# Caractérisation de couches minces de ZnS et design de guides d'ondes en ZnS pour la photonique non linéaire

Antoine Lemoine, Antoine Letoublon, Alex Naïm, Thomas Batte, Yannick Dumeige, Christophe Levallois, Yoan Léger

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Antoine Lemoine, Antoine Letoublon, Alex Naïm, Thomas Batte, Yannick Dumeige, et al. Caractérisation de couches minces de ZnS et design de guides d'ondes en ZnS pour la photonique non linéaire. Journée nationale de l'optique guidée, Jul 2023, Lyon, France. hal-04197066v2

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Submitted on 26 Feb 2026

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# Réalisation et caractérisation linéaire de guides d'onde de GaP à orientation structurée verticalement pour la génération de seconde harmonique

Antoine LEMOINE¹, Brieg LE CORRE¹,², Lise MORICE¹, Julie LE POULIQUEN¹, Abdelmounaim HAROURI², Luc LE GRATIET², Grégoire BEAUDOIN², A. Grisard³, S. Combrié³, B. Gérard⁴, Yannick DUMEIGE¹, Konstantinos PANTZAS², Isabelle SAGNES², Yoan LEGER¹

¹UMR FOTON, CNRS, INSA Rennes, Université de Rennes, F35708, Rennes, France

²Centre de Nanosciences et de Nanotechnologie, CNRS, 91120 Palaiseau, France

³Thales Research and Technology, 91767 Palaiseau, France

⁴III-V Lab, 91767 Palaiseau, France

antoine.lemoine@insa-rennes.fr

## RESUME

Cet article présente la première réalisation par collage direct et la caractérisation linéaire de guide d'onde de GaP à orientation structurée verticalement (VOP-GaP) dédié à la génération de seconde harmonique. Le design, les différentes étapes de fabrication et la méthode de caractérisation seront discutées ici.

MOTS-CLEFS : Photonique non linéaire, phosphure de gallium

## 1. INTRODUCTION

L'optique non linéaire est aujourd'hui omniprésente dans de nombreux champs applicatifs comme les télécommunications ou les technologies quantiques. L'utilisation de structure à polarité cristalline contrôlée pour de telles applications permet d'obtenir une condition de quasi-accord de phase entre les modes de propagation mis en jeu dans les processus non linéaires [1]. L'inconvénient d'une telle technique reste le fait que cet accord de phase ne permet pas d'obtenir des constantes de propagation parfaitement identiques entre les différents modes, contrairement à l'accord de phase modal qui tire profit des dispersions différentes des modes transverses d'un guide afin de maximiser l'efficacité de conversion non linéaire. Ce qui différencie un accord de phase modal d'un autre est le recouvrement entre les modes mis en jeu, plus les modes transverses impliqués sont d'ordres élevés, moins le recouvrement sera bon et aura donc un impact néfaste sur l'efficacité de conversion. Dans les processus de génération de second harmonique (SHG), la symétrie de mode de SH a également une importance majeure sur l'efficacité de conversion et peut être considérée comme une règle de sélection. Il reste toutefois possible de lever cette règle en combinant ingénierie de polarité et accord de phase modal et d'accéder ainsi à des efficacités de conversion plus élevées. Depuis quelques années, quelques groupes ont initié l'exploration de cette voie de recherche de manière théorique dans des microdisques de GaP/Si[2] ou dans des guides d'onde en GaN [3] et récemment, les premières réalisations de structures en GaN à polarité verticale contrôlée ont été démontrées [4]. Nous présentons ici la première réalisation par collage direct de guides d'onde à orientation structurée verticalement (VOP-GaP) pour la génération de seconde harmonique, ainsi que la première caractérisation linéaire pour de telles structures.
## 2. DESIGN ET REALISATION D'UN GUIDE D'ONDE VOP-GAP

L'accord de phase modal visé ici est un accord de phase entre le mode de pompe $TE_{00}$ et le mode à la fréquence de seconde harmonique $TM_{10}$, antisymétrique dans la direction verticale, dans un guide d'onde en GaP. En l'absence de structuration de la polarité cristalline, ce processus non linéaire présente une efficacité de conversion presque nulle du fait de la symétrie du mode SH. En revanche, il est possible d'inverser le signe du coefficient non-linéaire entre la partie inférieure et la partie supérieure du guide en inversant son orientation cristalline. On obtient alors une polarisation non-linéaire (figure 1.a) de même symétrie que le mode $TM_{10}$. (Figure 1.b). Dans ces conditions un accord de phase à 1550 nm possible dans des guides d'onde de 760 nm de largeur et 400 nm de hauteur entre les deux modes cités précédemment. (Figure 1.c). Afin de réaliser cette structure, deux couches minces de GaP sont épitaxiées par MOVPE sur substrat de GaAs et sont ensuite collées par collage direct. Un des deux substrats de GaAs est retiré chimiquement, puis l'échantillon est ensuite reporté sur isolant avant, enfin, de retirer le deuxième substrat de GaAs. Les guides sont ensuite défini en lithographie électronique et gravure sèche [1]. Enfin, l'échantillon est ensuite clivé pour réaliser des guides à facettes droites (Figure 1.d). L'imagerie par microscopie électronique révèle une épaisseur totale de 320nm de GaP, inférieure à celle visée et entrainant un décalage spectral par rapport au conditions d'accord de phase calculées (Figure 1.e).

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1 a) Polarisation non linéaire dans un guide VOP-GaP b) Mode $TM_{10}$ se propageant dans un guide VOP-GaP c) Condition d'accord de phase dans un guide VOP-GaP sur isolant de 760 nm de large et 400 nm de haut. d) Image par microscopie électronique à balayage d'un guide d'onde VOP-GaP. e) Condition d'accord de phase obtenue à partir de la hauteur mesurée des guides d'ondes fabriqués.</figcaption></figure>

## 3. CARACTERISATION LINEAIRE DES GUIDES D'ONDES VERTICAL-OP-GAP

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 2 Pertes en fonction de la longueur d'onde dans le visible a) et dans l'infrarouge b).</figcaption></figure>
Nous utilisons ici la technique Fabry-Pérot pour caractériser les pertes de propation dans les guides VOP-GaP aux deux longueurs d'onde – fondamental et second harmonique[5]. Les sources laser utilisées sont des lasers accordables en configuration Littman-Metcalf pour le visible et l'infrarouge. L'injection et la détection de signaux dans les guides se font en espace libre par deux objectifs de microscopes x20. Afin de filtrer spatialement le signal en sortie de guide, celui-ci est imagé à l'entrée d'une fibre monomode à la longueur d'onde de travail, reliée à une photodiode adaptée à la plage spectrale considérée (photodiode germanium pour l'infrarouge et silicium pour le visible). Les modes TE ont été caractérisé en premier lieu. En étudiant le contraste des franges Fabry-Pérot présentes dans les spectres de transmissions obtenus par le balayage en longueur d'onde des différentes sources disponibles, nous obtenons des pertes aux alentours de 50 dB/cm dans le visible et de 45 dB/cm dans l'infrarouge (respectivement Figure 2.c et 2.d). Ces valeurs sont supérieures à celles mesurées dans les guides d'onde en OP-GaP [1], mais restent compétitives au vu de leurs dimensions submicrométriques. Le poids relatif des différents facteurs contribuant aux pertes par propagation reste à déterminer. La rugosité de surface induite par l'interface GaP/GaAs, ainsi que le l'interface de collage au milieu du guide sont à l'origine principale des pertes mesurées dans l'infrarouge.

## CONCLUSION

En conclusion, nous avons réalisé un guide d'onde en GaP à orientation cristalline structurée verticalement, dédié à la génération de seconde harmonique entre un mode pompe TE₀₀ et une mode de seconde harmonique TM₁₀. L'inversion de polarité nécessaire pour un tel processus non linéaire a été obtenue par collage direct. La caractérisation optique linéaire des guides réalisés a été effectuée aux longueurs d'onde de pompe et de seconde harmonique. Ces pertes respectivement de 45 dB/cm et 50 dB/cm peuvent probablement être réduite par l'optimisation du processus de collage. Elles restent compétitives face à d'autres structures photoniques à base de GaP. Nos travaux portent à présent sur la caractérisation en régime non linéaire de ces structures.

Ce travail bénéficie d'une aide de l'État gérée par l'Agence Nationale de la Recherche au titre de France 2030 portant la référence "ANR-22-PEEL-0005".

## RÉFÉRENCES

[1] K. Pantzas et al., « Continuous-Wave Second-Harmonic Generation in Orientation-Patterned Gallium Phosphide Waveguides at Telecom Wavelengths », *ACS Photonics*, vol. 9, n° 6, p. 2032-2039, juin 2022, doi: 10.1021/acsphotonics.2c00156.

[2] P. Guillemé et al., « Antiphase domain tailoring for combination of modal and 4⁻-quasi-phase matching in gallium phosphide microdisks », *Opt. Express*, vol. 24, n° 13, p. 14608, juin 2016, doi: 10.1364/OE.24.014608.

[3] M. Gromovyi et al., « Efficient second harmonic generation in low-loss planar GaN waveguides », *Opt. Express*, vol. 25, n° 19, p. 23035, sept. 2017, doi: 10.1364/OE.25.023035.

[4] N. Yokoyama et al., « GaN channel waveguide with vertically polarity inversion formed by surface activated bonding for wavelength conversion », *Jpn. J. Appl. Phys.*, vol. 61, n° 5, p. 050902, mai 2022, doi: 10.35848/1347-4065/ac57ab.

[5] R. Regener et W. Sohler, « Loss in low-finesse Ti:LiNbO₃ optical waveguide resonators », *Appl. Phys. B Photophysics Laser Chem.*, vol. 36, n° 3, p. 143-147, mars 1985, doi: 10.1007/BF00691779.