EP0750756A1 - Convertisseur de frequence a tres haute efficacite, en optique guidee - Google Patents

Convertisseur de frequence a tres haute efficacite, en optique guidee

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EP0750756A1
EP0750756A1 EP95942752A EP95942752A EP0750756A1 EP 0750756 A1 EP0750756 A1 EP 0750756A1 EP 95942752 A EP95942752 A EP 95942752A EP 95942752 A EP95942752 A EP 95942752A EP 0750756 A1 EP0750756 A1 EP 0750756A1
Authority
EP
European Patent Office
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layer
frequency converter
waves
medium
index
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP95942752A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Dominique Delacourt
Jean-Patrick Truffer
Dominique Papillon
Michel Papuchon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thomson CSF SA filed Critical Thomson CSF SA
Publication of EP0750756A1 publication Critical patent/EP0750756A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/39—Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves
    • G02F1/395—Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves in optical waveguides
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
    • G02F1/377—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure

Definitions

  • the field of the invention is that of optical frequency converters for which the waves are confined in a guide produced at the level of a substrate having non-linear optical properties of order 2.
  • the first condition concerns the phase agreement along the interaction length, between the incident non-linear polarization induced by the incident illumination (s) and the wave (s) to which this polarization gave rise.
  • the second condition relates to the spatial overlap of the guided modes of the incident waves and created within the nonlinear medium.
  • This second condition is difficult to fully satisfy and in particular in the case where the first condition concerning the phase agreement is artificially ensured by the periodic modulation of a parameter intervening in the nonlinear interaction in order to compensate for the difference in propagation constant ⁇ k linked to the dispersion of the refractive index of the non-linear material involved.
  • the invention proposes using a layer of material of refractive index N, deposited on the surface of the non-linear material in which the tuning condition of phase.
  • the subject of the invention is a frequency converter comprising a guide of refractive index ng, supplied by one or more light waves of frequency ⁇ j n , also comprising a nonlinear medium (MNL) of index n s ( less than ng) in which the condition of phase agreement between the non-linear polarization generated by the incident waves, and the waves created at frequencies ⁇ em is satisfied over a depth D of non-linear medium, by modulation periodic of a parameter involved in the non-linear interaction, said depth being defined in a plane perpendicular to the axis of propagation of the incident and created waves, said waves being confined in the two directions perpendicular to their axis of propagation, characterized in what: the converter comprises a layer C located on the surface of the non-linear medium and with a refractive index N such that it increases the spatial overlap in the plane perpendicular to the axis of propagation of the incident and created waves, a part of the nonlinear polarization generated by the
  • the frequency converter according to the invention can advantageously comprise a symmetrization layer C-
  • the frequency converter can in this case also include a layer C ex inserted between the layer C-
  • the guide is inscribed in the non-linear medium (MNL) in the region located above the depth D defined above.
  • MNL non-linear medium
  • the lateral confinement perpendicular to the direction of wave propagation and at depth D can result from the realization of the guide itself confined.
  • n eg and the index of the environment (MNL) it is possible to dispense with entering a guide in the environment (MNL).
  • the guide can then be obtained at the level of a layer C ' ex of index ng deposited on the medium (MNL), by local excess thickness of the layer Cj and or of the layers C- and C' ex so as to define the confinement two-dimensional in a plane perpendicular to the direction of propagation of the guided modes at the layer C ex / medium interface (MNL).
  • the frequency converter according to the invention can comprise a layer C2 whose refractive index is close to that of the guide so as to increase the spatial overlap of the nonlinear polarization generated by the modes guided incidents of order kj and of created guided modes of order I, with kj ⁇ lj.
  • It may in particular be an optical parametric oscillator in which it is sought to obtain the recovery of a mode of order 2 of an incident wave and of a mode of order 1 of a created wave.
  • the additional layer is then purely a layer allowing the extension of the guiding zone. More precisely, in the case of the overlap of the polarization created by a mode of order 2 then having two lobes, one seeks the overlap of one of the lobes with the lobe of the mode of order 1 of the wave created.
  • the guide can advantageously be inscribed in the medium (MNL). It can also be produced at the level of the layer C2 by extra thickness of this layer so as to define the two-dimensional confinement in a plane perpendicular to the direction of propagation of the guided modes.
  • the invention can be advantageously implemented in the case of artificial phase tuning ( ⁇ AP), a particularly advantageous technique since it allows the use of very effective materials on the non-linear level even if the dispersion of their index of refraction is important. This leads to wavelengths being obtained in particular in blue, by frequency doubling in materials for which the condition of phase matching by conventional techniques cannot be satisfied. It can typically be materials such as LiNb ⁇ 3, LiTa ⁇ 3 or even KTP, which have high non-linearities and which are moreover compatible with the technology of integrated optics.
  • the QAP is preferably obtained by the periodic change of the sign of the non-linear coefficient in one of the aforementioned materials.
  • FIG. 1 shows schematically a frequency converter configuration in which the guided modes extend over a depth P greater than that according to which the phase tuning condition is satisfied;
  • FIG. 2 illustrates the propagation of the modes guided at wavelengths ⁇ pip (near infrared) and XQ (blue) within the guide written on the surface of the non-linear substrate used in a frequency converter according to the prior art, without symmetrization layer;
  • FIG. 3 shows schematically a frequency converter comprising a balancing layer
  • FIG. 4 illustrates different index profiles in the following cases: * a - the frequency converter does not include a balancing layer;
  • the frequency converter comprises a symmetrization layer whose refractive index is equal to that of the substrate;
  • * c - the frequency converter comprises a symmetrization layer whose refractive index is lower than that of the substrate;
  • the frequency converter includes a balancing layer
  • the frequency converter comprises a guide extension layer of index equal to that of the guide and a symmetrization layer;
  • * c - the frequency converter comprises an extension layer of the index guide greater than that of the guide, as well as a symmetrization layer;
  • FIG. 7 illustrates the evolution of the conversion efficiency as a function of the thickness e ex of the extension layer of the guide (profile b of FIG. 6);
  • - Figure 8 illustrates the evolution of the conversion efficiency as a function of the thickness e ex (profile c of Figure 6, small difference in indices between the guide and the guide extension layer);
  • - Figure 9 illustrates the evolution of the conversion efficiency as a function of the thickness e ex (profile c of Figure 6 and greater difference between the indices of the guide and the guide extension layer than that of the example illustrated in Figure 8);
  • FIG. 10 illustrates the profile of the electric fields and therefore the shape of the first order guided modes for the wavelengths ⁇ i and ⁇ ;
  • Figure 10b relates to an example of a converter with a symmetrization layer Cj and an extension layer of the guide C ex ;
  • - Figure 11 illustrates the conversion efficiency as a function of the thickness of the guide extension layer for an example of a converter in which the difference in refractive index between the non-linear medium and the extension layer of the guide is 0.2;
  • - Figure 12 illustrates an example of frequency converter according to the invention in which no guide is registered in the medium (MNL), the guiding zone being ensured by a rib at the level of the layer
  • the most common technique for carrying out this reversal locally consists first of all in carrying out an exchange between Li + ions of the substrate and H + ions coming from an acid bath. Once this proton exchange has been carried out, the treated substrate is annealed at a temperature close to the Curie point of the material.
  • the desired periodic character we are able to obtain under the surface of the substrate, the ferroelectric polarization image shown in Figure 1.
  • the depth D under which the periodic character is sensitive depends on the step ⁇ , this being linked to the technique used to reach the reversal.
  • the solution adopted in the invention consists in restoring a form of symmetry to the guide by depositing on the sample a dielectric layer whose index is close to that of the substrate (as illustrated in FIG. 3), this layer having to play the role of superstrate to replace the air to arrive at the index profile shown in FIG. 4c, the profile b) in parentheses representing the ideal case of symmetrization.
  • FIG. 5 illustrates the evolution of the efficiency ⁇ of the guiding structure considered, as a function of the thickness of the symmetrization layer in Ta2U5.
  • the invention also proposes to introduce an extension layer of the guide C ex of thickness e ex and of index n e g. Indeed, to further increase the optical confinement in the region located just below the surface of the substrate, that is to say in the zone where the modulation of the nonlinear coefficient is effective, the thickness can be artificially increased of the guide produced by proton exchange, again using a dielectric layer deposited on the substrate. To play its role, this layer must present, at the different wavelengths concerned, an index greater than not only those of the substrate and the superstrate but also the effective indices of the modes which interact. In FIG.
  • Figure 8 shows the evolution of the yield as a function of the thickness e ex .
  • the speed 1 corresponds to the desired goal, that is to say the increase in the yield by extension of the guide (practically 120% / W.cm 2 at most).
  • the thickness of the extension layer is such that the latter alone constitutes a guide for the harmonic wave without this being the case for the pump wave.
  • the two waves are then confined in different regions which explains the significant decrease in efficiency which drops well below its value in the absence of an extension layer.
  • the pump wave in turn can be confined to it.
  • the extension layer can, for example, be constituted by ND2O5.
  • the profile of the interacting fields is given in FIG. 10b), FIG. 10a) repeating for comparison, the case of FIG. 2 where no layer has been deposited.
  • the regime 1 only gives rise to a yield of around 100% / W.cm 2
  • the regime 3 leads to a value greater than 210% / W.cm 2
  • the low value of ⁇ nn + (0.004) has only a negligible influence on the propagation conditions. Canceling this value, that is to say not making a guide by proton exchange before deposition of the dielectric layers, would practically not change the value of the yield.
  • the invention also relates to a frequency converter in which a guide is produced outside the region of the substrate where the non-linear coefficient is modulated as a sign.
  • the approach is different in the case of an Integrated Optical Parametric Oscillator (OPOI) where the waves generated are at a longer wavelength than that of the pump which can therefore advantageously be confined in a mode of order 2.
  • OPOI Integrated Optical Parametric Oscillator
  • the invention makes it possible to very significantly reduce the expected threshold of such a converter produced on LiTa ⁇ 3 or LiNb ⁇ 3, to tend towards the mW in the context of a diode pumping towards 0.8 ⁇ m via a mode of order 2 and a emission around 1.5 ⁇ m in fundamental modes of the guide.
  • the invention in fact consists in dissociating the solutions brought to the problems of phase agreement of integral recovery even if the approach is equivalent in both cases: periodic structure for phase agreement and dielectric layers discrete for recovery.
  • periodic structure for phase agreement and dielectric layers discrete for recovery makes it possible to compensate for the difference of vector k in the direction perpendicular to that of the propagation.

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Abstract

L'invention concerne un convertisseur de fréquence comprenant un guide et un milieu non linéaire (MNL) dans lequel localement la condition d'accord de phase entre polarisation non linéaire et ondes créées est satisfaite. L'objet de l'invention réside dans une couche additionnelle C située sur le milieu (MNL), dont l'indice de réfraction est tel qu'il augmente le rendement de conversion des ondes incidentes vers les ondes créées au sein du guide. Cette couche peut être une couche de symétrisation dont l'indice est proche de l'indice du milieu (MNL). Le rendement de conversion peut être amélioré davantage grâce à une couche intermédiaire Cex située entre la couche C et le milieu (MNL) et dont l'indice est voisin de celui du guide. Applications: doubleur de fréquence, oscillateur paramétrique optique.

Description

CONVERTISSEUR DE FREQUENCE A TRES HAUTE EFFICACITE, EN
OPTIQUE GUIDEE
Le domaine de l'invention est celui des convertisseurs de fréquence optique pour lesquels les ondes sont confinées dans un guide élaboré au niveau d'un substrat présentant des propriétés optiques non linéaires d'ordre 2.
Les différentes opérations susceptibles d'être réalisées dans un convertisseur sont récapitulées dans le tableau suivant dans lequel les fréquences optiques des ondes incidentes ou émises sont respectivement désignées par ωj ou ωe :
Doublage de fréquence ωj + ωj -> ωp> = 2ωj
Fluorescence paramétrique ωj → ωPι + ω ?
Sommation de fréquences ωii + ωj? → ωP3
Différence des fréquences ωii - ωi? → ωp3
Pour obtenir une efficacité de conversion importante, il est nécessaire d'assurer les deux conditions suivantes :
La première condition concerne l'accord de phase le long de la longueur d'interaction, entre la polarisation non linéaire incidente induite par la ou les illuminations incidentes et la ou les ondes auxquelles cette polarisation a donné naissance. La seconde condition a trait au recouvrement spatial des modes guidés des ondes incidentes et créées au sein du milieu non linéaire.
Cette seconde condition est difficile à satisfaire pleinement et notamment dans le cas où la première condition concernant l'accord de phase est assurée artificiellement par la modulation périodique d'un paramètre intervenant dans l'interaction non linéaire afin de compenser la différence de constante de propagation Δk liée à la dispersion de l'indice de réfraction du matériau non linéaire mis en jeu.
En effet, les techniques généralement utilisées pour assurer cette modulation périodique et celles utilisées pour la réalisation du guide ne conduisent pas à un recouvrement toujours satisfaisant des modes guidés dans la région où est obtenue cette modulation périodique. Car inscrire un guide par variation d'indice positive sans altérer le paramètre de non linéarité intrinsèque du matériau impose le plus souvent de faibles variations d'indice qui ne favorisent pas le confinement maximum des modes guidés dans le guide. Typiquement on se retrouve dans la configuration illustrée en figure 1 dans laquelle les modes guidés s'étendent sur une profondeur P dans le substrat, alors que la modulation périodique est assurée sur une profondeur D inférieure à P.
Or pour obtenir une efficacité de conversion la meilleure possible, il est important qu'il y ait un recouvrement maximum entre les modes guidés et la région dans laquelle la condition d'accord de phase est satisfaite. Si les modes guidés se propagent à l'extérieur de cette région, une partie de l'énergie lumineuse n'est pas utilisée pour interagir dans les phénomènes de conversion de fréquence.
Le plus souvent dans le cadre de doubleur de fréquence on cherche à obtenir le recouvrement du mode d'ordre 1 (ou fondamental) de l'onde incidente à λ1 et du mode d'ordre 1 de l'onde créée à λ1/2, recouvrement selon la direction Oz (mentionnée en figure 1 ). En effet, dans la direction latérale Oy, le recouvrement avec le réseau non linéaire ne pose pas de problème sachant que ce dernier peut être bien plus large que celui du guide. Dans le cas de convertisseur de fréquence de type oscillateur paramétrique optique, on cherche à obtenir de préférence le recouvrement de modes d'ordres différents. En effet, on facilite le recouvrement de modes d'ordre 2 de l'onde émise à ωj avec le recouvrement des modes d'ordre 1 des ondes créées à ωei et ω©2- Pour pallier cette insuffisance de recouvrement spatial des modes guidés dans la région où la condition d'accord de phase est satisfaite, l'invention propose d'utiliser une couche de matériau d'indice de réfraction N, déposée à la surface du matériau non linéaire dans lequel on a réalisé la condition d'accord de phase. Plus précisément, l'invention a pour objet un convertisseur de fréquence comprenant un guide d'indice de réfraction ng, alimenté par une ou des ondes lumineuses de fréquence ωjn, comprenant également un milieu non linéaire (MNL) d'indice ns (inférieur à ng) dans lequel la condition d'accord de phase entre la polarisation non-linéaire engendrée par les ondes incidentes, et les ondes créées aux fréquences ω em est satisfaite sur une profondeur D de milieu non linéaire, par modulation périodique d'un paramètre intervenant dans l'interaction non linéaire, ladite profondeur étant définie dans un plan perpendiculaire à l'axe de propagation des ondes incidentes et créées, lesdites ondes étant confinées dans les deux directions perpendiculaires à leur axe de propagation, caractérisé en ce que : le convertisseur comprend une couche C située à la surface du milieu non linéaire et d'indice de réfraction N tel qu'il augmente le recouvrement spatial dans le plan perpendiculaire à l'axe de propagation des ondes incidentes et créées, d'une part de la polarisation non linéaire engendrée par les modes guidés d'ordre kj des ondes incidentes et d'autre part des modes guidés d'ordre Ij des ondes créées et ce dans une région située au-dessus de la profondeur D du milieu (MNL).
Le convertisseur de fréquence selon l'invention peut avantageusement comprendre une couche de symétrisation C-| dont l'indice de réfraction est proche de celui du milieu (MNL) et inférieur à ng de manière à augmenter le recouvrement spatial de la polarisation non linéaire engendrée par les modes guidés incidents fondamentaux, et des modes guidés fondamentaux des ondes créées et ce notamment lorsque le convertisseur de fréquence est un doubleur de fréquence. Le convertisseur de fréquence peut dans ce cas comprendre également une couche Cex insérée entre la couche C-| et le milieu (MNL), l'indice de réfraction neg de la couche Cex étant proche de l'indice du guide ng.
En effet, pour accroître davantage l'efficacité de conversion, on peut fictivement augmenter l'épaisseur du guide, en déposant entre la couche de symétrisation et le guide, une couche Cex d'indice voisin de celui du guide obtenu par différentes technologies possibles au sein du matériau non linéaire car lorsque l'on cherche à confiner des modes guidés au sein d'un guide, une des possibilités consiste à augmenter la zone guidante. On choisit de le faire dans la partie supérieure du guide pour ne pas accentuer la différence de profondeur entre P et D ; donc en ajoutant une couche supplémentaire à la surface du guide.
De manière préférentielle, le guide est inscrit dans le milieu non linéaire (MNL) dans la région située au-dessus de la profondeur D définie précédemment. Le confinement latéral perpendiculaire à la direction de propagation des ondes et à la profondeur D peut résulter de la réalisation du guide lui-même confiné. Cependant lorsque l'écart entre l'indice neg et l'indice du milieu (MNL) est suffisant on peut s'affranchir d'inscrire un guide dans le milieu (MNL). Le guide peut alors être obtenu au niveau d'une couche C'ex d'indice ng déposée sur le milieu (MNL), par surépaisseur locale de la couche C-j et ou des couches C- et C'ex de manière à définir le confinement bidimensionnel dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation des modes guidés à l'interface couche Cex/milieu (MNL).
Selon une autre variante de l'invention, le convertisseur de fréquence selon l'invention peut comprendre une couche C2 dont l'indice de réfraction est proche de celui du guide de manière à augmenter le recouvrement spatial de la polarisation non linéaire engendrée par les modes guidés incidents d'ordre kj et de modes guidés créés d'ordre I, avec kj ≠ lj. Il peut notamment s'agir d'oscillateur paramétrique optique dans lequel on cherche à obtenir le recouvrement d'un mode d'ordre 2 d'une onde incidente et d'un mode d'ordre 1 d'une onde créée. En effet, on ne cherche plus à utiliser une couche de symétrisation puisqu'au contraire on cherche à exploiter la dissymétrie des modes, la couche additionnelle est alors purement une couche permettant l'extension de la zone guidante. Plus précisément, dans le cas du recouvrement de la polarisation créée par un mode d'ordre 2 présentant alors deux lobes, on recherche le recouvrement d'un des lobes avec le lobe du mode d'ordre 1 de l'onde créée.
Dans ce type de convertisseur, le guide peut avantageusement être inscrit dans le milieu (MNL). Il peut également être réalisé au niveau de la couche C2 par surépaisseur de cette couche de manière à définir le confinement bidimensionnel dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation des modes guidés.
L'invention peut être avantageusement mise en oeuvre dans le cas de l'accord de phase artificiel (ÛAP), technique particulièrement intéressante puisqu'elle permet d'utiliser des matériaux très efficaces sur le plan non linéaire même si la dispersion de leur indice de réfraction est importante. Ceci conduit à l'obtention de longueurs d'onde notamment dans le bleu, par doublage de fréquence dans des matériaux pour lesquels la condition d'accord de phase par des techniques classiques ne peut être satisfaite. Il peut typiquement s'agir de matériaux tels que LiNbθ3, LiTaθ3 ou bien encore KTP, qui présentent des non linéarités élevées et qui sont de plus, compatibles avec la technologie de l'optique intégrée.
Le QAP est de préférence obtenu par le changement périodique du signe du coefficient non linéaire dans un des matériaux précités. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :
- la figure 1 schématise une configuration de convertisseur de fréquence dans lequel les modes guidés s'étendent sur une profondeur P supérieure à celle selon laquelle la condition d'accord de phase est satisfaite ;
- la figure 2 illustre la propagation des modes guidés aux longueurs d'onde λpip (proche infrarouge) et XQ (bleu) au sein du guide inscrit à la surface du substrat non linéaire utilise dans un convertisseur de fréquence selon l'art antérieur, sans couche de symétrisation ;
- la figure 3 schématise un convertisseur de fréquence comprenant une couche de symétrisation ;
- la figure 4 illustre différents profils d'indice dans les cas suivants : * a - le convertisseur de fréquence ne comprend pas de couche de symétrisation ;
* b - le convertisseur de fréquence comprend une couche de symétrisation dont l'indice de réfraction est égal à celui du substrat ; * c - le convertisseur de fréquence comprend une couche de symétrisation dont l'indice de réfraction est inférieur à celui du substrat ;
- la figure 5 illustre l'évolution du rendement de conversion en fonction de l'épaisseur de la couche C-) exprimée en μm ; - la figure 6 illustre différents profils d'indice dans les suivants :
* a - le convertisseur de fréquence comprend une couche de symétrisation ;
* b - le convertisseur de fréquence comprend une couche d'extension du guide d'indice égal à celui du guide et une couche de symétrisation ; * c - le convertisseur de fréquence comprend une couche d'extension du guide d'indice supérieur à celui du guide, ainsi qu'une couche de symétrisation ;
- la figure 7 illustre l'évolution du rendement de conversion en fonction de l'épaisseur eex de la couche d'extension du guide (profil b de la figure 6) ;
- la figure 8 illustre l'évolution du rendement de conversion en fonction de l'épaisseur eex (profil c de la figure 6, faible différence d'indices entre le guide et la couche d'extension du guide) ; - la figure 9 illustre l'évolution du rendement de conversion en fonction de l'épaisseur eex (profil c de la figure 6 et différence plus grande entre les indices du guide et de la couche d'extension du guide que celle de l'exemple illustré en figure 8) ;
- la figure 10 illustre le profil des champs électriques et donc l'allure des modes guidés d'ordre 1 pour les longueurs d'onde λ i et λβ ;
* la figure 10a est relative à un exemple de convertisseur sans couche additionnelle ;
* la figure 10b est relative à un exemple de convertisseur avec une couche de symétrisation C-j et une couche d'extension du guide Cex ;
- la figure 11 illustre le rendement de conversion en fonction de l'épaisseur de la couche d'extension du guide pour un exemple de convertisseur dans lequel l'écart d'indice de réfraction entre le milieu non linéaire et la couche d'extension du guide est de 0,2 ; - la figure 12 illustre un exemple de convertisseur de fréquence selon l'invention dans lequel aucun guide n'est inscrit dans le milieu (MNL), la zone guidante étant assurée par une nervure au niveau de la couche
Ci -
Nous allons décrire l'invention dans le cas particulier d'un convertisseur de fréquence capable de générer un mode guidé d'ordre 1 dans le bleu, par doublage de fréquence à partir d'un mode guidé d'ordre 1 dans le proche infrarouge au sein d'un guide d'onde réalisé dans un substrat.
Pour cela on peut avantageusement utiliser des matériaux tels que LiNbOβ, LiTaθ3 ou encore KTP dans lesquels la condition de quasi accord de phase peut être assurée par le changement périodique de signe du coefficient non linéaire le plus élevé ^33), pouvant être obtenu par retournement du sens de la polarisation ferroélectrique.
Dans le cas de LiTaθ3, la technique la plus courante pour réaliser localement ce retournement consiste tout d'abord à procéder à un échange entre des ions Li+ du substrat et des ions H+ issus d'un bain acide. Une fois cet échange protonique effectué, le substrat traité est recuit à une température proche du point de Curie du matériau. Moyennant l'utilisation d'un masque à l'échange pour conférer au retournement de polarisation, le caractère périodique voulu, on est capable d'obtenir sous la surface du substrat, l'image de polarisation ferroélectrique représentée à la figure 1. La profondeur D sous laquelle est sensible le caractère périodique dépend du pas Λ, ceci étant lié à la technique utilisée pour atteindre le retournement.
Expérimentalement, on constate qu'un pas de l'ordre de 3,5 μm qui permet d'assurer la condition de quasi accord de phase (QAP) pour une émission dans le bleu par doublage de fréquence, limite la profondeur D à 2 μm.
Il est donc nécessaire de réaliser un guide d'onde permettant un confinement suffisant dans l'épaisseur de 2 μm. Pour chercher à atteindre cet objectif en pratique, la seule voie connue sur ce matériau pour ce type d'application, consiste à procéder à un deuxième échange protonique à travers un masque pour élever localement l'indice de réfraction. On peut alors obtenir un guide tel qu'il est schématisé sur la figure 1 avec une profondeur P. Il est clair que si la technique utilisée pour réaliser ce guide pouvait conduire à une variation d'indice par rapport au substrat très élevé (par exemple entre 0.01 et 0.1), le confinement dans l'épaisseur D = 2 μm d'ondes situées dans le proche infrarouge ou le visible, ne poserait aucun problème. En pratique, si l'échange protonique permet d'obtenir des variations d'indice supérieures à 0.01 dans LiTaθ3, e"es s'accompagnent dans beaucoup de cas d'une diminution très sensible du coefficient non linéaire du matériau (à noter que ce phénomène est encore mieux connu dans LiNbÛ3). Ainsi, pour préserver la valeur du coefficient non linéaire qui intervient de manière quadratique dans le rendement de conversion, on est amené à réaliser des guides présentant des variations d'indice par rapport au substrat de l'ordre de quelques 10"3. Le confinement des ondes n'est alors pas suffisant pour tirer parti au mieux du volume du matériau dans lequel le caractère périodique nécessaire à l'accord de phase est sensible. C'est ce que l'on peut constater sur la figure 2 où l'on a représenté les profils en champ électrique du mode fondamental du guide (G) dans le proche infrarouge (λp| = 860 nm) et du mode fondamental du guide dans le bleu (λβ = 430 nm). Comme nous l'avons déjà indiqué, c'est à une conversion du premier vers le deuxième que nous nous limiterons ici. Pour cette figure 2 on a considéré un guide de profondeur 2 μm d'indice homogène supérieur de 0.004 = ΔΠH+ par rapport au substrat (S) aussi bien dans le proche infrarouge que dans le bleu (Δnπ+ = Δnn+/p|R = ΔΠH+/B). les indices du substrat aux deux longueurs d'ondes considérées étant 2.15 (= nsuB/PIR) et 2.26 (= nsuB B)- On observe en particulier, toujours sur la figure 2, que le maximum du champ électrique pour les deux modes considérés se trouve dans la partie basse de la région où le caractère périodique du coefficient non linéaire est sensible. Ceci est dû à la conjonction d'une faible valeur pour Δn + et de la dissymétrie de la structure guidante dont le profil d'indice est schématisé sur la figure 4a. La solution adoptée dans l'invention consiste à redonner une forme de symétrie au guide en déposant sur l'échantillon une couche diélectrique dont l'indice est proche de celui du substrat (comme illustré en figure 3), cette couche devant jouer le rôle de superstrat en remplacement de l'air pour aboutir au profil d'indice représentée sur la figure 4c, le profil b) entre parenthèses représentant le cas idéal de symétrisation.
Plus précisément, en considérant une largeur de guide de 4 μm, un coefficient non linéaire de 20 μm/N et une longueur d'onde de pompe de 860 nm, on obtient donc avec la structure guidante, sans couche de symétrisation un rendement de conversion normalisé η de 19 %/W.cm2. Ce rendement est communément admis pour caractériser l'efficacité non linéaire locale au sein d'un guide (10 %/W.cm2 correspondant à 1 mW engendré sur 1 cm d'interaction pour 100 mW de pompe).
En utilisant une couche de symétrisation de Ta2θs déposée sur le substrat LiTaθ3 nous avons une configuration favorable pour concentrer les modes guidés dans la zone de non linéarité. En effet : Δnsp|R = ΔnsB = Δns = - 0,08 où Δnsp|R et Δn$β représentent les différences d'indice entre la couche de symétrisation déposée et le substrat, respectivement dans le proche infrarouge et le bleu ; ces variations étant très proches du cas idéal dans lequel ces variations seraient nulles. La figure 5 illustre l'évolution du rendement η de la structure guidante considérée, en fonction de l'épaisseur de la couche de symétrisation en Ta2U5.
On constate une amélioration notable du rendement qui peut atteindre une valeur de l'ordre de 73 %/W.cm2, ce qui représente pratiquement un gain de 4 par rapport au rendement correspondant à la structure brute. Il est également important de noter qu'à partir d'une certaine épaisseur située ici autour de 0.5 μm, le rendement ne dépend plus de cette épaisseur. Ce comportement, dû au fait que la couche déposée joue effectivement le rôle de superstrat c'est-à-dire que son effet sur les conditions de propagation est le même que celui d'une couche d'épaisseur infinie, permet une grande souplesse de réalisation en autorisant un contrôle sommaire de l'épaisseur déposée. Ceci ne serait néanmoins pas le cas avec une couche diélectrique de symétrisation pour laquelle Δn$ serait supérieur à O. En effet, dans ce cas, la couche déposée peut, à partir d'une épaisseur suffisante, jouer le rôle de zone guidante et confiner les modes à l'extérieur de la région où le caractère périodique est sensible.
Le gain notable visible sur la figure 5 a été validé expérimentalement à l'aide du doubleur de fréquence dont les principales étapes de réalisation à partir d'un substrat de LiTaθ3, sont décrites ci-après.
- Retournement périodique de la polarisation ferroélectrique conduisant à la modulation du signe du coefficient non linéaire
* Echange protonique dans un bain d'acide pyrophosphorique à 260°C pendant 30 min * Recuit rapide à 590°C pendant 15 sec
- Elimination de la variation d'indice périodique dû à l'échange protonioue précédent
* Recuit à 400βC pendant 4 h
- Réalisation du guide d'onde * Echange protonique dans un bain d'acide pyrophosphorique à 260βC pendant 30 min
* Recuit à 400βC pendant 5 min
Avec l'échantillon réalisé suivant cette technique, nous avons mesuré dans un guide de 4 de large un rendement normalisé de 15 %/W.cm2. Après dépôt d'une couche Ta2θs réalisée par pulvérisation réactive de tantale sous oxygène, le rendement est passé à 45 % W.cm2. Il est important de noter qu'en plus de l'augmentation notable du rendement vérifié ici expérimentalement, le dépôt d'une couche diélectrique visant à jouer le rôle du superstrat pour la structure guidante, permet d'isoler optiquement de l'extérieur, les modes qui interagissent. Ainsi on rend le doubleur, et de manière plus générale le convertisseur de fréquence, bien moins sensible aux agressions mécaniques qu'il peut subir (rayures, condensation lors d'un refroidissement ...). De plus, si les différentes étapes technologiques ont fait apparaître des défauts sur la surface du substrat, leur influence en terme de diffusion au cours de la propagation se trouve nettement amoindrie, puisque la différence d'indice caractérisant l'interface diffusant est elle-même diminuée par le dépôt.
Pour augmenter davantage l'efficacité de conversion, l'invention propose également d'introduire une couche d'extension du guide Cex d'épaisseur eex et d'indice neg. En effet, pour encore augmenter le confinement optique dans la région située juste au-dessous de la surface du substrat, c'est-à-dire dans la zone où la modulation du coefficient non linéaire est effective, on peut augmenter artificiellement l'épaisseur du guide réalisé par échange protonique, là encore à l'aide d'une couche diélectrique déposée sur le substrat. Pour jouer son rôle, cette couche doit présenter aux différentes longueurs d'ondes concernées, un indice supérieur non seulement à ceux du substrat et du superstrat mais également aux indices effectifs des modes qui interagissent. Sur la figure 6c, cette dernière condition est remplie d'emblée puisque la couche d'extension présente un indice supérieur à celui du guide (Δn^+ < Δneg où Δneg représente la différence entre l'indice de la couche d'extension du guide et celui du substrat). C'est cette situation qui sera visée en pratique pour s'assurer que cette couche joue bien son rôle, alors que la solution idéale consisterait à déposer une couche d'indice égale à celui du guide (Δn|_|+ = Δneg) qui correspond à la situation représentée entre parenthèses sur la figure 6b. Néanmoins, compte tenu de la très faible valeur de An\-\+ et du nombre limité de matériaux disponibles, le risque serait grand de voir l'indice de la couche d'extension passer au-dessous de celui du guide. Si sur la figure 6c la couche de symétrisation a été conservée, c'est précisément parce que son intérêt, en terme d'efficacité de conversion subsiste lorsque l'extension est réalisée avec une couche d'indice bien supérieure à celui du guide. Dans le cas où Δnπ+ = Δneg, la couche de symétrisation n'a pratiquement plus d'influence sur le rendement de conversion mais conserve sa fonction d'isolation optique des modes guidés vis-à-vis de l'extérieur. C'est pour cette raison qu'elle a été maintenue (avec une épaisseur de 0.5 μm) dans les exemples numériques qui sont suivre. Le premier de ces exemples, concerne le cas idéal de la figure 6b, à savoir : Δneg = ΔΠH+ = 0.004 La figure 7 donne dans ce cas l'évolution du rendement de conversion normalisé η en fonction de l'épaisseur e de la couche d'extension du guide, les autres paramètres étant les mêmes que ceux utilisés pour les figures 3 et 5. On constate qu'il existe une épaisseur optimale entre 0.9 et 1.0 μm, pour laquelle le rendement dépasse 200 %/W.cm2. Ceci représente un facteur plus grand que 20 par rapport à la situation où aucune couche n'a été déposée (19 %/W.cm2).
Prenons maintenant l'exemple plus réaliste en pratique, où l'indice de la couche d'extension est supérieur à l'indice du guide réalisé par échange protonique : Δneg = 0.05 (toujours avec ΔΠH+ = 0.004)
La figure 8 indique l'évolution du rendement en fonction de l'épaisseur eex. Cette évolution fait apparaître trois régimes différents. Le régime 1 correspond au but recherché, c'est-à-dire à l'augmentation du rendement par extension du guide (pratiquement 120 %/W.cm2 au maximum). Dans le cas du régime 2, compte tenu du fait que la longueur d'onde harmonique est beaucoup plus petite que la longueur d'onde de pompe, l'épaisseur de la couche d'extension est telle que cette dernière constitue à elle seule un guide pour l'onde harmonique sans que cela soit le cas pour l'onde de pompe. Les deux ondes sont alors confinées dans des régions différentes ce qui explique la diminution importante du rendement qui descend bien au-dessous de sa valeur en l'absence de couche d'extension. Lorsque l'épaisseur de cette couche d'extension continue à augmenter, l'onde de pompe à son tour peut y être confinée. Ceci donne lieu au régime 3 où les ondes pompe et harmonique sont toutes deux confinées dans la couche d'extension c'est-à-dire à l'extérieur de la région où le coefficient non linéaire est modulé. La conversion de fréquence assistée par QAP ne se produit que grâce au recouvrement entre cette région et les parties évanescentes des modes pompe et harmonique.
Dans la configuration que nous avons choisie, la couche d'extension peut, par exemple, être constituée par ND2O5. On alors : Δneg = 0.10 ce qui donne l'évolution du rendement η en fonction de l'épaisseur eex, décrite par la figure 9. Si le régime 1 reste intéressant puisqu'il permet au rendement de dépasser 100 %/W.cm2, le régime 3 conduit à une valeur supérieure à 120 %/W.cm2. Le profil des champs qui interagissent est donné sur la figure 10b), la figure 10a) reprenant pour comparaison, le cas de la figure 2 où aucune couche n'a été déposée.
Si on continue à augmenter l'indice de la couche d'extension, la tendance qui vient d'être mise en évidence se confirme. C'est ce que l'on peut constater sur la figure 10 qui représente la même évolution que les figures précédentes mais avant : Δneg = 0.20
Sur cette figure 1 , on observe que le régime 1 ne donne plus lieu qu'à un rendement avoisinant 100 %/W.cm2, alors que le régime 3 conduit à une valeur supérieure à 210 %/W.cm2. Dans ce cas la faible valeur de Δnn+ (0.004), n'a plus qu'une influence négligeable sur les conditions de propagation. Annuler cette valeur, c'est-à-dire ne pas réaliser de guide par échange protonique avant dépôt des couches diélectriques, ne changerait pratiquement pas la valeur du rendement. C'est pourquoi, l'invention a aussi pour objet un convertisseur de fréquence dans lequel on réalise un guide extérieur à la région du substrat où le coefficient non linéaire est modulé en signe.
Sur la figure 11 , on a représenté en pointillés l'évolution du rendement de conversion en fonction de l'épaisseur eex de la couche d'extension dans le cas Δnπ+ = 0, c'est-à-dire sans qu'un guide par échange protonique n'ait été réalisé avant dépôt des couches diélectriques (on a toujours Δneg = 0.20). Comme prévu, cette absence de guide protonique ne change pas le rendement élevé obtenu dans le régime 3. Ceci constitue un élément très important puisqu'il devient possible de s'affranchir de la présence de protons dans la région où le matériau constituant le substrat est utilisé effectivement pour ses propriétés non linéaires, c'est-à-dire dans la zone où le coefficient non linéaire est modulé. Or cette présence de protons est connue pour précisément diminuer ce coefficient dont l'influence est quadratique sur le rendement de conversion. Il est vrai que le retournement périodique de la polarisation ferroélectrique qui conduit à la modulation du coefficient non linéaire est obtenu à partir d'un échange protonique. Mais de cet échange aucune augmentation locale d'indice n'est escompté, bien au contraire cette augmentation constitue une modulation parasite que l'on cherche à éliminer par un recuit long (4h à 400°C) qui est supposé également restaurer la valeur initiale du coefficient non linéaire, cette étape n'étant bien entendu pas envisageable lorsqu'une variation d'indice notable doit être maintenue, en particulier quand la fonction de guidage optique est visée. Reste la question du confinement latérale. Dans le cas où le guidage des modes est assuré par l'échange protonique, ce confinement (dans la direction Oy sur la figure 1) est directement obtenu par une localisation latérale de cet échange qui se produit donc à travers un masque en forme de ruban. Ainsi la section des guides réalisés peut se schématiser comme sur la figure 12 selon que le guide est : a) brut (exempt de couche diélectrique) b) muni d'une couche de symétrisation c) muni de couches d'extension et de symétrisation Dans le cas où l'on s'affranchit de l'emploi d'échange protonique pour le guidage optique qui ne s'obtient plus que par la couche d'extension, une géométrie du type "nervure" réalisée par ablation partielle et localisée de la couche de symétrisation, convient parfaitement pour obtenir le confinement latéral. Cette dernière possibilité est illustrée par le schéma d) de la figure 12.
Dans tout ce qui précède, nous avons traité préférentiellement de conversion entre modes de même nature (modes fondamentaux aussi bien pour l'onde proche infrarouge que pour celle appartenant à la région bleue du spectre). Or, en matière d'accord de phase pour une opération de conversion de fréquence dans un guide d'onde, il est plus favorable que les modes correspondant aux plus courtes longueurs d'onde soient d'ordre plus élevé que ceux associés aux plus grandes longueurs d'ondes, la dispersion modale permettant alors de compenser tout ou partie de la dispersion des indices de réfraction. Or, si ceci pose un problème dans le cas de l'émission dans le bleu par doublage de fréquence où celle-ci doit se produire dans un mode fondamental du guide, l'approche est différente dans le cas d'un Oscillateur Paramétrique Optique Intégré (OPOI) où les ondes engendrées le sont à plus grande longueur d'onde que celle de la pompe qui peut donc avantageusement être confinée dans un mode d'ordre 2. Ainsi, pour des applications du type OPOI basé sur le QAP, l'invention permet de diminuer de manière très sensible le seuil attendu d'un tel convertisseur réalisé sur LiTaθ3 ou LiNbθ3, pour tendre vers le mW dans le cadre d'un pompage par diode vers 0.8 μm via un mode d'ordre 2 et d'une émission autour de 1.5 μm dans des modes fondamentaux du guide. Ceci est possible car l'invention consiste en fait à dissocier les solutions apportées aux problèmes d'accord de phase d'intégrale de recouvrement même si l'approche est équivalente dans les deux cas : structure périodique pour l'accord de phase et couches diélectriques discrètes pour le recouvrement. Pour conclure, l'empilement de couches diélectriques sur une structure guidante préexistante ou non, permet de compenser la différence de vecteur k dans la direction perpendiculaire à celle de la propagation.

Claims

REVENDICATIONS
1. Convertisseur de fréquence comprenant un guide d'indice de réfraction ng, alimenté par une ou des ondes lumineuses de fréquence ωjn, comprenant également un milieu non linéaire (MNL) d'indice ns (inférieur à ng) dans lequel la condition d'accord de phase entre la polarisation non- linéaire engendrée par les ondes incidentes, et les ondes créées aux fréquences ωem est satisfaite sur une profondeur D de milieu non linéaire, par modulation périodique d'un paramètre intervenant dans l'interaction non linéaire, ladite profondeur étant définie dans un plan peφendiculaire à l'axe de propagation des ondes incidentes et créées, lesdites ondes étant confinées dans les deux directions peφendiculaires à leur axe de propagation, caractérisé en ce que : le convertisseur comprend une couche C située à la surface du milieu non linéaire et d'indice de réfraction N tel qu'il augmente le recouvrement spatial dans le plan peφendiculaire à l'axe de propagation des ondes incidentes et créées, d'une part de la polarisation non linéaire engendrée par les modes guidés d'ordre kj des ondes incidentes et d'autre part des modes guidés d'ordre Ij des ondes créées et ce dans une région située au-dessus de la profondeur D du milieu (MNL).
2. Convertisseur de fréquence selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la couche C est une couche de symétrisation C-| d'indice de réfraction inférieur à ng et voisin de ns, de manière à augmenter le recouvrement spatial de la polarisation non linéaire engendrée par les modes fondamentaux des ondes incidentes et les modes fondamentaux des ondes créées.
3. Convertisseur de fréquence selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend entre le milieu (MNL) et la couche C-j , une couche Cex d'indice neg voisin de l'indice du guide ng.
4. Convertisseur de fréquence selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une couche C'ex d'indice ng, la variation d'indice ng et ns étant telle que le confinement bidimensionnel des modes guidés est assuré à l'interface couche C'ex/milieu (MNL) et ce par une nervure au niveau de la couche C-| .
5. Convertisseur de fréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que le confinement latéral est assuré par une nervure au niveau des couches C-| et C'ex.
6. Convertisseur de fréquence selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le milieu (MNL) est en LiTaθ3.
7. Convertisseur de fréquence selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche Ci est en Ta2Û5.
8. Convertisseur de fréquence selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche Cex est en Nb2θs.
9. Convertisseur de fréquence selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche Cex est en Tiθ2-
10. Convertisseur de fréquence selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la couche C est une couche C2 d'indice de réfraction n2 supérieur à ns et proche de l'indice ng de manière à augmenter le recouvrement spatial de la polarisation non linéaire engendrée par les modes guidés d'ordre kj des ondes incidentes et des modes guidés d'ordre Ij ≠ kj des ondes créées.
11. Convertisseur de fréquence selon l'une des revendications 2 ou 10, caractérisé en ce que le guide est confiné latéralement dans une direction perpendiculaire à la direction de propagation des ondes et à la profondeur D, dans le milieu (MNL) dans la région où la condition d'accord de phase est satisfaite.
12. Convertisseur de fréquence selon l'une des revendications 2, 3 ou 10, caractérisé en ce que le guide est un guide plan non confiné latéralement dans le milieu (MNL) dans la région où la condition d'accord de phase est satisfaite, le confinement latéral étant assuré par une surépaisseur de la couche C.
13. Convertisseur de fréquence selon la revendication 10, caractérisé en ce que la couche C a un indice de réfraction ng, la variation d'indice entre ng et ns étant telle que le confinement latéral des modes guidés est assuré à l'interface couche C/milieu (MNL) et ce par une nervure au niveau de la couche C.
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