective

Thin wg

surrounded

with electrodes

Fiber

-15-




Conclusion

• Une technique de fabrication simple de membranes

fines LiNbO3, avec IL< 3 dB

-16-


Conclusion

• Technique de fabrication simple de membranes fines LiNbO3,

avec IL> 3 dB

• Modulateurs EO suspendus, VL=2.7 Vcm

• Caractérisation OCT des guides permettant mesure de

- Dispersion

- Coefficients de réflexion

- Indices de groupe et phase, et sensibilité EO

- Caractère multimode et extraction de chaque mode

-16-

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time (ns)

Tra

nsm

itte

d

Pow

er

(a.u

.)

TE

TM

0.18 0.182 0.184 0.186 0.188 0.19 0.192

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time (ns)

Tra

nsm

itte

d

Pow

er

(a.u

.)

TE

TM


Perspectives

-17-

• Fils photoniques ou micro-résonateurs à faibles pertes d’insertion, pour

applications non linéaires ou électro-optiques


Thanks…..

Nano-accordeon

G. Ulliac, et al, FIB for Photonics Workshop, Barcelona, (2012)

Free standing 3D PhC

N. Courjal, et al 16th ECIO, Barcelona Spain, April 2012

Merci à : Clément Guyot, Gwenn Ulliac, Arnaud Gerthoffer, Fabien Henrot, Wentao Qiu, Jean-

Yves Rauch, Fadi Baida, Maria-Pilar Bernal, Sylvain Ballandras


Membranes EO

Membranes faites à la scie circulaire entre deux traits de scie

LiNbO3 ridges ou membranes

288µm

2,74µm

Facteur de forme (hauteur:largeur) >500

Forts confinements optiques

Pertes en propagations plus petites que 1 dB/cm

N. Courjal, et al., J. Phys. D: Appl. Phys, 44, 305101, (2011)

Facteur de forme géant

Mode optique d’un guide ridge Ti-APE (Mesure avec une caméra IR)

5µm 3.4µm X (µm)

Y (

µm

)

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Guide planaire :

- 95 nm Ti

- Diffusion 10 h @ 1020°C

- Echange Proton 12 h @ 200 °C

- Recuit 3 h @ 333 °C

Vertical FWHM = 2.2µm

Lateral FWHM = 1.6µm

-11-




Free standing 3D LiNbO3 photonic crystals, smooth rods….

-27-

Photonic Crystal

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