Modulateurs électro-optiques à bases d’hétérostructures ferroélectriques et multiferroïques – Méloic

La demande croissante pour des systèmes de télécommunications ultra-rapides motive un important effort de recherche visant à développer des dispositifs photoniques plus performants. Un des éléments clés des réseaux optiques actuels est le modulateur électro-optique (MEO) qui convertit une information électrique (analogique ou numérique) en un signal optique. Les MEO actuels fonctionnement à 1.55 Ym et haute fréquence (jusqu’à ~40 GHz) et sont basés sur des monocristaux de LiNbO3. La tension de commande faible implique une grande longueur (40 mm) qui rend ces dispositifs non intégrables dans les interconnexions optiques. Une approche prometteuse pour résoudre ces problèmes consiste à utiliser des couches minces ferroélectriques déposées sur des substrats diélectriques de MgO, ce qui résulte en des modulateurs efficaces et très compacts. L’intérêt de cette approche est que l’onde optique se propage principalement dans la couche avec son indice de réfraction, et que l’onde hyperfréquence se propage principalement dans le substrat diélectrique avec un indice hyperfréquence effectif proche de l’indice optique de la couche active, ce qui permet de coupler les ondes en phase. Bien que de tels modulateurs intégrés à base de couches minces de BaTiO3 aient déjà été fabriqués ils sont limités par la médiocre polarisation et la faible température de Curie du BaTiO3. De façon surprenante, la technologie des MEO n’a pas encore bénéficié des plus récentes avancées sur les hétérostructures ferroélectriques qui permettent d’élaborer des ferroélectriques aux propriétés améliorées, et qui ont conduit au développement de matériaux multifonctionnels tels que les multiferroïques (composés au sein desquels coexistent des ordres magnétique et électrique couplés). Dans ce cadre, l’objectif de MÉLOÏC est d’exploiter ces avancées pour explorer le potentiel d’hétérostructures basées sur BaTiO3 et le multiferroïque BiFeO3 afin de donner naissance à une nouvelle génération de MEO intégrés fonctionnant à 1.55 Ym et haute fréquence (>40 GHz). Les propriétés ferroélectriques, optiques et électro-optiques de monocristaux et d’hétérostructures à base de BaTiO3 et de BiFeO3 seront optimisées via une subtile ingénierie de leur structure exploitant la forte sensibilité des oxydes perovskites aux effets de contrainte. Puis, les MEOs seront modélisés, fabriqués et caractérisés en utilisant les meilleurs matériaux obtenus dans la première partie du projet. Plus spécifiquement, trois domaines d’applications sont visés : les applications télécom (des transceivers ultra-rapides sont requis pour satisfaire la demande croissante de distribution haut débit), les applications analogiques (systèmes Radars d’antennes guidées) et les sondes de champ électrique non intrusives (pour les applications santé). Notre consortium est constitué de trois laboratoires de grande renommée internationale et de THALES, un acteur majeur mondial en électronique professionnelle. Les partenaires académiques ont une collaboration au sein du projet ANR Blanc « FEMMES » dédiée à la physique fondamentale des multiferroïques et se terminant fin 2008. Dans le cadre de FEMMES, de nouvelles connaissances de premier plan ont été obtenues sur BiFeO3, notamment la découverte d’une polarisation géante (P=100 YC/cm², la plus grande de tous les ferroélectriques) et la compréhension détaillée de sa structure en domaines. Ces résultats permettent d’imaginer aujourd’hui de nouveaux types d’applications non envisagés il y a 3 ans. Dans le cadre de MÉLOÏC, nous souhaitons donc franchir un pas de la physique fondamentale vers la recherche industrielle et utiliser l’expérience acquise pendant FEMMES afin de développer de nouveaux dispositifs en photonique hyperfréquence et ainsi répondre à un marché encore inexploité par manque de solutions technologiques.