1

Raport științific

privind implementarea proiectului cu titlul:

Eng: Integrated Quantum Circuits based on non-linear waveguide Arrays

Ro: Circuite cuantice integrate bazate pe reţele de ghiduri neliniare

Acronim: INQCA

Cod Proiect: PN-II-ID-JRP-RO-FR-2014-0013

Perioada de raportare : Ianuarie – Decembrie 2016

Director de Proiect: CS II dr. ing. Sorin TAȘCU

2

Cuprins

1. Notă .............................................................................................................................................. 3

2. Activități derulate în perioada de raportare .................................................................................... 3

2.1 Fotolitografie............................................................................................................................................ 3

2.2 Depunere SiO2 ......................................................................................................................................... 4

2.3 Decupare eșantioane ............................................................................................................................... 4

2.4 Schimb protonic ....................................................................................................................................... 5

2.5 Punere în formă - Tăiere .......................................................................................................................... 5

2.6 Măsurători M-lines .................................................................................................................................. 6

2.7 Punere în formă – Șlefuire ....................................................................................................................... 6

2.7 Test de ghidare a luminii laser în ghiduri canal necuplate ...................................................................... 7

2.8 Caracterizare rețele de ghiduri cuplate ................................................................................................... 8

3. Perspective .................................................................................................................................................. 10

3

1. Notă

Având în vedere faptul că este o continuare logică și firească a raportului științific din perioada Ianuarie-

Decembrie 2015, în prezentarea activităților din acest raport vom face deseori referire la aspecte teoretice,

experimentale și tehnologice ce au fost prezentate în detaliu la momentul respectiv ne mai fiind necesară,

considerăm noi, reluarea prezentării lor în prezentul raport.

În această perioadă de derulare a proiectului, activitatea de cercetare s-a axat în special pe fabricarea și

testarea eșantioanelor a căror caracteristici geometrice și parametri de funcționare au fost identificați în

activitățile precedente. Conform programului de lucru, atât fabricarea cât și testarea acestor eșantioane s-a

făcut pas cu pas, de fiecare dată trecerea la o etapă următoare făcându-se doar după ce a fost validată

etapa precedentă. În paragrafele următoare prezentăm activitățile derulate și rezultatele obținute până în

prezent.

2. Activități derulate în perioada de raportare

Activitățile derulate în această perioadă se încadrează în Pachetul de lucru "2.2.2 WP1 – Design,

fabrication and characterization of fully integrated quantum chip platforms" a cărui coordonator este

Centrul de Cercetare Ramtech. Acest Pachet de lucru se etalează pe o perioadă de 30 de luni (T0 – T30) de

la data de începere a proiectului și este dedicat fabricării de diferite cipuri conținând ghiduri de unde optice

ce vor fi folosite în cadrul celorlalte activități prevăzute în cadrul proiectului. Scopul principal al acestei

activități este integrarea densă, pe niobatul de litiu, a surselor de perechi de fotoni cu funcții de unde

întrepătrunse și a rețelelor de ghiduri cuplate pentru manipularea avansată a stărilor cuantice și

implementarea unui simulator cuantic.

2.1 Fotolitografie

După stabilirea parametrilor de fabricare1 (ce vor conduce la obținerea de eșantioane adecvate atingerii

obiectivelor științifice propuse) și fabricarea măștii master2 (pentru fotolitografie în ultraviolet) am demarat

activitățile tehologice de transpunere în niobatul de litiu a structurilor dorite urmând pașii tehnologici

prezentați în raportul precedent3. În urma acestor procese tehnologice s-au fabricat în Centrul Ramtech un

număr de 3 plachete de niobat de litiu4 fiecare având transpuse la suprafață, într-un strat de fotorezist,

forma structurilor ghidante ce urmează a fi create în niobatul de litiu. Ca și exemplu, în Figura 1 este

prezentată o imagine de ansamblu de pe suprafața plachetelor de niobat de litiu a unor rețele de ghiduri

cuplate.

(a) (b)

Figura 1. Imagini de microscopie optică a unor zone de fotorezist structurat pe suprafața plachetelor de niobat de litiu (a) imagine de ansamblu a unor rețele de ghiduri cuplate ce prezintă din loc în loc ghiduri de injecție a luminii în rețea de ghiduri. (b) zonă reprezentând o rețea de ghiduri

cuplate având 6 µm largime și o distanță de 8 µm măsurată între marginile a două ghiduri vecine

1 A se vedea paragraful "2.1. Simulări numerice privind comportamentul rețelelor de ghiduri de undă cuplate" din Raportul Științific din anul 2015. 2 A se vedea paragraful "2.2. Design-ul şi fabricarea măștii master din crom pe suport de cuarţ" din Raportul Științific din anul 2015. 3 A se vedea paragraful "2.3. Etape tehnologice de fabricare în laborator clean-room" din Raportul Științific din anul 2015. 4 monocristal de LiNbO3 sub formă de disc Z-cut cu diametrul de aprox. 7cm și grosime de 0,5 mm furnizate de Gooch & Housego

4

Fotorezistul folosit este Shipley S1805 (din gama S1800 Microposit) grosimea stratului depus fiind de

aproximativ 630 nm așa cum rezultă din investigațiile prin SEM (Microscopie Electronică cu Baleiaj)

prezentate în Figura 2.

Figura 2. Image SEM prezentând stratul de fotorezist cu o grosime de aproximativ 630 nm.

2.2 Depunere SiO2

Aceste placuțe de niobat de litiu au fost trimise societații CILAS (Franța) care, în regim de subtretanță, a

depus pe acestea un strat subțire de SiO2 având o grosime de 150 nm. După acestă etapă tehnologică,

placuțele de niobat de litiu au revenit în centrul Ramtech unde au fost supuse procesului de Lift-off. Acest

proces a fost utilizat pentru îndepartarea fotorezistului (împreună cu stratul de SiO2) de pe zonele unde a

fost depus, lăsând în felul acesta doar un start de SiO2 doar pe zonele în care nu era fotorezist. În felul

acesta, am obținut plachete de niobat de litiu acoperite cu un strat de SiO2 care prezintă ferestre acolo

unde ne dorim să creăm structurile ghidante. Spre o mai bună întelegere prezentăm în Figura 3 schematizat

succesiunea acestor etape.

Figura 3. Schiță în secțiune transversală prezentând pașii tehnologici în procesul de fabricare de rețele de ghiduri cuplate. (I) plachetă de niobat de

litiu pe care s-a depus un strat de fotorezist. (II) plachetă de niobat și strat de fotorezist structurat în urma procesului de fotolitografie în UV. (III) Depunere de strat de SiO2. (IV) Prin procesul de Lift-off (îndepărtarea fotorezistului) se obține o plachetă de niobat de litiu

acoperită cu bioxid de siliciu ce comportă deschideri (ferestre) doar în zonele în care dorim să modificăm local indicele de refracție al niobatului în vederea obținerii de structuri ghidante.

2.3 Decupare eșantioane

După discuții purtate cu partenerii de proiect, am decis ca într-o primă etapă să decupăm din placheta

de niobat de litiu un eșantioane rectangular care sa conțină structurile de interes conform schematizării

prezentate în imaginea de mai jos (Figura 4). Acest eșantion a fost numit D1E1 și prezintă o zonă lasată

atașată în mod deliberat, aceasta servind după o tăiere post-fabricare de ghiduri pentru a face măsurători

M-lines ce permit determinarea variației indicelui de refracție n.

5

Figura 4. Zonă de decoupare (tăiere) conform liniilor albastre pentru a obține un eșantion ce conține structurile de ghiduri cuplate cât și o zonă ce va fi folosită ca și test î măsurătorile M-lines ulterioare.

Această etapă a fost urmată de etapa microstructurare (variație) locală a indicelui de refracție prin

schimb protonic folosind tehnica SPE (Soft Proton Exchange).

2.4 Schimb protonic

Schimbul protonic se realizează într-un tub de sticlă, conform schematizării din Figura 5, prin imersie

timp de 70 de ore la 300°C într-o baie de acid benzoic şi benzoat de litiu, a unui eşantion pe a cărui

suprafaţă se găsește masca de dioxid de siliciu depusă în prealabil așa cum am arătat mai sus. Înlocuirea

ionilor de litiu cu ioni de hidrogen (schimbul protonic) se realizează conform ecuaţiei:

3 1 3x xLiNbO xH H Li NbO xLi

În aceste condiţii raportul de substituire H+ ↔ Li+ nu depăşeşte 10 % acest fapt împiedicând tranziţii de

fază în raport cu substratul permiţând astfel păstrarea coeficientului neliniar. Ghidurile de unde optice

astfel fabricate prezintă o variaţie a indicelui de refracţie de tipul gradient, cu un profil de tip exponenţial în

profunzime (2,1 µm măsurat la 1/e) iar în lărgime un profil de tip gaussian cu o deschidere ce poate fi

variată la 1/e între 4 şi 8 µm. Variaţia indicelui extraordinar este de ordinul 310-2 pentru =632 nm.

Pierderile la propagare în acest tip de ghiduri sunt sub 0,5 dB/cm.

Figura 5. Schematizare a procesului de schimb protonic prin imersia eșantionului

într-o baie acidă (amestc de acid benzoic și benzoat de litiu)

2.5 Punere în formă - Tăiere

După schimbul protonic eșantioanele sunt supuse unei etape tehnologice în care are loc o tăiere a

acestora conform conform liniilor albastre (respectând axele cristalografice ale cristalului) schematizat

6

prezentate în Figura 6. Tăierea cu grad înalt de precizie se face cu un dispozitiv de tăiere pentru cristale cu

fir diamantat.

Figura 6. Decupare a eșantioanelor D1...n, E1...n și Test.

2.6 Măsurători M-lines

Pentru a caracteriza ghidurile fabricate, în special pentru a determina profilul indicelui de refracţie am

folosit tehnica liniilor luminoase (M-lines). Acesta constă în observarea în câmp îndepărtat Pe eșantionul

numit "Test" a undelor plane asociate diferitelor moduri de propagare în ghidul de undă. Cuplarea şi

decuplarea unui facicul laser în ghiduri se realizează cu ajutorul unor prisme de rutil presate pe ghid, pe

suprafața Z- aşa cum reiese din Figura7.

Figura 7. Montaj de caracterizare a ghidurilor planare de unde optice prin metoda M-lines.

La ieşirea din prisma de decuplare, se observă linii luminoase, a căror ecart unghiular în raport cu normala,

este măsurat cu ajutorul unei lunete autocolimatoare montate pe un sistem de tip goniometru. Acest unghi

caracterizează constanta de propagare a undei asociate modului de propagare, permiţând în consecinţă

măsurarea indicelui său efectiv. Valorile relative obţinute prin această metodă sunt extrem de precise

erorile fiind de ordinul 510-5.

Așadar, pe eșantionul Test am obținut prin metoda WKB inversă o variație a indicelui de refracție

n=2,36x10-2 @ 632 nm cu o profunzime de 2,57 µm, valori ce sunt într-un bun acord cu cele vizate din

punct de vedere teoretic.

2.7 Punere în formă – Șlefuire

Pentru a facilita cuplarea și decuplarea luminii laser prin muchiile de intrare și ieșire eșantioanele sunt

supuse unui proces de polizare a acestora. În acest fel se obține un unghi de 90° între suprafața

eșantionului și muchiile perpendiculare pe structurile ghidante schematizat reperezentate în Figura 8. În

D1

Test

E1

7

felul acesta se elimină orice zgârietură, spărtură sau imperfecțiune apărută în timpul procesului de tăiere și

care ar duce la dificultatea sau chiar imposibilitatea injectării (cuplării) luminii în structurile ghidante.

Decuplarea s-ar face cu dificultate deoarece imperfecțiunile muchiilor ar duce la difracția luminii și practic

la pierderea oricărei informații legate de modul de propagare a luminii în structuriloe ghidante.

Figura 8. Schematizare a structurilor de rețele de ghiduri optice cuplate

2.7 Test de ghidare a luminii laser în ghiduri canal necuplate

Testul de ghidare a luminii laser în structurile create s-a realizat folosind un montaj experimental

prezentat schematizat în Figura 9. Testul s-a realizat injectând cu ajutorul unui obiectiv de microscop

lumina laser @532 nm într-unul dintre cele 5 sau 71 ghiduri necuplate. Decuplarea la ieșirea din ghidul de

undă s-a facut de asemenea cu ajutorul unui obiectiv de microscop, lumina fiind trimisă fie către o cameră

CCD fie către un ecran2 imaginea formată pe acesta fiind analizată cu ochiul liber.

Figura 9. Schematizare a dispozitivului experimental de cuplare și decuplare a luminii laser în structurile ghidante

Așa cum reiese din Figura 10 (a), imaginea obținută pe ecran arată, pe lângă ghidarea luminii într-un ghid

canal și prezența unui ghidaj al luminii într-un ghid planar de unde optice. Dacă lumina ar fi fost ghidată

doar de un ghid canal atunci imaginea obținută ar fi trebuit sa fie ca cea din Figura 10 (b). Din păcate,

prezența unui ghid planar ne indică faptul că grosimea stratului de SiO2 nu a fost suficientă pentru a fi

impermeabil la protoni în timpul etapei de schimb protonic. Pentru a ne convinge de acest lucru, am

verificat dacă pe suprafața Z+ a eșantionului "Test" este prezent un ghid planar.

(a) (b)

Figure 10. (a) Imagine în câmp apropiat a ieșirii luminii dintr-un ghid canal. Se observă prezența unui ghidaj și într-un ghid planar (b) Ieșirea luminii dintr-un ghid canal fără prezența unui ghid planar.

1 în funcție de tipul eșantionului D sau respectiv E 2 ecran plasat în locul camerei CCD

8

Aceasta s-a realizat eliminând stratul de SiO2 de pe suparfața Z+ după care am realizat un experiment M-lines pe această suprafață. Din pacate, așa cum era de așteptat, acest test ne arătat prezența unui ghid

planar cu o variație a indicelui de refracție de n=1,1x10-2 și o adâncime de 1,72 µm. Într-o asfel de situație o singură cauză este posibilă: masca de SiO2 este permeabilă vis-a-vis de ionii de

hidrogen H+. Dacă o mască de dioxid de siliciu este permeabilă două cauze sunt posibile: fie grosimea de

150 nm nu a fost respectată de către subtretant conform cerințelor noastre; fie densificarea prin

bombardament ionic a acestui start în timpul depunerii nu asigură impermeabilitatea. În urma discuțiilor cu

partea subtretantă cât și a masurătorilor de grosime a stratului realizate prin MEB în cadrul Centrului

Ramtech am constatat că subtretanul a respectat cerințele noastre, startul avand 150 nm grosime. În

aceast caz concluzia pe acre am tras-o este că: pentru a putea fi impermeabil vis-a-vis de ionii de hidrogen

H+ stratul de dioxid de siliciu ar trebui sa fie mai gros cu aproximativ 100 nm.

Concluzie: Fabricarea de noi eșantioane conform tuturor pașilor tehnologici de la etapa 2.1 până la

etapa 2.7 cu un singur parametru schimbat și anume grosimea stratului de SiO2 depus în etapa 2.2 pasul III

conform Figurii 3.

Noile eșantioane fabricate prezintă în totalitate toți parametrii vizați și anume: variația indicelui de

refracție n este de 2,32x10-2 @632,8 nm cu o adâncime de 2,54 µm modurile ghidate fiind de tip TM.

Dupa etapa de șlefuire eșantioanele aveau lungimi cuprinse între L = 8,7 - 9.5mm. Testele de ghidaj optic au

fost trecute cu brio, în Figura 11 fiind prezentate forma și dimensiunile modului pe orizontală și verticală

obținute la lungimea de undă de interes de 1550 nm folosind o cameră CCD conform montajului

experimental din Figura 9

(a) (b) (c)

Figura 11. Forma și dimensiunile modului optic la ieșirea dintr-un ghid canal în care a fost injectat un fasciul laser cu lungimea de undă de 1550 nm

Concluzie: fiecare etapă din procesul de fabricare și caracterizare preliminară a fost validată astfel încât

putem trece la etapa următoare și anume la caracterizarea comportamentul rețelelor de ghiduri cuplate.

2.8 Caracterizare rețele de ghiduri cuplate

Caracterizarea rețelelor de ghiduri cuplate a fost realizată de către partenerul din Paris și anume

Laboratoire de Photonique et Nanostructures. Folosind un montaj experimental asemnător cu cel prezentat

în Figura 9 rezultatele obținute prin injectia unui fascicul laser în diverse structuri de ghiduri cuplate

(diferențele între structuri fiind fie lărgimea ghidurilor de 6 respectiv 8 µm fie distanța de separare S între

ghidurile aceleși structuri). Un exemplu de rezultat este cel din Figura 12 in care este prezentat o

succesiune de imagini alăturate obținute pentru structuri de rețele de ghiduri cuplate pentru care lărgimea

unui ghid este aceeași L= 8 µm iar distanța S între ghiduri ia valori cuprinse între 11 și respectiv 16 µm.

9

Figura 12. Imagini obținute la ieșirea din structurile ghidante a luminii laser înjectată în structuri cu distanțe diferite între ghiduri

Acestă variație a distanței dintre ghiduri se regăsește într-o variație a cuplajului dintre ghiduri și anume

ghidurile mai apropiate sunt mai cuplate decât cele mai întdepărtate. Profilurile obținute experimental sunt

comparate cu cele modelizate teoretic prin CMT și prezentate în Figura 13. Se observă un foarte bun acord

între profilurile obținute experimental și cele obținute prin simulare numerică, mai ales în cazul unui cuplaj

slab.

Figura 13. Comparație între profilurile experimentale (roșu) la ieșirea din structurile ghidante și

profilurile teoretice (albastru) opținute prin simulări numerice

Prin deplasarea injecției fasciculului laser se poate verifica omogeneitatea rețelelor de ghiduri în

comparație cu o rețea perfectă modelizată anterior. Rezultatele sunt prezentate în Figura 14 și arată că

structurile sunt omogene, profilul la ieșirea din structuri fiind constant oricare ar fi ghidul de injecție (mici

excepții pentru pentru ghidurile ce prezintă imperfecțiuni cauzate de manipularea eșantioanelor și

inducerea de mici defecte pe muchiile de ieșire

10

Figura14 Profilulul întensității la ieșirea din structurile ghidante atunci

când se deplasează injecția la intrarea în aceste structuri.

Concluziile care se desprind în urma rezultatelor caracterizării experimentale realizate de partenerul din

Paris sunt de natură să confirme ceea ce așteptam ca și răspuns optic din partea acestor eșantioane. S-a

observat că variația cuplajului este exponențială cu perioada S, avem o bună omogeneitate a ghidurilor în

cadrul structurilor și o dinamică a coeficientului de cuplaj în bun acord cu un regim rezonabil CMT.

3. Perspective

În aceste condiți s-a decis fabricarea de structuri mult mai complexe care să prezinte proprietăți

funcționalizate. După consultări cu partenerii din Franța am decis conceperea unei noi maști master pentru

fotolitografia în UV care să ne permită fabricarea în niobatul de litiu a unor structuri mult mai complexe ce

vor permite un cuplaj adiabatic între ghiduri. Pentru aceste noi structuri am decis și activarea neliniarității

materialului pentru a putea observa comportamentul și puterea de separare a fotonilor pompă de cei ai

unei perechi de fotoni creată în zona de inversie a domeniilor feroelectrice.

Director proiect,

CS II Dr. Ing. Sorin TAŞCU