Cristaux photoniques commandables en niobate de lithium Matthieu

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 2 JNOG 26/10/2004

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

Modélisations par FDTD: Généralités Objet: Détection: Mur absorbant: PML Trous ou plots infiniment longs Transmission en sortie du cristal photonique Infiniment périodique selon x Nombre de rangées finies selon y Injection : Indice du Li. Nb. O 3 : Onde plane impulsionnelle (@ 1, 55μm) n= 2, 141 y Période: a=500 nm Diamètre: d=a/2 Mur absorbant: PML Département d’Optique P. M. Duffieux x 4 JNOG 26/10/2004

Modélisation par FDTD : Le nombre de rangées selon y Variation de 3 à 21 rangées (par pas de 2) Transmission 1 0 800 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 5 JNOG 26/10/2004

$Modélisation par FDTD : En fonction de l’indice de réfraction 1 1 Dn=0. 015$

Modélisation par FDTD : En fonction de l’indice de réfraction 1 1 Dn=0. 015 Dn=0 T/2 0 (min, Tmin) 1000 1500 T/2 2000 Longueur d’onde (nm) 0 1750 1900 D Longueur d’onde (nm) On peut atteindre un déplacement de la bande de 10, 5 nm 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 6 JNOG 26/10/2004

Modélisation par FDTD : Tableau récapitulatif Motif Direction de propagation Polarisation Tmin (nm) TE GK Plots Tmin (%) T/2 (nm) d (nm) Sensibilité h=D /Dn (nm) Pas de bande interdite photonique TM 1152 6, 4. 10 -3 1306, 6 392 523 TE 1043 8, 5. 10 -2 1119, 2 145 111 TM 1204 1, 4. 10 -3 1406, 9 593 534 TE 1439 4, 2. 10 -2 1577 269 706 TM 1406 6, 5. 10 -5 1543 246 641 TE 1749 9, 5. 10 -5 1824 375 840 TM 1729 2, 5. 10 -1 1848 225 846 GM GK Trous GM 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 7 JNOG 26/10/2004

Fabrication: Les guides optiques en niobate de lithium Les guides optiques sont en COUPE X - échange protonique au travers d’un masque Si 02 (180°C, 2 h 30) - recuit sur plaque chauffante (333°C, 10 h) x y Profondeur (mm) Cristal Photonique z E(V/m) Largeur (mm) Schéma des guides optiques Mode optique simulé à l=1. 55 mm (méthode de Galerkin) Département d’Optique P. M. Duffieux 8 JNOG 26/10/2004

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

Réalisation des structures photoniques: L’échantillon étudié Image MEB angle: 0° Diamètre = 213 nm Image MEB angle: 52° 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 10 JNOG 26/10/2004

Caractérisation: Montage expérimental Laser 532 nm Fibre DSF Guide + Cristal Photonique Analyseur de spectres OSA Fibre monomode 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 11 JNOG 26/10/2004

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

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 13 JNOG 26/10/2004

Perspectives • Modélisation: Etude 3 D 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 14 JNOG 26/10/2004