Mise en oeuvre des procédés potentiels d’évacuation des charges pyroélectriques sur niobate de lithium coupe Z

Implementation of potential process for the evacuation of pyroelectric charges in Z-cut lithium niobate

• Auteur / Autrice : Anne-Laure Pointel
• Direction : Fabrice Devaux, Jérôme Hauden
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 18/01/2022
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Maxime Jacquot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Devaux, Jérôme Hauden, Maxime Jacquot, Rachel Grange, Virginia D'Auria, Angélique Rissons, Christine Restoin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rachel Grange, Virginia D'Auria

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pyroélectricité

Niobate de lithium

Mots clés libres

Pyroélectricité

Niobate de lithium

Modulateur électro-optique

Large bande passante

Guide optique

Pyroelectricity

Lithium niobate

Electro-optic modulator

Broadband

Optical guide

Résumé

Les travaux de cette thèse portent sur l’étude du phénomène de pyroélectricité dans les cristaux de niobate de lithium (LiNbO3). L’étude s’intéresse à l’influence de cette propriété physique très dépendante de la température sur le comportement opérationnel des modulateurs électro-optiques réalisés en particulier dans les cristaux orientés selon l’axe Z. Les liens optiques utilisés dans les communications spatiales exploitent des modulateurs électro-optiques en LiNbO3 afin de convertir un signal électrique en signal optique. Ces composants sont adaptés à l’environnement spécifique qu’est l’espace et permettent d’atteindre des débits de plusieurs dizaines de Gbit/s. Le LiNbO3 en coupe X est généralement utilisé mais les tensions de commandes des modulateurs sur coupe Z sont plus attrayantes afin de minimiser les puissances électriques consommées et les échauffements localisés notamment pour des applications spatiales. Néanmoins, les modulateurs en LiNbO3 coupe Z sont instables lors de variation de température ce qui affecte leur fonctionnement. Cette instabilité est provoquée par l’effet pyroélectrique du cristal qui entraîne la présence d’un champ électrique interne du à la modification de sa polarisation spontanée lors d’un changement de température. Ce champ parasite se superpose aux signaux de modulation et engendre une modification du point de fonctionnement du modulateur et de la transmission optique. L’identification de ce mécanisme et l’analyse du phénomène de pyroélectricité sur le modulateur mènent à une configuration permettant de minimiser l’impact de cet effet. Des simulations sont utilisées pour mettre en évidence l’effet pyroélectrique et les procédés technologiques envisagés sont évalués en termes de réalisations et d’impact sur les performances du modulateur ainsi que sur leur capacité à maintenir le point de fonctionnement et la transmission optique. L’insertion d’une couche antistatique dans le système d’électrodes et l’utilisation d’une structure d’électrodes « dual drive » permettent de réaliser des modulateurs d’intensité large bande en niobate de lithium coupe Z avec une stabilité en température similaire à ceux réalisés sur coupe X.

This PhD thesis deals with the study of the pyroelectricity phenomenon in lithium niobate crystals (LiNbO3). The study treats about the influence of this physical property, deeply temperature dependent, on the operational behavior of electro-optical modulators made with Z oriented LiNbO3 crystals. Space optical datalinks are based today on the use of LiNbO3 integrated modulators. These components are adapted to the specific harsh environment faced in space missions. They are efficient to ensure data rates up to several tens of Gbit/s per optical channel. X-cut lithium niobate is generally used for those applications. Anyway Z-cut modulators are more attractive, in particular for space applications where power consumption and heat dissipation is a challenge. However, when no precaution is taken, Z-cut LiNbO3 modulators are unstable when facing the temperature changes. The pyroelectric effect in the crystal induces an internal electric field due to the modification of the spontaneous polarization during a change in temperature. This parasitic field is added on the modulation signals and causes a modification of the operating point of the modulator and optical losses through electro-optic effect. The identification of this mechanism and the analysis of the pyroelectricity phenomenon on the modulator leads to a configuration that minimizes the impact of this effect. Numerical simulations are used to evaluate the impact of pyroelectric effect in Z-cut LiNbO3 high speed modulators. Potential healing technological processes are evaluated in terms of achievements and impact on the performance of the modulator i.e., their ability to maintain the operating point and optical transmission. The insertion of an antistatic layer in the electrode system and the use of a "dual drive" electrode structure make it possible to produce broadband intensity modulators in Z-cut lithium niobate with temperature stability similar to those made on X-cut used in space missions.