Dans ce papier, nous nous concentrerons sur l'influence des contraintes induites dans le cristal par le processus de fabrication des fils quantiques. Ces tensions sont responsables d'un couplage fort entre les polarisations qui confère une nature hybride aux modes se propageant et qui doit être prise en considération dans la conception des dispositifs

Aschieri, Pierre

Baldi, Pascal

Benchabane, Sarah

Bourderionnet, Jérôme

de Micheli, Marc

Quillier, Emmanuel

Stepanenko, Oleksandr

Tronche, Hervé

HAL - Université de Franche-Comté

Modes Hybrides dans les Fils Quantiques Re´alise´s surNiobate de Lithium en Coupe XOleksandr Stepanenko, Emmanuel Quillier, Herve´ Tronche, Pascal Baldi,Pierre Aschieri, Sarah Benchabane, Je´roˆme Bourderionnet, Marc De MicheliTo cite this version:Oleksandr Stepanenko, Emmanuel Quillier, Herve´ Tronche, Pascal Baldi, Pierre Aschieri, etal.. Modes Hybrides dans les Fils Quantiques Re´alise´s sur Niobate de Lithium en Coupe X.JNOG 2012, Jul 2012, Lyon, France. <hal-00849627>HAL Id: hal-00849627https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00849627Submitted on 31 Jul 2013HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, estdestine´e au de´poˆt et a` la diffusion de documentsscientifiques de niveau recherche, publie´s ou non,e´manant des e´tablissements d’enseignement et derecherche franc¸ais ou e´trangers, des laboratoirespublics ou prive´s.MODES HYBRIDES DANS LES FILS QUANTIQUES RÉALISÉS SUR NIOBATE DE LITHIUM EN COUPE X. Oleksandr Stepanenko1, Emmanuel Quillier1, Hervé Tronche1, Pascal Baldi1, Pierre Aschiéri1, Sarah Benchabane2, Jerome Bourderionnet3 and Marc De Micheli1 1LPMC, Université de Nice Sophia Antipolis, Parc Valrose 06108 Nice Cedex2,  2FEMTO ST, Université de Franche-Comté, 32 Avenue de l'Observatoire, 25044 Besançon Cedex, 3Thales Research & Technology, 1 avenue Augustin Fresnel, 91767 Palaiseau Cedex  marc.de-micheli@unice.fr RÉSUMÉ Dans ce papier, nous nous concentrerons sur l'influence des contraintes induites dans le cristal par le processus de fabrication des fils quantiques. Ces tensions sont responsables d'un couplage fort entre les polarisations qui confère une nature hybride aux modes se propageant et qui doit être prise en considération dans la conception des dispositifs. MOTS-CLEFS : Fils Quantiques, Optique Intégrée, Niobate de Lithium, Modes Hybrides  1. INTRODUCTION Durant les 10 dernières années, des percées importantes on été faites dans le contrôle de la propagation des ondes lumineuses en jouant sur la nano-structuration périodique des matériaux pour réaliser des cristaux photoniques. Parmi les composants à base de cristaux photoniques qui ont été réalisés, ont peut noter des modulateurs électro-optiques compacts et très efficaces [1,2], mais le potentiel important reposant sur l’intégration de ces micro- et nano- structures dans un matériau actif comme le niobate de lithium reste encore à démontrer. C’est ce que nous tentons de faire en utilisant le phénomène de « lumière lente » associé aux cristaux photoniques pour réaliser des modulateurs large bande, ultra-compacts et à faible tension de commande.   Le premier obstacle rencontré dans cette tache et la difficulté à graver profondément le LiNbO3 à l’échelle sub-micronique. La technique FIB, qui est aujourd’hui celle qui permet d’atteindre les facteurs de forme les plus élevés, ne permet pas de dépasser les 1,5µm de profondeur pour des trous de 300nm de diamètre (fig. 1). Pour réaliser un modulateur efficace utilisant un tel cristal photonique il faut donc disposer d’un guide confinant la lumière dans une profondeur inférieure à celle des trous.  C’est pour cela que nous avons développé une nouvelle technique d’échange protonique, le processus HISoPE qui permet de réaliser des guides présentant un fort confinement tout en préservant les propriétés nonlinéaires et électro-optiques du cristal. En effet, parmi les techniques utilisées pour fabriquer des guides d’onde sur niobate de lithium, l’échange protonique (PE), connu depuis les années 80 [3] et l’une des plus facile à combiner avec d’autres processus de structuration. Il consiste à plonger le cristal dans un bain d’acide fondu pour obtenir un replacement partiel des ions Li+ par des protons, suivant l’équation :  +!++"+ xLiNbOLiHxHLiNbO3x1x3 Le taux de remplacement x et la profondeur affectée par l’échange peuvent être ajustés en choisissant la température et la durée de l’échange ainsi que l’acidité du bain qui dépend de l’acide Fig. 1. Image au MEB d’un réseau de trous de 300nm de diamètre et de 1,5µm de profondeur,  réalisés par FIB (FEMTO, Besançon) dans du niobate de lithium coupe X. utilisé où du pourcentage de sel de lithium dissout dans l’acide. Dans notre cas, nous utilisons un mélange d’acide benzoïque (AB) et de benzoate de Lithium (BL) et l’acidité du bain est donnée par le rapport c définit par : c =BLBL + AB. Quand c est faible, le taux de substitution est important ainsi que la variation d’indice extraordinaire (!ne"0.12 @ #=0.663µm) créant le guide d’onde pour la polarisation correspondante. Jusqu’à présent cette propriété qui permettait d’espérer réaliser des composants très compacts, n’a pas pu être utilisée car cette modification importante de l’indice s’accompagnait toujours de profondes modifications de la structure cristalline[4] et d’une sévère réduction des propriétés électro-optiques et non linéaires [5,6,7,8,9]. 2. FABRICATION ET CARACTÉRISATION DES FILS QUANTIQUES Récemment, nous avons mis au point un nouveau processus de fabrication, le processus HISoPE (High Index Soft Proton Exchange) qui permet d’obtenir des guides d’ondes présentant un profil à saut d’indice d’amplitude importante et donc des modes optiques fortement confinés sans que les propriétés non linéaire et électro-optiques soient affectées [10]. En utilisant un masque de silice présentant des ouvertures de 1 à 2 µm il a été possible de réaliser des guides monomodes à 1,5 µm et présentant une extension transverse de l’ordre de la longueur d’onde (fig.2) ce qui justifie l’appellation de fils quantiques.         Les pertes à la propagation de ces guides de 2,4 cm de long ont été calculées en mesurant avec un laser accordable, le contraste des franges de la cavité Fabry-Perot formée en polissant les faces d’entrée et de sortie de l’échantillon perpendiculairement aux guides. Les résultats détaillés sont présentés dans le tableau 1. L’observation du champ lointain à travers l’extrémité polie de l’échantillon (Fig.3) a par ailleurs permis de monter que les modes supportés par ces fils quantiques présentaient un caractère hybride assez prononcé. En effet, sur les substrats coupe X, les modifications de la maille cristalline dues à l’échange protonique peuvent induire, via le tenseur élasto-optique et la combinaison du tenseur piézo-électrique et du tenseur électro-optique, l’apparition dans l’ellipsoïde des indices de termes non diagonaux [11]. Ceux-ci sont responsables du couplage entre les polarisations. On ne peut donc plus considérer que le mode du fil quantique est quasi TE, mais on doit tenir compte d’une composante TE qui voit l’indice extraordinaire du cristal et d’une composante TM qui voit l’indice ordinaire.   La biréfringence du LiNbO3 étant négative et valant de l’ordre de 0,08 dans le visible, l’indice ordinaire du substrat est compris entre l’indice extraordinaire du substrat et l’indice extraordinaire du guide HISoPE. Pour les modes guidés on doit donc envisager deux possibilités : soit l’indice effectif (neff) est supérieur à l’indice ordinaire (no) et les deux composantes du mode hybride sont guidées soit l’indice effectif est inférieur à l’indice ordinaire et seule la composante extraordinaire du mode hybride est guidée tandis que la composante ordinaire rayonne dans le substrat avec un angle ! donné par l’équation neff = no cos !. Largeur du masque !m pertes dB/cm 1,0 3,4 – 3,8 1,5 4,3 – 4,5 2,0 4,3 – 4,4 Tableau 1 : Pertes à la propagation en fonction de la largeur du fil quantique. Fig. 2 : Observation en champ proche du mode d’un fil quantique @ "=1.5 µm   Dans le dernier cas les pertes à la propagation peuvent être très importantes et dépendent de l’intensité du couplage [12]. Une part importante des 4dB/cm que nous avons mesurée est sans doute due à ce mécanisme.      CONCLUSIONS En utilisant le processus de fabrication HISoPE, nous avons pu réaliser des fils quantiques sur LiNbO3 coupe X, présentant des pertes à la propagation de 4dB/cm. Ces pertes sont en partie dues à la nature hybride des modes supportés par le fil quantique. Nous travaillons actuellement à évaluer cette proportion et à la mise au point d’une stratégie de réduction de ces pertes. Les résultats seront présentés à la conférence. REMERCIEMENTS Les auteurs remercient l’ANR (projet: ANR-09-NANO-004-01 phoXcry) et le réseau CNRS CMDO+ pour le financement de ces recherches . REFERENCES                                                       1 A. V. Akimov et al., Phys. Rev. Lett.101, 033902 (2008 2 M. Schmidt et al., Appl. Phys. Lett.87, 121110 (2005) 3 J. L. Jackel et al.,  Appl. Phys. Lett. 41, 607–608 (1982) 4 Yu. N. Korkishko et al., Appl. Opt. 35, 7056 (1996). 5 M.J. Li et al., J. Quant. Elect. 26, 1384  (1990) 6 K. EL Hadi et al., Special Issue of J. Opt. Soc. Am. B, 14, 3197,(1997) 7 P. Baldi et al., Special Issue of Optical Engineering in Integrated Optics37 (1998) 8 L. Chanvillard et al., Appl. Phys. Lett. Vol. 76, 1089 (2000) 9 A. Mendez et al., Appl. Phys. B73, 485 (2001) 10 O. Stepanenko et al. , AIOM 2012, San Diego 1-3 Février 2012 11 S. Chen et al., Opt. Lett.18 (16), p. 1314-1316, (1993) 12 S. Chen et al., J. Light. Tech., 12 (5), pp. 862-871, (1994) !!"#$%% &'()*+,)-+'./-0 &'()*+,)-+'./-1 Fig. 3 Schéma du dispositif d’observation du champ lointain des fils quantiques. Sur l’écran on peut observer une tache centrale qui correspond à la composante extraordinaire (TE) du mode qui est parfaitement guidée et deux taches ordinaires (TM)  qui correspondent à la composante du mode qui rayonne dans le substrat avec un angle de 19,5°. Le dédoublement de la tache TM est du à la réflexion sur la face inférieure du substrat. La dissymétrie qui est observée  suivant l’axe optique n’est pas expliquée à ce jour.  23456   -1   78%9:8   !" -1 ;<=8>?4@@A> BA@8:4C63: 9<:8>/ DE634@@6/ 56/B8B46:FG H4C?8><6/!  ! 

Modes Hybrides dans les Fils Quantiques Réalisés sur Niobate de Lithium en Coupe X

De Micheli, Marc

HAL-UNICE

Modes Hybrides dans les Fils Quantiques Re´alise´s sur
Niobate de Lithium en Coupe X
Oleksandr Stepanenko, Emmanuel Quillier, Herve´ Tronche, Pascal Baldi,
Pierre Aschieri, Sarah Benchabane, Je´roˆme Bourderionnet, Marc De Micheli
To cite this version:
Oleksandr Stepanenko, Emmanuel Quillier, Herve´ Tronche, Pascal Baldi, Pierre Aschieri, et
al.. Modes Hybrides dans les Fils Quantiques Re´alise´s sur Niobate de Lithium en Coupe X.
JNOG 2012, Jul 2012, Lyon, France. <hal-00849627>
HAL Id: hal-00849627
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00849627
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archive for the deposit and dissemination of sci-
entific research documents, whether they are pub-
lished or not. The documents may come from
teaching and research institutions in France or
abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
destine´e au de´poˆt et a` la diffusion de documents
scientifiques de niveau recherche, publie´s ou non,
e´manant des e´tablissements d’enseignement et de
recherche franc¸ais ou e´trangers, des laboratoires
publics ou prive´s.
MODES HYBRIDES DANS LES FILS QUANTIQUES RÉALISÉS SUR NIOBATE DE 
LITHIUM EN COUPE X. 
Oleksandr Stepanenko1, Emmanuel Quillier1, Hervé Tronche1, Pascal Baldi1, Pierre Aschiéri1, 
Sarah Benchabane2, Jerome Bourderionnet3 and Marc De Micheli1 
1LPMC, Université de Nice Sophia Antipolis, Parc Valrose 06108 Nice Cedex2,  
2FEMTO ST, Université de Franche-Comté, 32 Avenue de l'Observatoire, 25044 Besançon Cedex, 
3Thales Research & Technology, 1 avenue Augustin Fresnel, 91767 Palaiseau Cedex  
marc.de-micheli@unice.fr 
RÉSUMÉ 
Dans ce papier, nous nous concentrerons sur l'influence des contraintes induites dans le cristal par le 
processus de fabrication des fils quantiques. Ces tensions sont responsables d'un couplage fort entre les 
polarisations qui confère une nature hybride aux modes se propageant et qui doit être prise en considération 
dans la conception des dispositifs. 
MOTS-CLEFS : Fils Quantiques, Optique Intégrée, Niobate de Lithium, Modes Hybrides 
 
1. INTRODUCTION 
Durant les 10 dernières années, des percées importantes on été faites dans le contrôle de la 
propagation des ondes lumineuses en jouant sur la nano-structuration périodique des matériaux pour 
réaliser des cristaux photoniques. Parmi les composants à base de cristaux photoniques qui ont été 
réalisés, ont peut noter des modulateurs électro-optiques compacts et très efficaces [1,2], mais le 
potentiel important reposant sur l’intégration de ces micro- et nano- structures dans un matériau 
actif comme le niobate de lithium reste encore à démontrer. C’est ce que nous tentons de faire en 
utilisant le phénomène de « lumière lente » associé aux cristaux photoniques pour réaliser des 
modulateurs large bande, ultra-compacts et à faible tension de commande.  
 
Le premier obstacle rencontré dans cette tache et la 
difficulté à graver profondément le LiNbO3 à l’échelle sub-
micronique. La technique FIB, qui est aujourd’hui celle qui 
permet d’atteindre les facteurs de forme les plus élevés, ne 
permet pas de dépasser les 1,5µm de profondeur pour des trous 
de 300nm de diamètre (fig. 1). Pour réaliser un modulateur 
efficace utilisant un tel cristal photonique il faut donc disposer 
d’un guide confinant la lumière dans une profondeur inférieure à 
celle des trous.  
C’est pour cela que nous avons développé une nouvelle 
technique d’échange protonique, le processus HISoPE qui permet 
de réaliser des guides présentant un fort confinement tout en 
préservant les propriétés nonlinéaires et électro-optiques du 
cristal. En effet, parmi les techniques utilisées pour fabriquer des 
guides d’onde sur niobate de lithium, l’échange protonique (PE), 
connu depuis les années 80 [3] et l’une des plus facile à combiner 
avec d’autres processus de structuration. Il consiste à plonger le cristal dans un bain d’acide fondu 
pour obtenir un replacement partiel des ions Li+ par des protons, suivant l’équation : 
 
+
!
+
+"+ xLiNbOLiHxHLiNbO
3x1x3
 
Le taux de remplacement x et la profondeur affectée par l’échange peuvent être ajustés en 
choisissant la température et la durée de l’échange ainsi que l’acidité du bain qui dépend de l’acide 
Fig. 1. Image au MEB d’un 
réseau de trous de 300nm de 
diamètre et de 1,5µm de 
profondeur,  réalisés par FIB 
(FEMTO, Besançon) dans du 
niobate de lithium coupe X. 
utilisé où du pourcentage de sel de lithium dissout dans l’acide. Dans notre cas, nous utilisons un 
mélange d’acide benzoïque (AB) et de benzoate de Lithium (BL) et l’acidité du bain est donnée par 
le rapport c définit par : c =
BL
BL + AB
. Quand c est faible, le taux de substitution est important ainsi 
que la variation d’indice extraordinaire (!ne"0.12 @ #=0.663µm) créant le guide d’onde pour la 
polarisation correspondante. Jusqu’à présent cette propriété qui permettait d’espérer réaliser des 
composants très compacts, n’a pas pu être utilisée car cette modification importante de l’indice 
s’accompagnait toujours de profondes modifications de la structure cristalline[4] et d’une sévère 
réduction des propriétés électro-optiques et non linéaires [5,6,7,8,9]. 
2. FABRICATION ET CARACTÉRISATION DES FILS QUANTIQUES 
Récemment, nous avons mis au point un nouveau processus de fabrication, le processus 
HISoPE (High Index Soft Proton Exchange) qui permet d’obtenir des guides d’ondes présentant un 
profil à saut d’indice d’amplitude importante et donc des modes optiques fortement confinés sans 
que les propriétés non linéaire et électro-optiques soient affectées [10]. En utilisant un masque de 
silice présentant des ouvertures de 1 à 2 µm il a été possible de réaliser des guides monomodes à 
1,5 µm et présentant une extension transverse de l’ordre de la longueur d’onde (fig.2) ce qui justifie 
l’appellation de fils quantiques.  
 
 
 
 
 
 
 Les pertes à la propagation de ces guides de 2,4 cm de 
long ont été calculées en mesurant avec un laser 
accordable, le contraste des franges de la cavité Fabry-
Perot formée en polissant les faces d’entrée et de sortie de 
l’échantillon perpendiculairement aux guides. Les résultats 
détaillés sont présentés dans le tableau 1. 
L’observation du champ lointain à travers l’extrémité polie de l’échantillon (Fig.3) a par 
ailleurs permis de monter que les modes supportés par ces fils quantiques présentaient un caractère 
hybride assez prononcé. 
En effet, sur les substrats coupe X, les modifications de la maille cristalline dues à l’échange 
protonique peuvent induire, via le tenseur élasto-optique et la combinaison du tenseur piézo-
électrique et du tenseur électro-optique, l’apparition dans l’ellipsoïde des indices de termes non 
diagonaux [11]. Ceux-ci sont responsables du couplage entre les polarisations. On ne peut donc plus 
considérer que le mode du fil quantique est quasi TE, mais on doit tenir compte d’une composante 
TE qui voit l’indice extraordinaire du cristal et d’une composante TM qui voit l’indice ordinaire.   
La biréfringence du LiNbO3 étant négative et valant de l’ordre de 0,08 dans le visible, 
l’indice ordinaire du substrat est compris entre l’indice extraordinaire du substrat et l’indice 
extraordinaire du guide HISoPE. Pour les modes guidés on doit donc envisager deux possibilités : 
soit l’indice effectif (neff) est supérieur à l’indice ordinaire (no) et les deux composantes du 
mode hybride sont guidées 
soit l’indice effectif est inférieur à l’indice ordinaire et seule la composante extraordinaire du 
mode hybride est guidée tandis que la composante ordinaire rayonne dans le substrat avec un angle 
! donné par l’équation neff = no cos !. 
Largeur du masque 
!m 
pertes 
dB/cm 
1,0 3,4 – 3,8 
1,5 4,3 – 4,5 
2,0 4,3 – 4,4 
Tableau 1 : Pertes à la propagation en fonction de la largeur du fil 
quantique. 
Fig. 2 : Observation en champ proche du 
mode d’un fil quantique @ "=1.5 µm   
Dans le dernier cas les pertes à la propagation peuvent être très importantes et dépendent de 
l’intensité du couplage [12]. Une part importante des 4dB/cm que nous avons mesurée est sans doute 
due à ce mécanisme.  
 
 
 
 
CONCLUSIONS 
En utilisant le processus de fabrication HISoPE, nous avons pu réaliser des fils quantiques sur 
LiNbO3 coupe X, présentant des pertes à la propagation de 4dB/cm. Ces pertes sont en partie dues à 
la nature hybride des modes supportés par le fil quantique. Nous travaillons actuellement à évaluer 
cette proportion et à la mise au point d’une stratégie de réduction de ces pertes. Les résultats seront 
présentés à la conférence. 
REMERCIEMENTS 
Les auteurs remercient l’ANR (projet: ANR-09-NANO-004-01 phoXcry) et le réseau CNRS 
CMDO+ pour le financement de ces recherches . 
REFERENCES 
                                                      
1 A. V. Akimov et al., Phys. Rev. Lett.101, 033902 (2008 
2 M. Schmidt et al., Appl. Phys. Lett.87, 121110 (2005) 
3 J. L. Jackel et al.,  Appl. Phys. Lett. 41, 607–608 (1982) 
4 Yu. N. Korkishko et al., Appl. Opt. 35, 7056 (1996). 
5 M.J. Li et al., J. Quant. Elect. 26, 1384  (1990) 
6 K. EL Hadi et al., Special Issue of J. Opt. Soc. Am. B, 14, 3197,(1997) 
7 P. Baldi et al., Special Issue of Optical Engineering in Integrated Optics37 (1998) 
8 L. Chanvillard et al., Appl. Phys. Lett. Vol. 76, 1089 (2000) 
9 A. Mendez et al., Appl. Phys. B73, 485 (2001) 
10 O. Stepanenko et al. , AIOM 2012, San Diego 1-3 Février 2012 
11 S. Chen et al., Opt. Lett.18 (16), p. 1314-1316, (1993) 
12 S. Chen et al., J. Light. Tech., 12 (5), pp. 862-871, (1994) 
!!"#$
%% 
&'()*+,)-+'./-0 &'()*+,)-+'./-1 
Fig. 3 Schéma du dispositif 
d’observation du champ 
lointain des fils quantiques. 
Sur l’écran on peut observer 
une tache centrale qui 
correspond à la composante 
extraordinaire (TE) du 
mode qui est parfaitement 
guidée et deux taches 
ordinaires (TM)  qui 
correspondent à la 
composante du mode qui 
rayonne dans le substrat 
avec un angle de 19,5°. Le 
dédoublement de la tache 
TM est du à la réflexion sur 
la face inférieure du 
substrat. La dissymétrie qui 
est observée  suivant l’axe 
optique n’est pas expliquée 
à ce jour. 
 
23456 
 
 
-1 
  
78%9:8  
 
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;<=8>?4@@A> 
BA@8:4C63: 
9<:8>/ DE634@@6/ 56/
B8B46:FG 
H4C?8><6/! 
 
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