Une étape vers la réalisation par l’échange protonique de fils quantiques et de circuits intégrés à fort confinement sur LiNbO3

Towards proton exchanged quantum wires and highly confining integrated circuits on LiNbO3

• Auteur / Autrice : Oleksandr Stepanenko
• Direction : Marc De Micheli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/12/2013
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de la matière condensée (Nice) - Laboratoire de physique de la matière condensée
• Jury : Président / Présidente : Giuseppe Leo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc De Micheli, Giuseppe Leo, Henri Porte, Lionel Duvillaret, Sébastien Tanzili, Pascal Baldi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Henri Porte, Lionel Duvillaret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Niobate de lithium

Optique intégrée

Optique non linéaire

Conduction protonique

Mots clés libres

Échange protonique

Optique non linéaire

Optique intégrée

Niobate de lithium

Proton exchange

Nonlinear optics

Integrated optics

Lithium niobate

Résumé

Le présent travail visait à développer et à étudier une nouvelle méthode de fabrication des guides d'onde, « High Index Soft Proton Exchange » (HISoPE) , qui permet de réaliser des guides d'onde très confinés (dne = 0,1). Des caractérisations en génération d’harmonique localisée ont montré que les propriétés non linéaires de ces guides ne sont pas détruites mais les guides HISoPE réalisés sur coupe Z peuvent présenter des modes ayant des pertes élevées. Ces pertes peuvent être éliminés en utilisant des bains plus acides pour l’échange, mais cela implique des déformations plus importante dans les guides d'onde canal et la nature hybride des modes propageant. Dans le cadre du projet PhoXcry, nous avons essayé de réaliser un modulateur électro-optique très efficace en combinant des cristaux photoniques et des guides HISoPE sur coupe X. Dans les meilleurs guides d'onde fabriqués sur coupe X, les pertes à la propagation, expliquées par la nature hybride des modes sont de 1.75dB/cm, mais dans les guides d'ondes nanostructurés il n’a pas été possible d’identifier clairement une bande interdite photonique. HISoPE en combinaison avec l’échange inverse (Reverse Proton Exchange, RPE) a montré un grand potentiel pour la fabrication de guides d'onde enterrés. Dans une expérience de SHG et malgré des pertes élevées de 2dB/cm, nous avons pu estimer une efficacité de conversion de 160%/W*cm2. Un comportement du coupleur directionnel a été observé dans les guides d'onde enterrés fabriqué en raison d’une cinétique RPE différente dans les différentes parties du guide d'onde. Un développement ultérieur de la méthode HISoPE + RPE devrait permettre d'améliorer la qualité des guides enterrés.

The present work aimed to develop and to study a new method of waveguide fabrication, High Index Soft Proton Exchange (HISoPE), which allows realizing highly confining waveguides in LiNbO3 (dne=0.1). Characterizations by localized SHG experiments, showed that the nonlinear properties of the HISoPE waveguides are not destroyed, but modes with high propagation loss were observed for planar HISoPE waveguides on Z-cut wafers. These losses can be eliminated by performing the exchange in more acidic bath, but this results in more important deformations in channel waveguides and in the hybrid nature of the propagating modes. In the frame of the project PhoXcry, we tried to realize a highly efficient electro-optical modulator by combining photonic crystals and HISoPE waveguides on X-cut wafers of LiNbO3. The losses of the waveguides fabricated on X-cut, attributed to the hybrid nature of the propagating modes, were estimated to be around 1.75dB/cm. The nanostructured waveguides exhibited high losses and it was not possible to identify clear optical band gap. HISoPE in combination with reverse proton exchange (RPE) showed a great potential for buried waveguide fabrication. We used them in a SHG experiment and despite elevated losses of 2dB/cm, the conversion efficiency was estimated as high as 160%/W*cm2. A directional coupler behavior was observed in the buried waveguides due to different RPE kinetics in different parts of the waveguide. A further development of the HISoPE+RPE process will improve the quality of the buried waveguides.