1

Raport științific final

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

Perioada de raportare : Ianuarie 2015 – Decembrie 2017

Director de Proiect

CS II Dr. Ing. Sorin TAȘCU

2

Cuprins

1. Obiective vizate .............................................................................................................................. 3

2. Activități derulate în perioada Ianuarie – Decembrie 2015 ............................................................... 3

2.1. Simulări numerice privind comportamentul rețelelor de ghiduri de undă cuplate ..................... 4

2.2. Design-ul şi fabricarea măștii master din crom pe suport de cuarţ ............................................ 8

2.3. Etape tehnologice de fabricare în laborator clean-room ........................................................... 9

3. Activități derulate în perioada Ianuarie – Decembrie 2016 ................................................................. 10

3.1 Fotolitografie UV ......................................................................................................................... 10

3.2 Depunere mască SiO2 .................................................................................................................. 11

3.3 Decupare eșantioane ................................................................................................................... 12

3.4 Fabricare ghiduri de undă - Schimb protonic................................................................................. 12

3.5 Punere în formă - Tăiere .............................................................................................................. 13

3.6 Măsurători M-lines - determinarea variației indicelui de refracție ................................................. 13

3.7 Punere în formă – Șlefuire ........................................................................................................... 14

3.8 Test de ghidare a luminii laser în ghiduri canal necuplate ............................................................. 15

3.9 Caracterizare rețele de ghiduri cuplate ......................................................................................... 17

4. Activitati derulate în perioada Ianuarie – Decembrie 2017 ................................................................. 18

4.1. Fabricare rețele de ghiduri cuplate .............................................................................................. 19

4.2. Cuplor adiabatic - design şi fabricare ........................................................................................... 19

4.2.1. Cuplor adiabatic - caracterizare ............................................................................................ 21

4.3. Integrarea densă de surse de fotoni şi de reţele de ghiduri de undă cuplate ................................. 23

4.3.1 Quasi-acordul de fază ............................................................................................................ 23

4.3.2. Generarea perechilor de fotoni cu funcții de undă întrepătrunse - degenerescență ................ 26

4.3.3. Fabricare de substraturi PPLN............................................................................................... 27

4.3.4. Fabricare de structuri ghidante dense pe substrat PPLN ........................................................ 28

5. Perspective ....................................................................................................................................... 29

3

1. Obiective vizate

"Quantum information science" este un domeniu de cercetare ce a stabilit noi referinţe în

materie de tratare şi comunicare a informaţiei. Într-adevar, utilizarea sistemelor cuantice permite

atât creşterea securităţii protocoalelor de schimb de date cât şi capacitatea de calcul. Astăzi,

aceast domeniu este suficient de matur pentru a se orienta către veritabile aplicaţii cuantice

legate de simularea cuantică, chimia cuantică, sisteme de criptaj cuantic şi metrologie. În această

perspectivă în care, evoluţia dispozitivelor cuantice este strâns legată de performanţe, de

reconfigurabilitate şi de fiabilitate, fotonica cuantică integrată pe un singur cip prezintă un

potenţial enorm pentru generarea şi tratarea informaţiei cuantice. Acest potenţial a fost deja

demonstrat, mai ales, prin realizarea de surse ultra-eficiente de perechi de fotoni şi manipularea,

simplă, a stărilor cuantice ale fotonilor. În acest context, proiectul INQCA îşi propune realizarea şi

optimizarea de circuite cuantice integrate pe cipuri de niobat de litiu, ce vor permite o

complexitate şi o flexibilitate fără egal în termeni de capacitate de calcul, a numărului de stări la

intrare şi de configurare a proprietăţilor cuantice. Obiectivul major al proiectului constă în

integrarea densă de surse de fotoni şi de reţele de ghiduri de undă cuplate şi funcţionalizate,

permiţând crearea şi tratatrea de stări cuantice fotonice descrise prin: scară largă, flexibilitate şi

fiabilitate. Mai precis, principalele obiective sunt: observarea pe cip a efectelor de coalescenţă şi

de rutaj cuantic, simularea de operatori cuantici folosind o configuraţie adecvată a constantelor de

cuplaj între ghidurile reţelei, generarea la scară largă (la un număr mare de fotoni) a funcţiilor de

undă întrepătrunse. Pe de altă parte, reţelele fotonice cuplate suportă unde extinse spaţial ce se

propagă şi interferă de-a lungul reţelei. Ne propunem să exploatăm aceste unde extinse pentru a

manaipula, la dimensiuni extinse, stările mai multor fotoni.

2. Activități derulate în perioada Ianuarie – Decembrie 2015

Într-o prima etapă deimplementare a proiectului, activitatea de cercetare s-a axat pe

identificarea parametrilor de fabricare a eșantioanelor ce trebuie să corespundă unor

caracteristici de funcționare extrem de precise, conform cerinţelor experimentelor ce urmează a fi

dezvoltate. Conform programului de lucru, identificarea acestor parametrii se face pas cu pas,

fiecare funcție optică (sau electro-optică) fiind integrată treptat pe masură ce se validează

precedenta funcție integrată pe cipul de niobat de litiu. Activitățile derulate 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. Această

activitate se etalează pe o perioadă de 30 de luni (T0 – T36)1 de la data de începere a proiectului.

Această activitate este dedicată 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 stărilor cuantice

și implementarea unui simulator cuantic.

1 Echipa din Franța a prelungit perioada de implementare a proiectului la 4 ani, adică până la finalul anului 2018. Din

acest motiv perioada prevazută inițial T0-T30 a fost extinsă la T0-T36 pentru echipa din România.

4

Pentru a evita orice problemă în metodologia de lucru, adică orice neconcordanță între

obiectivele științifice fixate și derularea etapelor de fabricare a eșantioanelor, s-a recurs, într-o

primă fază, la stabilirea unor parametri de fabricare ce vor conduce la obținerea de eșantioane

adecvate atingerii obiectivelor științifice propuse.

În urma discuțiilor științifice purtate cu toți partenerii implicați în proiect, s-a decis că, pentru a

obține rezultatele dorite, este important ca fabricarea structurilor să se facă în etape, în fiecare din

acestea urmând a fi validată o serie de parametrii experimentali care să conducă în final la

obținerea rezultatelor vizate. În felul acesta s-a prioritizat un prim aspect important pentru

atingerea obiectivelor propuse și anume identificarea parametrilor structurilor de rețele de ghiduri

cuplate și validarea lor experimentală. Aceasta se va realiza într-o primă fază fără a activa

neliniaritatea materialului și fără a recurge la ajustarea cuplajului dintre ghiduri prin efect electro-

optic1. Lucrând în strânsă colaborare cu partenerii din Franța, s-au conceput primele structuri de

rețele de ghiduri cuplate. În acest sens, au fost efectuate calcule numerice care să simuleze

comportamentul rețelelor de ghiduri cuplate. Prin ajustarea parametrilor cum ar fi: distanța dintre

ghiduri, lărgimea ghidurilor, variația indicelui de refracție (Δn), etc. s-au putut identifica rețele

având comportamentul vizat de obiectivele propuse în cadrul proiectului.

Transpunerea în niobatul de litiu a modelelor de structuri rezultate în cadrul simularilor se face

în mai multe etape tehnologice. Într-o primă etapă s-a conceput și realizat design-ul unei măști

master de fotolitografie fabricată din crom pe substrat de cuarț, aceasta conținând modelul

structurilor de rețele de ghiduri de unde optice ce urmează a fi transpuse în niobatul de litiu.

Modul în care s-au identificat anumiți parametrii, rezultatele numerice oținute, conceperea

măștii master, cât și primele etape tehnologice în procesul de fabricare a eșantioanelor este expus

în paragrafele următoare.

2.1. Simulări numerice privind comportamentul rețelelor de ghiduri de undă cuplate

Design-ul măștii master (în crom pe substart de cuarț) pentru o primă serie de eșantioane a fost

un proces complex deoarece a presupus luarea în considerație, simultan, a unor constrângeri fie

de ordin tehnologic și experimental, cât și ale unora ce țin strict de procesul de simulare numerică

a comportamentului unor rețele de ghiduri de unde cuplate.

Scopul principal al acestei etape a fost încorporarea pe o mască master a cât mai multor

configurații de rețele de ghiduri cuplate prin combinarea parametrilor caracteristici acestor tipuri

de structuri. Astfel, este permisă atât testarea limitelor tehnologice de transpunere în niobatul de

litiu a acestor structuri, cât și testarea limitelor experimentale (de funcționare a acestor

structurilor ). În felul acesta putem valida care sunt tipurile de structuri ce vor fi folosite în etapele

următoare, cât și dificultățile de ordin tehnologic pe care le vom întâmpina în procesul de

fabricare a structurilor finale care vor fi folosite pentru îndeplinirea obiectivelor proiectului INQCA.

În această perioadă eforturile noastre s-au axat în principal pe simulări numerice statice, i.e. a

modurilor proprii de propagare ale unor rețele de ghiduri de undă cuplate simple, adică fară

activarea neliniarității materialului și nici a proprietăților electro-optice. Aceste simulări s-au făcut

1 aceste proprietăți urmând a fi folosite în etape ulterioare

5

utilizând Metoda Elementului Finit1 structura de ghiduri fiind discretizată într-un număr mare de

elemente/noduri și pentru care s-au rezolvat ecuațiile lui Maxwell. Propagarea undelor

electromagnetice în astfel de structuri depinde de mai mulți parametrii, cei mai importanți fiind:

lungimea de undă a radiației electromagnetice (λ); lărgimea ghidului (d); distanța dintre ghiduri

(s); contrastul (variația) de indice de refracție (Δn); condițiile de cuplaj injectie, i.e. lărgimea

fasciculului injectat (w) și vectorul kx (unghiul sub care este lansat fasciculul în raport cu suprafața

de intrare în ghiduri). Prezentăm în continuare câteva rezultate (imagini și grafice reprezentative)

care ilustrează influența acestora asupra comportamentului structurilor de rețele de ghiduri de

undă cuplate și implicațiile lor de natură experimentală și tehnologică (de fabricare a unor astfel

de structuri). Astfel :

Lungimea de undă (λ) are o influență directă atât în stabilirea lungimii de cuplaj Lc dar și în

eficiența proceselor neliniare care se vor pune în evindeță în etape ulterioare. Având în vedere că

urmărim și posibilele aplicații ale acestor rețele de ghiduri în domeniul telecomunicațiilor,

simulările au fost realizate la lungimea de undă de 1550 nm. Prezentăm în Figura 1 două moduri

colective (supermoduri) care pot aparea în practică într-o rețea cu 7 ghiduri de undă cuplate.

Figura 1. Supermodul fundamental (sus) și al treilea supermod de ordin superior la λ=1550 nm al unui sistem de 7 ghiduri cuplate distanțate de 10 µm și cu lărgime de 2 µm.

Este important să notăm că rezultatele simulărilor numerice descriu cu atât mai bine realitatea cu

cât sunt luate în considerare mai multe ghiduri și cu cât discretizarea rețelei este mai fină.

Problema care apare spre exemplu la distanțe între ghiduri de 10 µm, este aceea că discretizarea

structurii conține un număr foarte mare de noduri (de ordinul 106), ceea ce face foarte dificil

calculul numeric2. Este nevoie deci de un compromis între limitele capacităților de simulare și

relevanța rezultatelor obținute.

Largimea ghidului (d) dictează în principal numărul de moduri proprii într-un ghid. Dacă

lărgimea ghidului este prea mare în raport cu lungimea de undă λ, atunci ghidul suportă și moduri

de ordin superior (Figura 2), ceea ce nu este de dorit în practică (apar de exemplu pierderi

suplimentare).

1 s-a utilizat softul comercial Comsol 2 Necesită resurse importante de ordin informatic și timp îndelungat de calcul

6

Figura 2. Modul fundamental (dreapta) și primul mod de ordin superior (stânga) al unui ghid larg de 4 µm la o lungime de undă λ=980nm

Având în vedere că lungimea de undă la care vom urmări fenomenele este λ=1550 nm, am ales

să fabricăm structuri conținând două tipuri de rețele de ghiduri de undă cuplate: rețele ale căror

ghiduri au lărgimi d=6 µm și rețele conținând ghiduri cu lărgimi de respectiv 8 µm.

Distanța dintre ghiduri (s) este cea care dictează în principal lungimea de cuplaj Lc (distanța

necesară transferului complet de energie de la un ghid la vecinii lui). Influența acestui parametru

se evidențiază cel mai bine în forma curbelor de dispersie, prezentate cu titlu de exemplu în Figura

3. Aceste curbe sunt importante deoarece furnizează informații despre direcția și divergența

fascicolului care se propagă. O altă informație care se desprinde din aceste curbe este despre

regimul cuplajului, acesta poate fi slab, caz în care conteaza doar vecinii de ordin 1, sau puternic,

caz în care contează și vecinii de ordin 2).

Figura 3. Curbe de dispersie pentru un sistem de 7 ghiduri de lărgime 6µm, contrast Δn = 0,018 și distanța

dintre ghiduri de 8, 9, 11 și respectiv 12 µm.

Concluzia este următoarea: cu cât ghidurile sunt mai apropiate, cu atât forma curbelor se

depărtează de cea a unor funcții cosinus caracteristice cuplajului slab. În practică, inconvenientul

ar fi că un astfel de cuplaj necesită distanțe mai mari de propagare, ori în realitate acestea sunt

limitate tehnologic la câțiva centimetri. Deci avem de făcut, și în acest caz, un compromis.

Contrastul de indice de refracție (Δn) este un parametru ce influențează în principal numărul și

gradul de confinare a modurilor cât și cuplajul între ghiduri. S-au făcut simulări numerice luând în

7

considerare valori alei lui Δn care pot fi obținute în practică prin metoda ce va fi folosită la

fabricarea acestor tip de structuri. Astfel, prezentăm mai jos pentru două valori ale lui Δn, și

anume 0,018 si 0,036, o sinteză a rezultatelor sub forma dependenței constantei de cuplaj C=π/2Lc

de distanța dintre ghiduri și lărgimea ghidurilor.

Figura 4. Constanta de cuplaj (C=π/2Lc) în funcţie de distanța între ghiduri s, constrastul de indice de refracție Δn și lărgimea ghidurilor d.

Condițiile de injectare a luminii sunt foarte importante mai ales din punct de vedere

experimental. Printre factorii determinanți enumerăm lărgimea fasciculului injectat (w) și unghiul

sub care acesta este injectat. Acești parametri influențează decisiv complexitatea propagării

luminii în aceste structuri și forma finală a distribuției luminii la ieșirea din structură. Această

influență este cel mai bine pusă în evidență prin simulari dinamice, i.e. simulari ale propagării

luminii prin metoda de tipul Runge-Kutta sau BPM. În Figura 5 prezentăm două cazuri foarte des

întâlnite în practică și anume: injectarea punctuală într-un singur ghid și respectiv injectarea unui

fascicul larg (w >> s) în cazul paralel cu direcția ghidurilor (kx=0) și respectiv a cuplajului oblic la o

valoare particulară1 kx=π/2.

Figura 5. Simulări numerice de tip Runge-Kutta, pentru diverse condiții de injectare, ale propagării luminii într-o rețea

de ghiduri cuplate: injecție punctuală (stânga), injecție normală (paralelă cu ghidurile, kx=0) a unui fascicul larg (centru)

și respectiv injecție oblica ( kx=π/2) a unui fascicul larg.

1 ceea ce corespunde, conform teoriei excitării, unei unde non-diveregente

8

După cum se poate observa, distribuția radiației electromagnetice (luminii) la ieșirea din structură

este puternic dependentă de condițiile de injectare. În urma rezultatelor obținute prin simulări

numerice și ținând cont de diferite constrângeri de natură experimentală, s-a decis fabricarea unei

măști master din crom pe suport de cuarț care să conțină modele de rețele de ghiduri de unde

cuplate. S-a decis folosirea unor lărgimi ale ghidurilor de 6 µm și respectiv 8 µm, iar distanțele

între ghiduri fiind între 8 µm și 12 µm.

2.2. Design-ul şi fabricarea măștii master din crom pe suport de cuarţ

După identificarea valorilor parametrilor geometrici și luarea în calcul a unor deviații inerente în

procesele de tehnologice de fabricare a structurilor de rețelelor de ghiduri, s-a trecut la etapa de

desenare a planului măști master. Pentru aceasta s-a folosit soft-ul Klayout, ce permite desenarea

și generarea de fișiere ce pot fi transpuse în crom pe substrat de cuarț. Dimensiunile structurilor

desenate trebuie sa fie compatibile cu plachetele de niobat de litiu disponibile în comerț acestea

având diametre de 3 inch. Planul general al măștii este prezentat în Figura 6, acesta conținând la

scară microscopică structuri de rețele de ghiduri de undă cuplate (zonele hașurate în culoare

roșie), în Figura 7 fiind prezentată masca master din crom pe substart de cuarţ. Au fost desenate

structuri identice atât ca lărgime sau lungime dar și ca repartiție spațială și/sau a numărului de

ghiduri. Acest aspect a fost luat în considerare ținând cont de erorile inerente ale etapelor

tehologice de transpunere în niobatul de litiu a structurilor dorite. Orice parametru poate fi

transpus în practică cu o valoare a cărei precizie este de ± o anumită eroare. Ținând cont de toate

erorile de acest tip care pot să apară la fiecare etapă tehologică, au fost desenate structuri care să

conțină combinații ale tuturor parametrilor, astfel încât, la apariția unei erori1 efectele ei asupra

unei structuri să poată fi compensate de o altă structură similară.

Figura 6. Vedere de ansamblu (stânga) a planului măștii master și exemplu schematic (dreapta) a unui tip de

structură de ghiduri de undă cuplate.

1 dacă apare o eroare în procesele de fabricarea , aceasta va afecta totalitatea structurilor și nu doar punctual o anumită structură

9

Figura 7. Mască master din crom pe suport de cuarţ ce conţine structuri de reţele de ghiduri de undă cuplate

2.3. Etape tehnologice de fabricare în laborator clean-room

Fabricarea măștii master (crom pe suport de cuarț) a fost realizată de către Photronics LTD

conform planului general prezentat în Figura 6, în condiții de laborator clean-room (cameră

curată). Din acest moment este necesar lucrul în acest tip de laborator deoarece, cont ținând de

dimensiunile micrometrice ale ghidurilor și a distanțelor dinte ele, particulele de praf prezente în

atmosferă necontrolată1 ar perturba procesele de transpunere pe niobatul de litiu a modelelor de

structuri de rețele de ghiduri așa cum au fost concepute în etapele precedente.

Procesul transfer de fabricare, desfășurat în laboratorul clean-room din cadrul centrului RAMTECH,

presupune desfășurarea câtorva etape distincte:

a) curățarea plachetelor/waferelor de NbLiO3;

b) depunere fotorezistului;

c) expunerea la lumină UV;

d) developarea.

a) Curăţarea plachetelor de LiNbO3 este o etapă necesară pentru a îndepărta orice tip de

contaminant (praf, grasime, etc) de pe suprafața plachetelor de LiNbO3. Acestea sunt

curățate în baie de ultrasunete, succesiv în acetonă, alcool isopropilic și soluție de apă cu

săpun tehnic iar la final sunt clătite cu apă distilată și uscate cu jet de aer.

b) Depunerea stratului de fotorezist S1805 se face utilizând tehnica spin coting (RCD8 Suss

MicroTec). În prealabil, pentru a îmbunătăți aderența fotorezistului la suprafața plachetelor

de LiNbO3 se aplică un "promotor de aderență" (primer), acesta îndepărtând orice urmă de

umiditate. Pentru obţinerea unui strat de fotorezist cu grosime de aproximativ 600 nm, o

serie de teste au fost necesare, în final oprindu-ne la o viteză de rotaţie de 3500 rot/min

timp de 3 s şi o acceleraţie de 3000 rot/minut/s. După depunerea stratului de fotorezist se

efectuează un tratament termic, la temperatura de 120 0C, timp de 30 minute, acest

1 atmosferă dintr-un laborator în care condițiile sunt cele normale conține aproximativ de 105 ori mai multe particule cu dimensiuni > 0,5µm decât

un laborator clean-room de clasă ISO 5.

10

tratament fiind necesar pentru îndepartarea excesului de solvent din fotorezist şi întărirea

acestuia.

c) După efectuarea tratamentului termic, ansamblul fotorezist/LiNbO3 este expus la lumină

UV (λ=436 nm), prin intermediul măștii master, folosind un dispozitiv de fotolitografie şi

aliniere de maşti (MJB4 Suss MicroTec). Expunerea la lumină produce modificări chimice

locale (acolo unde fotorezistul nu a fost protejat) care permit ulterior îndepărtarea

controlată a fotorezistului de pe placheta de LiNbO3, în urma folosirii unui developer. Au

fost efectuate teste cu scopul de a identifica tipul de contact (soft contact, hard contact,

vacuum contact, ..) între masca master și ansamblul fotorezist/LiNbO3 astfel încât

transferul de modele de pe masca master să se realizeze cu înaltă fidelitate pe fotorezistul

de pe suprafața plachetelor de LiNbO3.

d) Îndepărtarea controlată a fotorezistului de pe placheta de LiNbO3 se face prin imersia

acesteia într-un developer. Astfel va fi îndepărtat de o manieră controlată fotorezistul de

pe zonele ce nu au fost protejate de acţiunea luminii UV.

3. Activități derulate în perioada Ianuarie – Decembrie 2016

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. 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.

Activitățile derulate vizează fabricarea 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.

3.1 Fotolitografie UV

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 anterior. În urma acestor procese tehnologice s-au

fabricat în Centrul Ramtech un număr de 3 plachete de niobat de litiu3 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 8 este prezentată o imagine de ansamblu de pe suprafața

plachetelor de niobat de litiu a unor rețele de ghiduri cuplate.

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 monocristal de LiNbO3 sub formă de disc Z-cut cu diametrul de aprox. 7cm și grosime de 0,5 mm furnizate de Gooch & Housego

11

(a) (b)

Figura 8. 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

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 9.

Figura 9. Image SEM prezentând stratul de fotorezist cu o grosime de aproximativ 630 nm.

3.2 Depunere mască 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 10 schematizat succesiunea acestor etape.

12

Figura 10. 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.

3.3 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 11). 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.

Figura 11. 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).

3.4 Fabricare ghiduri de undă - Schimb protonic

Schimbul protonic se realizează într-un tub de sticlă, conform schematizării din Figura 12, prin

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

13

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 12. Schematizare a procesului de schimb protonic prin imersia eșantionului

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

3.5 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 prezentate în Figura 13. Tăierea cu grad înalt de precizie se face cu un dispozitiv de

tăiere pentru cristale cu fir diamantat.

Figura 13. Decupare a eșantioanelor D1...n, E1...n și Test.

3.6 Măsurători M-lines - determinarea variației indicelui de refracție

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

D1

Test

E1

14

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 Figura14.

Figura 14. 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.

3.7 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 15.

Figura 15. Schematizare a structurilor de rețele de ghiduri optice cuplate

15

În 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.

3.8 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 16. 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 16. Schematizare a dispozitivului experimental de cuplare și decuplare a luminii laser în structurile ghidante

Așa cum reiese din Figura 17 (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 17

(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 17. (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

16

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: Se impune fabricarea de noi eșantioane conform tuturor pașilor tehnologici de la

etapa 3.1 până la etapa 3.7 cu un singur parametru schimbat și anume grosimea stratului de SiO2

depus în etapa 3.2 pasul III conform Figurii 10.

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 18 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 16

(a) (b) (c)

Figura 18. 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.

17

3.9 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 16 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

19 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.

Figura 19. 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 20. Se

observă un foarte bun acord între profilurile obținute experimental și cele obținute prin simulare

numerică, mai ales în cazul unui cuplaj slab.

Figura 20. Comparație între profilurile experimentale (roșu) la ieșirea din structurile ghidante și

profilurile teoretice (albastru) opținute prin simulări numerice

18

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 21 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

Figura21 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.

4. Activitati derulate în perioada Ianuarie – Decembrie 2017

În această perioadă de derulare a proiectului, pe de o parte am continuat activitățile începute în

special fabricarea și testarea eșantioanelor posedând funcții optice ce urmează a fi implementate

in cipuri complexe iar pe de alta parte am 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

19

comportamentul și puterea de separare a fotonilor pompă de cei ai unei perechi de fotoni creată

în zona de inversie a domeniilor feroelectrice.

4.1. Fabricare rețele de ghiduri cuplate

După discuții purtate cu partenerii de proiect, am decis să continuăm testele începute în etapa

precedentă și să decupăm din placheta de niobat de litiu eșantioane rectangulare care sa conțină

structurile de interes conform schematizării prezentate în imaginea de mai jos (Figura 22).

Figura 22. Zonă de decoupare (tăiere) conform liniilor albastre pentru a obține un eșantion ce conține structurile de

ghiduri cuplate.

Aceste eșantioane au fost denumite D3, E3 și E1bis și au fost fabricate și testate și folosind pașii

tehnologici și metodele de analiză descrise în paragraful 3. A u fost modificate doar variația

indicelui de refracție n @ 632 nm și adâncimea ghidului. Așadar, eșantionul E1bis prezintă o

variație a indicelui de refracție n=2,39x10-2 @ 632 nm cu o profunzime de 2,47 µm. Eșantioanele

D3 și E3 au fost fabricate cu aceeași parametrii și anume n=2,29x10-2 @ 632 nm cu o profunzime

de 2,37 µm.

4.2. Cuplor adiabatic - design şi fabricare

In același timp, după consultări cu partenerii din Franța am decis conceperea și fabricarea în

niobatul de litiu a unor structuri mult mai complexe care să prezinte proprietăți funcționalizate și

anume trece controlată a luminii de la un ghid la altul prin cuplaj adiabatic între ghiduri. Pentru

aceste noi structuri am decis și activarea neliniarității materialului pentru a putea crea fotoni cu

funcții de unde întrepătrunse și observa comportamentul acestora. Pentru punerea în practică e

nevoie de această dată de două măști master, una destinată pentru fotolitografia în UV și

transpunerea în niobatul de litiu a structurilor de tip cuplor adiabatic, iar o a doua necesară pentru

crearea în niobatul de litiu a unor zone în care domeniile feroelectrice prezintă o inversie

periodică, activănd în felul acesta neliniaritatea substratului.

Lucrând în strânsă colaborare cu partenerii din Franța, s-au conceput primele structuri de

cuploare adiabatice schematic reprezentate în Figura 23. În acest sens, au fost efectuate calcule

numerice care să simuleze comportamentul acestora luând în considerare parametrii de cuplaj

stabiliți în etapele precedente. Prin ajustarea parametrilor cum ar fi: unghiuri de separare (θ),

distanța de separare (d) și lungimea de cuplaj (L), s-au putut identifica structuri funcționale având

comportamentul vizat de obiectivele propuse în cadrul proiectului.

D1

Test

E1

D1 bis

E1 bis

D3

E3

20

Figura 23. Schematizarea unui cuplor adiabatic ce permite transferul de lumină de la un ghid la altul. Regiunile

marcate defecte indică faptul că în aceste zone este posibilă apariția de imperfețiuni în timpul fotolitografiei dar care

nu vor afecat rezultatele finale datorită faptului ca sunt slab cuplate din punct de vedere optic.

Folosind acest concept am realizat diverse structuri ce vor permite testarea si caracterizarea

diferitelor cuploare și determinarea unor parametrii specifici.

Cuplor adiabatic cu injecție separată, schematic reprezentat în Figura 24 ce permite

optimizarea unghiului și a distanței de separare cât și a lungimii de cuplaj.

Figura 24. Schematizarea unui cuplor adiabatic cu injecție separată

Cuplor adiabatic cu zonă PPLN (periodically poled lithium niobate) la intrarea în structura

cuplorului schematic reprezentat în Figura 25, ce permite separarea fotonilor pompă de

fotonii creați în zona cu neliniaritate activată (PPLN).

Figura 25. Schematizarea unui cuplor adiabatic cu zonă PPLN

Generator de stări de tip NOON schematic reprezentat în Figura 26 prezentând zone PPLN atât

la intrare cât și la ieșirea din cuplor. Idea e de a crea perechi de fotoni cu funcții de undă

intrepătrunse prin generarea în superpoziție de fotoni înainte/după cuplorul adiabatic.

Figura 26. Schematizarea unui generator de stari de tip NOON. Cuplor adiabatic cu zone PPLN

la intrara și ieșirea dintr-un cuplor adiabatic

21

Transpunerea în niobatul de litiu a modelelor de structuri rezultate în cadrul simularilor se face

în mai multe etape tehnologice. Într-o primă etapă s-a conceput și realizat design-ul unei măști

master de fotolitografie fabricată din crom pe suport de cuarț, aceasta conținând modelul

structurilor de cuploare de unde optice ce urmează a fi transpuse în niobatul de litiu in care am

activat neliniaritatea (zone PPLN). Crearea în niobatul de litiu de structuri periodice cu domenii

feroelectrice inversate în vederea activării neliniarității a presupus crearea unei maști master din

crom pe suport de cuarț și transferul acesteia, prin fotolitografie UV, într-un strat de rașină

dielectrică depus în prealabil pe suprafața substratului de niobat de litiu. Etapele de transfer

mască crom-strat rășină dielectrică sunt cele descrise în paragraful 2.3 cu diferența că de această

dată fotorezistul (rășina dielectrică) folosit este S1818, depus în strat cu grosime de 2µm. Dupa

etapa de fotolitografie UV, inversia domeniilor feroelectrice se face prin aplicarea unui câmp

electric extern1. Dupa transpunerea în niobatul de litiu a zonelor PPLN vom transpune și

suprapune peste acestea structurile de cuploare adiabatice. Etapele sunt aceleași ca și cele

descrise în paragraful 2.3. cu mențiunea ca vom face o aliniere a structurilor PPLN cu structurile de

cuploare în momentul fotolitografierii UV. Apoi urmează toate etapele tehnologice descrise în

paragrafele 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6 și 3.7.

4.2.1. Cuplor adiabatic - caracterizare Analiza comportamentului cuploarelor adiabatice se face utilizând Teoria Modurilor Cuplate și

luând în considerare cuplajul dintre doua ghiduri. In Figura 27 prezentăm evoluția intensității

luminii in brațele unui cuplor adiabatic fabricat în cadrul proiectului, dar pentru care neliniaritatea

substratului nu a fost activate.

Figura 27. Evoluția intensității într-un cuplor adiabatic pe substart de niobat de litiu cu neliniaritate neactivată.

In urma analizelor efectuate și a identificării comportamentului acestui tip de structură s-au

demarat investigațiile pe structuri cu neliniaritate activată. Astfel, intr-un cuplor adiabatic cu zonă

1 Asupra acestui aspect vom reveni in paragarful urmator

22

PPLN s-a studiat separarea fotonilor pompă de fotonii creați în zona cu neliniaritate activată

(PPLN). In Figura 28 sunt prezentate rezultatele obținute pentru cuploare avand distanțe de

separare d=19 µm și respectiv d=21 µm, pentru care am variat lungimea de undă pompă în brațul

de înjectie. In felul acesta am identificat configurația pentru care avem atăt o eficacitate mare la

crearea de perechi de fotoni cât și o mai buna separare a lor de fotonii pompă.

d=19 µm, =0,03, L 15 mm d=21 µm, =0,03, L 15 mm

Figura 28. Evoluția intensităților pompă și semnal la ieșirile dintr-un cuplor adiabatic pe substart de niobat de litiu cu neliniaritate activată în zona de injecție a pompei.

Se observă că variind lungimea de undă pompă se modifică intenitătile fasciculelor la ieșirea din

cuplorul adiabatic, eficiența cuplorului fiind maximă pentru o distanța de separare d=19 µm și la

λpompă=1530 nm. In Figura 29 sunt prezentate rezultatele obținute pe pe structuri de cuploare

adiabatice pentru distanțe de

23

Figura 29. Evoluția intensităților pompă la ieșirea dintr-un cuplor adiabatic pe substrat de niobat de litiu cu neliniaritate activată pentru diferite valori ale variației indicelui de refracție în ghidurile

de undă și pentru diferite valori a distanței de separare.

separare d variind între 19-22 µm pentru două valori a variației indicelui de refrație în ghidurile de

undă și anume Δn=2,11×10-2 și respectiv Δn=2,36×10-2.

4.3. Integrarea densă de surse de fotoni şi de reţele de ghiduri de undă cuplate

Așa cum menționam la începutul acestui raport, obiectivul declarat al proiectul INQCA este

realizarea şi optimizarea de circuite cuantice integrate pe cipuri de niobat de litiu, ce vor permite o

complexitate şi o flexibilitate fără egal în termeni de capacitate de calcul, a numărului de stări la

intrare şi de configurare a proprietăţilor cuantice. Obiectivul major al proiectului constă în

integrarea densă de surse de fotoni şi de reţele de ghiduri de undă cuplate şi funcţionalizate,

permiţând crearea şi tratatrea de stări cuantice fotonice descrise prin: scară largă, flexibilitate şi

fiabilitate. In acest context ne propunem observarea pe cip de niobat de litiu a efectelor de

coalescenţă şi de rutaj cuantic, simularea de operatori cuantici folosind o configuraţie adecvată a

constantelor de cuplaj între ghidurile reţelei, generarea la scară largă (la un număr mare de fotoni)

a funcţiilor de undă întrepătrunse. Pe de altă parte, reţelele fotonice cuplate suportă unde extinse

spaţial ce se propagă şi interferă de-a lungul reţelei. Ne propunem să exploatăm aceste unde

extinse pentru a manaipula, la dimensiuni extinse, stările mai multor fotoni. Asfel în această etapă

am activat neliniaritatea materialului și am integrat structuri de rețele și cuploare adiabatice

pentru a permite crearea și manipularea de fotoni cu funcții de unde întrepătrunse care nu este

altceva decât acesată integrare densă de funcții optice de care aminteam mai sus. Înainte de a

descrie în detaliu activitățile desfășurate, revinim cu câteva detalii legate de activarea neliniarității

în niobatul de litiu, în sepecial asupra quasi-acordului de fază şi a fizicii interacţiunilor parametrice

între unde ce se propagă coliniar şi în același sens.

4.3.1 Quasi-acordul de fază

Interacţiunile parametrice permit generarea coerentă de unde optice (semnal și idler) cu

frecvenţe diferite de frecvenţa undei pompă. In cazul ghidurilor de unde optice ne vom referi la

interacţiunile parametrice între trei unde optice (pompă, semnal şi idler) ce se propagă coliniar şi

în acelaşi sens. Aceste unde sunt cuplate între ele prin polarizarea neliniară de ordinul doi (2).

Pentru ca interacţiunea sa fie eficientă, trebuie ca undele şi polarizările neliniare ce le alimentează

24

să fie în fază în orice punct din material și vorbim astfel de acordul de fază. Dar având în vedere că

pentru orice material, datorită dispersiei în lungime de undă, indicele de refracţie depinde de

lungimea de undă, pentru a obţine acordul de fază, trebuie găsiţi indici de refracţie egali pentru

lungimi de unde diferite. Acordul de fază a fost mai întâi obţinut prin folosirea birefringenţei.

Această soluţie are însă numeroase dezavantaje: coeficientul neliniar ce poate fi folosit nu este cel

mai optim posibil, număr redus de materiale ce pot fi utilizate, plajă restrânsă de lungimi de unde

accesibile pentru un material dat, eventual temperatură de funcţionare ridicată, probleme de

"walk-off", etc. Tehnica quasi-acordului de fază (Quasi-Phase Matching sau QPM), presupune

păstrarea unei configuraţii de "dezacord de fază" dar intervenind repetat şi compensând defazajul

acumulat între unde printr-o inversie periodică a semnului coeficientului neliniar, de exemplu

printr-o inversie periodică a domeniilor feroelectrice în niobatul de litiu. În felul acesta obţinem o

condiţie de QPM care poate fi ajusta pentru orice triplet de lungimi de undă considerat în plaja de

transparenţă a materialului. Ecuațiile, scrise mai jos, care guvernează interacţiunile parametrice

între unde ce se propagă coliniar și în același sens, face să apară în mod clar parametrul ajustabil

, perioada de inversie a coeficientului neliniar adică perioada de inversie a domeniilor

feroelectrice în niobatul de litiu:

1 1 1 (1)

m+ (2)

p s i

p s i

p s i

n n n

Ecuaţia (1) reprezintă conservarea energiei, iar ecuaţia (2) este cea a quasi-acordului de fază QPM.

Parametrul "m" este un întreg a cărui valoare corespunde ordinului reţelei de inversie periodică a

domeniilor feroelectrice ce va fi utilizat pentru QPM, de o manieră analoagă difracţiei liniare pe

reţele periodice. O altă manieră de a vedea condiţia QPM este aceea de a trasa diagrama

vectorilor de undă, reprezentaţi în Figura 30 pentru m=1.

Figura 30. Diagrama vectorilor de undă pentru o interacţiune parametrică în care pompă, semnal şi idler se propagă în

acelaşi sens.

In cazul niobatului de litiu polarizat periodic (PPLN), parametrul este cuprins între 6 şi 20 µm,

pentru interacţiuni neliniare între lungimi de unde ce iau valori în intervalul 532 nm şi 2 µm.

Datorită supleţii sale, tehnica QPM permite utilizarea celui mai mai coeficient neliniar al

materialului, d33=33pm/V, în comparaţie cu d31=6pm/V care este utilizat pentru acordul de fază

prin birefringenţă. Astfel, cont ţinând de inversia periodică a semnului coeficientului d33,

coeficientul neliniar efectiv utilizat este:

2sin( )efd m RC

m

25

unde RC este raportul ciclic, acesta măsurând raportul dintre lărgimea domeniului feroelectric cu

semn schimbat şi perioada de inversie.

Pentru fabricarea de substraturi cu domenii feroelectrice inversate periodic vom utiliza tehnica

numită "E-field", ce constă în aplicarea unui câmp electric unui eşantion, prin intermediul unor

electrozi cu o dispoziţie periodică. Atunci când, câmpul electric aplicat este mai mare decât câmpul

coercitiv al materialului, are loc orientarea în câmp a domeniilor feroelectrice, această orientare

(inversie) rămânând blocată la temperatură ambiantă, după eliminarea câmpului extern şi al

electrozilor. Pentru a înţelege mai bine ceea ce se întâmplă, în Figura 31 presupunem că pornim de

la un substrat de LiNbO3 în care domeniile feroelectrice reprezentate prin săgeţi sunt orientate în

acelaşi sens. Pe acest substrat, așa cum am mentionat, a fost depusă în prealabil o mască de răşină

dielectrică (de culoare maron) ce prezintă periodicitatea pe care vrem să o impunem domeniilor

feroelectrice în interiorul cristalului. Cu ajutorul unor electrozi (de culoare verde) aplicăm acestui

eşantion un câmp electric ce depăşeşte valoarea câmpului coercitiv al cristalului, în felul acesta,

domeniile care nu sunt protejate de răşină se vor orienta în câmpul electric extern. Această

orientare rămâne blocată la temperatură ambiantă, după eliminarea câmpului extern, al

electrozilor şi al măştii dielectrice.

(a) (b) (c)

Figura 31. Inversia domeniilor feroelectrice prin aplicarea unui câmp extern: (a) substrat mono-domeniu (în albastru)

acoperit cu o mască în răşină dielectrică. (b) inversarea domeniilor feroelectrice prin aplicarea unui câmp electric

extern. (c) substrat după eliminarea câmpului electric extern

În practică, Figura 32, înalta tensiune este creată de către un generator, a cărei tensiune de ieşire

este amplificată, fiind apoi aplicată la bornele unei unităţi numită "de poling" ce evită scurtcircuitul

prin conducţie în aer.

Figura 32. Montajul experimental pentru inversia domeniilor feroelectrice prin metoda E-field.

În procesul de inversie astfel activat, putem deosebi trei etape principale și anume:

26

nucleaţia – inversia începe prin formarea localizată la suprafaţa cristalului a unor mici domenii feroelectrice inversate (de culoare roşie în Figura 31 (b)), în zonele unde eşantionul nu este protejat de răşina dielectrică.

propagarea în lungul axei polare – pentru feroelectricii cu anizotropie mare, cum este cazul niobatului de litiu, micile domenii inversate se dezvoltă (cresc) mai întâi în profunzimea eşantionului (în lungul axei Z). Aceasta dă naştere unor domenii în formă de ace, a căror pereţi, odată ce au atins faţa opusă a cristalului, se redresează pentru a devenii paraleli cu axa Z. Asistăm astfel la apariţia de domenii laminare.

propagare laterală şi fuziune – domeniile laminare se lărgesc în direcţii laterale doar în zonele unde câmpul electric extern depăşeşte valoarea câmpului coercitiv. În timpul propagării aceste domenii pot întâlnii alte domenii fuzionând unele cu altele.

În realitate, descrierea de mai sus nu este decât o simplificare utilă pentru a putea înţelege din

punct de vedere calitativ procesul de "poling" periodic, dar insuficient pentru studii cantitative.

Într-adevăr, procesul de inversie a domeniilor feroelectrice este mult mai complex, căci este un

proces dinamic de natură locală, care depinde atât de distribuţia spaţială cât şi de evoluţia

temporală a componentei polare (în lungul axei Z) a câmpului electric în cristalul feroelectric.

Aceste dependenţe vor determina atât probabilitatea de nucleaţie şi viteza de propagare a

domeniilor.

Dupa transpunerea în niobatul de litiu a zonelor PPLN vom transpune și suprapune peste

acestea structurile ghidante si anume retele de ghiduri cuplate și cuploare adiabatice. Etapele sunt

aceleași ca și cele descrise în paragraful 2.3. cu mențiunea ca vom face o aliniere a structurilor

PPLN cu structurile de cuploare în momentul fotolitografierii UV. Apoi urmează toate etapele

tehnologice descrise în paragrafele 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6 și 3.7.

4.3.2. Generarea perechilor de fotoni cu funcții de undă întrepătrunse - degenerescență

Pentru a putea realiza ceea ce ne-am propus este necesar, într-o primă etapă, să identifică

perioada de inversie a domeniilor feroelectrice în substraturile de niobat de litiu.Aceasta se face

ținând cont de parametrii ce joacă un rol important în procesul de generare a perechilor de fotoni

și anume:

temperatura de lucru T care este în jur de 120C. La această temperatură efectele

fotorefractive1 sunt inhibate, eficiența de generarare a perechilor de fotoni nefiind

perturbată.

variația indicelui de refracție în ghidurile de undă în jurul valorii de Δn=2,3×10-2

lungimea de undă pompă λpompă=780 nm

dimensiunile geometrice ale ghidurilor de undă (lărgime și adâncime)

Pornind de la acești parametrii, prin simulări numerice am identificat perioadele de inversie pentru

care obținem un QPM astfel încât un plecând de la un foton pompă să obținem, în urma

interacțiunii neliniare, doi fotoni (semnal și idler)a căror lungimi de undă să fie egale (fenomen

numit degenerescență). Aceasta este valabil doar în cazul în care λs=λi=2λp=1560 nm. In Figura 33

este prezentă curba de quasi-acord de fază pentru valori ale parametrilor menționați mai sus.

1 Efecte neliniare ce sunt indezirabile în cazul aplicațiilor vizate în acest proiect

27

Figura 33. Exemplu de curbe de de quasi-acord de fază în niobatul de litiu inversat periodic.

4.3.3. Fabricare de substraturi PPLN

Ca și în cazurile precedente, transpunerea unei structuri în niobatul de litiu presupune mai întâi de

toate crearea unui design și fabricarea unei măști master din crom pe suport de cuarț. S-a utilizat

soft-ul Klayout, ce permite desenarea și generarea de fișiere cu informații suprapuse ce pot fi

transpuse în crom pe substrat de cuarț. Dimensiunile structurilor PPLN desenate trebuie sa fie

compatibile și să poată fi suprapuse perfect cu viitoarele structuri de ghiduri de unde ce vor fi

integrate pe aceeași plachetă de niobat de litiu. Planul general al măștii este prezentat în Figura

34, acesta conținând la scară microscopică structuri periodice de „ferestre” acolo unde dorim ca

prin aplicarea câmpului electric extern, domeniile feroelectrice să se orienteze la 180 față de cele

protejate de rășina dielectrică.

Figura 34. Planul general al măștii master prezentând structuri PPLN destinate ce sor servi ca

și substrat pentru structuri ghidante dense cu neliniaritate activată.

Folosind montajul experimental echematic prezentat în Figura 32 s-au fabricat plachete de niobat

de litiu cu domenii feroelectrice inversate (PPLN). Aceste plachete vor fi folosite în continuare

pentru a fabrica structuri ghidante (rețele, cuploare etc.) perfect suprapuse și aliniate cu

28

structurile PPLN astfel încât, la propagarea luminii neliniaritatea de ordinul doi să permită

generarea de fotoni cu funcții de undă întrepătrunse.

4.3.4. Fabricare de structuri ghidante dense pe substrat PPLN

Ca și în cazul precedent, am utilizat soft-ul Klayout, făcând posibilă desenarea și generarea de

fișiere cu informații suprapuse ce pot fi transpuse în crom pe substrat de cuarț. Dimensiunile

structurilor PPLN realizate în etapa precedentă sunt perfect compatibile ca așzare și dimensiuni,

astfel încât să poată fi suprapuse perfect structurile de ghiduri de unde ce vor fi integrate pe

aceeași plachetă de niobat de litiu. Planul general al măștii este prezentat în Figura 35, acesta

conținând la scară microscopică structurile ghidante ce urmează a fi transpuse pe substraturi

PPLN.

Figura 35. Planul general al măștii master prezentând structuri dense de retele de

ghiduri ce urmează a fi transferate pe substraturi PPLN.

După etapele tehnologice de transfer prin fotolitografie în UV și depunerea de straturi de SiO2 sa

efectuat o predecupare (decupare preliminară) a zonelor de interes în vederea realizării

schimbului protonic. In funcție de parametrii structurilor și de dispoziția acestora pe placheta

PPLN, predecuparea s-a realizat conform planului prezentat în Figura 36.

Figura 36. Planul de predecupare a zonelor de interes în vederea fabricării prin schimb

protonic a structurilor ghidante pe substrat PPLN.

29

După etapa de predecupare zonele A și C au fost supuse unui schimb protonic ce a vizat fabricarea

de structuri ghidante cu o valoare a variației indicelui de refracție de n= 2.3 x10-2. După etapa de

schimb protonic, zonele au fost decupat în eșantioane cu diferite dimensiuni impuse. Planul de

decupare este prezntat în Figura 37, dimensiunile eșantioanelor fiind cele finale, adică

dimensiunile după pasul tehnologic următor și anume polizarea. Dimensiunile cipurilor astfel

realizate sunt impuse de către dimensiunile structurilor ghidante prezente pe acestea cât și de

experimentele optice pe care urmează a fi realizate.

Figura 37. Planul de decupare așantioanelor conținând structuri ghidante dense pe substrat PPLN.

5. Perspective

Asa cum spuneam la începutul acestui raport echipa din Franța a prelungit perioada de

implementare a proiectului la 4 ani, adică până la finalul anului 2018. Din acest motiv, activitățile

menite să pună în evidență afectele enumerate în partea introductivă se află în plin proces de

desfășurare. Până în prezent, echipa din România, (Centrul de Cercetare RAMTECH) și-a dus la

îndeplinire angajamentele asumate în cadrul proiectului și anume integrarea densă de surse de

fotoni şi de reţele de ghiduri de undă cuplate şi funcţionalizate, permiţând crearea şi tratatrea de

stări cuantice fotonice descrise prin: scară largă, flexibilitate şi fiabilitate. De asemenea, echipa din

România va participa activ în următoarea perioadă la caracterizarea (și optimizarea prin ajustarea

anumitor parametrii- daca va fi cazul) și punerea în evidență pe cip a efectelor de coalescenţă,de

rutaj cuantic, simularea de operatori cuantici folosind o configuraţie adecvată a constantelor de

cuplaj între ghidurile reţelei, generarea la scară largă (la un număr mare de fotoni) a funcţiilor de

undă întrepătrunse. Rezultatele obținute vor face obiectul unor publicații în reviste științifice de

prestigiul în domeniu, bineînțeles membrii proiectului împlicați în actvitățile desfășurate fiind co-

autori ai acestor publicații.

Director de Proiect

CS II Dr. Ing. Sorin TAȘCU