Le niobate de lithium et ses propriétés électro-optiques
Modulateurs et composants photoniques intégrés dans le niobate de lithium - Principe et technologie

L’utilisation de sources laser, avec leurs propriétés de cohérence spatiale et temporelle et leurs densités de puissance, a réellement ouvert le champ d’application du domaine de la photonique dans les télécommunications optiques à partir des années 1980. Cette démarche allait nécessiter la mise au point de nombreuses fonctions optiques et photoniques destinées au contrôle actif de la lumière. Parmi celles-ci, la fonction de modulation optique a fait l’objet d’une attention particulière. Avant cela, la modulation optique  a joué très tôt un rôle dans le fonctionnement des premières générations de lasers impulsionnels. Elle est alors mise en œuvre au sein des lasers déclenchés, tels que les lasers Q-Switch, ou dans les lasers à modes bloqués.

Les modulateurs électro-optiques, en particulier dans la version intégrée dans le niobate de lithium qui fait l’objet de cet article, sont fondés sur l’effet Pockels et font appel à des cristaux optiques non linéaires. Parmi ces cristaux, le niobate de lithium, ou ${\mathit{LiNbO}}_3$ , est particulièrement remarquable du fait de ses propriétés électro-optiques qui lui confèrent une très grande efficacité comparée à celle d’autres matériaux . Les premiers modulateurs électro-optiques massifs pour lasers fonctionnent en espace libre et nécessitent, de ce fait, des tensions de commande de plusieurs centaines de volts pour leur fonctionnement. Cela est dû au fait que l’espace inter-électrodes est déterminé par l’épaisseur du cristal. On parle de modulateurs massifs.

Les changements majeurs vont être apportés par le recours à des guides d’ondes optiques  afin de confiner la lumière sous la surface du cristal. Cette technologie, couplée aux procédés de report planaire d’électrodes issus de la micro-électronique, permet des interactions transverses entre lumière et champ électrique à l’échelle de quelques microns et non plus à l’échelle de quelques millimètres, comme c’est le cas pour les modulateurs massifs. Cela réduit les tensions de commande d’un facteur de plus de 100. Cette approche a permis d’aboutir à l’émergence d’une nouvelle technologie, celle des modulateurs optiques intégrés dans le niobate de lithium. Ces travaux ont ouvert la voie à leur industrialisation et leur déploiement, à partir du milieu des années 1990, au sein de réseaux de communication par fibre optique à très haut débit. Ils ont ainsi contribué à répondre aux besoins du marché de l’internet alors en plein essor .

Dans cet article, nous décrirons les bases fondamentales et les technologies nécessaires pour la conception et l’ingénierie de modulateurs électro-optiques à base de ${\mathit{LiNbO}}_3$ . Après des éléments de contexte portant en particulier sur les besoins des systèmes de communication par fibre à haut débit, nous commencerons par une description du cristal et de ses propriétés optiques et physiques. Nous poursuivrons avec les principes du guidage de la lumière dans le cristal par modification du profil d’indice de réfraction et comprendrons comment la lumière peut s’y propager de manière confinée. L’interaction électro-optique induite via des électrodes coplanaires sera ensuite introduite et l’efficacité de modulation évaluée dans le cas simple du modulateur de phase rectiligne. Cette description débouchera sur la mise en œuvre d’électrodes coplanaires à ondes progressives, permettant une modulation de la lumière dans le domaine des hyperfréquences, jusqu’à des bandes passantes de plusieurs dizaines de GHz. La quatrième section est dédiée aux méthodes de fabrication. Nous reprendrons les étapes faisant appel à la filière microélectronique pour sa mise en œuvre. Les techniques de couplage de lumière aux interfaces modulateurs/fibres seront également abordées. Les questions d’encapsulation seront de même passées en revue.

Cette étude montre comment cette génération de composants photoniques de technologie complexe impliquant physique des matériaux, optique, hyperfréquence et microélectronique a pu rentrer dans un cycle industriel pour adresser de manière efficace le marché des télécommunications par fibre et bien d’autres applications émergentes.