FR2686431A1 - Doubleur de frequence optique utilisant des structures quantiques semiconductrices. - Google Patents
Doubleur de frequence optique utilisant des structures quantiques semiconductrices. Download PDFInfo
- Publication number
- FR2686431A1 FR2686431A1 FR9200583A FR9200583A FR2686431A1 FR 2686431 A1 FR2686431 A1 FR 2686431A1 FR 9200583 A FR9200583 A FR 9200583A FR 9200583 A FR9200583 A FR 9200583A FR 2686431 A1 FR2686431 A1 FR 2686431A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- frequency doubler
- semiconductor structure
- layers
- level
- wells
- Prior art date
- Legal status (The legal status 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 status listed.)
- Granted
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 32
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 27
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 7
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 4
- MYLBTCQBKAKUTJ-UHFFFAOYSA-N 7-methyl-6,8-bis(methylsulfanyl)pyrrolo[1,2-a]pyrazine Chemical compound C1=CN=CC2=C(SC)C(C)=C(SC)N21 MYLBTCQBKAKUTJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 8
- 101100506042 Ruminococcus albus Eg IV gene Proteins 0.000 description 3
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000258241 Mantis Species 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 235000021178 picnic Nutrition 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- 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
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- 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
- G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
- G02F1/3556—Semiconductor materials, e.g. quantum wells
-
- 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
- G02F1/01—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 for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/0126—Opto-optical modulation, i.e. control of one light beam by another light beam, not otherwise provided for in this subclass
-
- 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
- G02F1/01—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 for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—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 for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
- G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
- G02F1/01725—Non-rectangular quantum well structures, e.g. graded or stepped quantum wells
- G02F1/0175—Non-rectangular quantum well structures, e.g. graded or stepped quantum wells with a spatially varied well profile, e.g. graded or stepped quantum wells
- G02F1/01758—Non-rectangular quantum well structures, e.g. graded or stepped quantum wells with a spatially varied well profile, e.g. graded or stepped quantum wells with an asymmetric well profile, e.g. asymmetrically stepped quantum wells
-
- 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
- G02F1/01—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 for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/21—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 for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference
-
- 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
- G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
- G02F1/3544—Particular phase matching techniques
- G02F1/3548—Quasi phase matching [QPM], e.g. using a periodic domain inverted structure
-
- 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
- G02F2201/00—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00
- G02F2201/12—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 electrode
- G02F2201/124—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 electrode interdigital
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
L'invention concerne un doubleur de fréquence comprenant une structure semiconductrice à puits quantiques et un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 permettant d'amplifier notablement le doublement de fréquence. Le réseau peut être inscrit optiquement ou électriquement au sein de la structure semiconductrice et présente un pas dans le plan de ladite structure. Application: Systèmes d'enregistrement ou de lecture optique.
Description
i
DOUBLEUR DE FREQUENCE OPTIQUE UTILISANT DES STRUCTURES
QUANTIQUES SEMICONDUCTRICES
L'invention concerne un doubleur de fréquence d'onde électromagné-
tique comprenant une structure semiconductrice à puits quantiques capable d'ampli-
fier les effets optiques non linéaires et notamment la génération de seconde harmo-
nique. Les doubleurs de fréquence peuvent avantageusement être utilisés dans
les systèmes d'enregistrement et de lecture optiques ou tout autre domaine dans le-
quel on cherche à disposer de source de puissance à une longueur d'onde détermi-
née que les matériaux classiques employés ne peuvent générer Cependant, le pro-
l O blème majeur des doubleurs de fréquence réside dans l'accord de phase à réaliser impérativement entre la polarisation créée par l'onde électromagnétique incidente et l'onde harmonique créée En effet l'onde harmonique créée se propage dans un matériau avec un vecteur d'onde k 2 ow tel que: k 2 w= 2 ir 112 w)/X 22) = 2 x 2 ic 112 /X O TI 2 W est l'indice de réfraction du matériau à la fréquence 2 co, si wo est la fréquence de l'onde électromagnétique incidente qui se propage avec un vecteur
k<" tel que kcw = 2 it ll W/Xw.
rl( étant l'indice de réfraction du matériau à la fréquence w.
Généralement Va est différent de 112 (w et le déphasage existant entre la
polarisation créée par l'onde électromagnétique incidente et l'onde harmonique li-
mite de façon rédhibitoire l'efficacité de conversion de la fréquence en 2 On appelle longueur de cohérence Lc, la longueur de matériau au bout de laquelle ce déphasage atteint ns, Lc étant donc définie de la manière suivante: Lc(k 2 w)-2 k") =
7 C, soit encore Lc = XW/4 ( 112 w-iw).
Une solution connue pour pallier ce problème consiste à utiliser une perturbation périodique avec un pas A de manière à former par exemple un réseau d'indice ou un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 notée x( 2) responsable de la génération de seconde harmonique A En choisissant astucieusement A tel que Le = on parvient à cumuler la puissance émise à la fréquence 2 W au cours du chemin parcouru par l'onde électromagnétique incidente comme l'illustre la figure 1 représentant l'évolution de la puissance créée à la fréquence 2 co, en fonction de la longueur 1 parcourue au sein du doubleur Sans réseau on obtient la courbe P 2 Uol en fonction de 1, en utilisant
une structure réseau dans laquelle on crée périodiquement des domaines dans les-
quels le coefficient x( 2) n'est pas nul, séparés de domaines dans lesquels le coeffi-
s cient x( 2) est nul, on obtient la courbe P 2 oe,2 Enfin en créant un réseau de do-
maines +X( 2) séparés de domaines -x( 2) on obtient la courbe P 2 ce,3 la plus perfor-
mante. Pour obtenir une efficacité élevée au sein d'un doubleur de fréquence l'invention propose d'utiliser une structure semiconductrice à puits quantique dont
on sait qu'une telle structure permet d'amplifier fortement les effets optiques non li-
néaires, et d'inscrire dans cette structure un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 afin de réaliser la condition de quasi accord de phase, ledit réseau étant
commandable optiquement ou électriquement Plus précisément, l'invention pro-
pose un doubleur de fréquence d'onde électromagnétique de longueur d'onde X An comprenant une structure semiconductrice comportant un empilement de couches
constituées de matériaux semiconducteurs permettant la création de puits de poten-
tiel caractérisé en ce qu'il existe au moins deux niveaux discrets d'énergie ei et e 2 dans les puits tels que el est inférieur à e 2, que la densité de probabilité de présence d'électrons sur e 2 est une fonction asymétrique et que ledit doubleur comprend un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 résultant du peuplement en électrons du niveau el et de cette asymétrie, le pas du réseau étant dans le plan des couches, ledit réseau étant commandable optiquement ou électriquement et permettant d'assurer l'accord de phase entre une polarisation créée par une onde électromagnétique incidente et une onde harmonique créée, les deux ondes se
propageant dans le plan de la structure semiconductrice.
Le doubleur de fréquence selon l'invention peut avantageusement être obtenu à partir d'au moins un ensemble de couches de matériaux MI, MII, Mm et
MIV de manière à définir des puits quantiques asymétriques présentant deux lar-
geurs centrales de bande interdite différentes, les puits ayant au moins deux niveaux discrets d'énergie ei et e 2 Le niveau électronique ei peut être peuplé optiquement
sous l'action d'un faisceau optique de longueur d'onde Ip telle que hc/Xp est supé-
rieure à (el-hl); h étant la constant de Planck et c la vitesse de la lumière En utili-
sant deux faisceaux lumineux émettant à Xp et faisant des angles e de part et d'autre de la normale au plan des couches, on peut ainsi définir des franges d'interférences capables localement d'irradier ou non la structure semiconductrice de manière à peupler localement et périodiquement le niveau énergétique el Sous l'incidence
d'une onde électromagnétique de longueur d'onde Xco, on crée ainsi de la généra-
tion de seconde harmonique dans les régions o le niveau ei est peuplé; on définit alors optiquement un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 dont le pas est ajustable en fonction de l'angle 20 entre les faisceaux incidents à la longueur d'onde Ip.
Dans un doubleur selon l'invention on peut également utiliser une struc-
ture semiconductrice comportant au moins un ensemble de couches de matériaux M'I, M'II, M'm et M'IV de manière à définir des puits quantiques présentant trois largeurs centrales de bande interdite E'gj, E'gjj, E'gj, E'g IV, E'gl I et E'g IV étant égales et supérieures à E'gj et les puits quantiques étant rendus asymétriques par l'application d'un champ électrique perpendiculaire au plan des couches Dans
le cas d'une telle structure possédant un puits quantique symétrique rendu asymé-
trique par l'application d'un champ électrique le matériau M'm peut être dopé de manière à avoir intrinsèquement un niveau el peuplé et la génération de seconde
harmonique peut avantageusement se faire localement et périodiquement en dépo-
sant des électrodes interdigitées à la surface de la structure semiconductrice créant des régions de susceptibilités d'ordre 2: + X( 2) et des régions de susceptibilités
d'ordre 2: -( 2).
La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages
apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et des figures annexées
parmi lesquelles:
la figure 1 illustre le comportement de la puissance créée à la fré-
quence 2 o sous l'action d'une onde électromagnétique en fonction du chemin par-
couru au sein de la structure doubleur de fréquence: la courbe P 2 o, 1 représente l'évolution de la puissance 2 c" d'une structure sans réseau la courbe P 2 co,2 représente l'évolution de la puissance 2 oe d'une structure comprenant des domaines + x( 2) séparés périodiquement par des domaines o la susceptibilité d'ordre 2 est nulle la courbe P 2 oe,3 représente l'évolution de la puissance 2 W d'une
structure comprenant des domaines + x( 2) séparés périodi-
quement par des domaines x( 2) la figure 2 schématise un puits quantique à 2 niveaux énergétiques sur lesquels sont représentées les densités de probabilité de présence d'électrons; la figure 3 illustre un exemple de puits asymétrique avec les densités de probabilité de présence d'électrons sur les niveaux énergétiques au sein du puits, pouvant être réalisé dans une structure semiconductrice utilisée dans un doubleur de fréquence selon l'invention; la figure 4 illustre un puits quantique asymétrique: la figure 4 a: puits à 3 niveaux avec les transitions possibles figure 4 b: puits à 2 niveaux avec les transitions possibles la figure 5 illustre un exemple de doubleur de fréquence selon l'invention utilisant une commande optique d'un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 réalisé au sein d'une structure semiconductrice à puits quantique asymétriques; la figure 6 illustre un exemple de structure semiconductrice utilisée dans un doubleur de fréquence selon l'invention, conçue autour des matériaux Ga As/Ga Al As; la figure 7 illustre un exemple de puits quantique symétrique pouvant être réalisé dans une structure semiconductrice utilisée dans un doubleur de fréquence selon l'invention la figure 7 a montre la densité de probabilité de présence d'électrons sur les niveaux énergétiques au sein du puits en l'absence de champ électrique la figure 7 b montre la densité de probabilité de présence d'électrons sur les niveaux énergétiques au sein du puits en présence d'un champ électrique la figure 8 illustre un exemple de doubleur de fréquence selon l'invention utilisant une commande électrique d'un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 réalisé au sein d'une structure semiconductrice à puits quantiques symétrique. De façon générale, l'association d'au moins trois couches de matériaux semiconducteurs ayant des largeurs de bande interdite différentes permet la création d'un puits de potentiel pour les électrons dans la bande de conduction et pour les trous dans la bande de valence Lorsque les dimensions de ce puits sont proches de longueurs d'ondes de Broglie associées à ces particules, l'énergie totale qui leur est permise ne peut prendre qu'un nombre fini de valeurs discrètes Ce nombre de valeurs et ces valeurs sont directement fonction des dimensions des puits quantiques et des caractéristiques des matériaux semiconducteurs Dans le cas d'un puits quantique obtenu par l'association de trois matériaux telle que ce puits présente deux niveaux discrets d'énergie e A et e B illustrés par la figure 2, il est possible sous l'action d'une onde électromagnétique de générer une transition du niveau e A au niveau e B, les densités de probabilité de présence sur les niveaux e A et e B sont représentées sur cette figure ainsi que les bandes de conduction (BC) et de valence (BV) de la structure Pour cela la longueur d'onde I Xo de l'onde électromagnétique doit être telle que (e B-e A) soit proche de hc/XIW Dans le cas d'une structure présentant un puits quantique symétrique tel que celui représenté à la figure 2, la densité de probabilité de présence d'un électron sur le niveau supérieur est une courbe symétrique qui ne présente pas de dipôle et donc de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 Dans le cas d'une structure à puits quantique asymétrique telle que celle représentée à la figure 3 obtenue à partir de quatre matériaux MI, MlI, MIII et MIV, la densité de probabilité de présence d'électrons sur le niveau énergétique e 2 est asymétrique et contribue à créer des dipôles, responsables de la susceptibilité non linéaire d'ordre 2 qui se trouve alors nettement augmentée par rapport à celle créée au sein des matériaux MI, MII, ME et MIV lorsqu'ils sont sous leur forme "massive", c'est-à-dire dans une configuration qui ne permet pas
l'observation des phénomènes quantiques évoqués ici.
Cette résonance de la susceptibilité non linéaire d'ordre 2 peut être mise
à profit en particulier dans le domaine de la génération de seconde harmonique.
Pour cela on élabore de préférence une structure semiconductrice qui possède trois niveaux discrets d'énergie el, e 2 et e 3 dans la bande de conduction et trois niveaux discrets d'énergie hl, h 2 et h 3 dans la bande de valence tels que: ei hl est compris entre Eg II et Eg I e 2 h 2 est compris entre Eg I et Eg IV e 3 h 3 est compris entre Eg I et Eg IV et tel que (e 3-h 3) (e 2 h 2) est peu différent de (e 2 h 2) (el hl), Ega I, Eg III et Eg IV étant les trois largeurs de bande interdite du puits, une telle configuration est particulièrement favorable à l'émission d'une onde à la fréquence 2 oe sous l'action d'une onde électromagnétique
à la fréquence co.
La figure 4 a illustre les transitions permises avec une structure semiconductrice présentant trois niveaux discrets d'énergie La figure 4 b montre que les mêmes transitions sont possibles avec une structure à deux niveaux, le niveau e 3 discret et alors remplacé par un continuum d'états (C) dans la bande de conduction configuration moins favorable à la génération de seconde harmonique. Le doubleur de fréquence selon l'invention utilise avantageusement ce type de structure semiconductrice conduisant à une augmentation de la valeur X( 2) de la susceptibilité non linéaire d'ordre 2 qui est spatialement modulée pour obtenir l'accord de phase Pour créer de la génération de seconde harmonique, il faut que les transitions inter sous bandes (entre el et e 2) se produisent effectivement et donc que le niveau fondamental ei soit peuplé d'électrons Si ce niveau ei n'est pas peuplé, aucune transition ne se produit et la valeur x( 2) reste celle prise dans les matériaux lorsqu'ils sont sous leur forme "massive", c'est-à-dire beaucoup plus faible (environ trois ordres de grandeur de différence) Dans un doubleur de fréquence selon l'invention on propose de commander optiquement le peuplement en électrons de la bande de conduction et en trous de la bande de valence, en éclairant avec une onde dont l'énergie photonique est suffisante pour susciter des
transitions inter-bandes c'est-à-dire entre bande de valence et bande de conduction.
Pour réaliser le réseau permettant l'accord de phase entre onde électromagnétique et onde harmonique, on utilise de préférence une commande optique obtenue par interférence de deux faisceaux optiques faisant des angles O de part et d'autre de la normale au plan des couches de manière à définir périodiquement des zones dans lesquelles le niveau el est peuplé et des zones dans lesquelles le niveau ei n'est pas peuplé On constitue ainsi le réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 au sein de la structure semiconductrice (SP) déposée sur un substrat S, décrit à la figure 5, qui utilise la juxtaposition de plusieurs puits asymétriques pour accroître davantage la conversion de fréquence Les régions dans lesquelles les faisceaux optiques ont des interférences destructives ont des valeurs de x( 2) très faibles devant celles des régions voisines et sont schématisées sur la figure 4 par des valeurs de x( 2) proches de zéro Ce type de commande optique est particulièrement intéressante dans la mesure o le contrôle de l'angle O permet d'ajuster le pas du réseau à la longueur d'onde le) de l'onde électromagnétique dont on cherche à doubler la fréquence On dispose ainsi d'un doubleur de fréquence comprenant un réseau de susceptibilité non
linéaire d'ordre 2 reconfigurable par commande optique.
A titre d'exemple la structure semiconductrice utilisée dans un doubleur de fréquence selon l'invention peut être conçue autour des matériaux Ga As/Ga Al As Plus précisément les matériaux MI, MII, M II Iet MIV peuvent ètre les suivants: MI: Ga 0,6 A 10,4 As MII: Ga As MIII: Ga 0,9 A 10,1 As Mi V: Ga 0,6 A 10,4 As L'épaisseur de la couche de matériau MII étant de 59,4 Angstroems et
l'épaisseur de la couche de matériau Mim étant de 42,4 Angstroems.
Dans une telle structure, il existe trois niveaux discrets d'énergie ell, e 21 et e 31 dans la bande de conduction du puits Cet exemple de structure est
illustré par la figure 6.
Le puits quantique asymétrique de la structure est tel que le niveau ell ne soit pas préalablement peuplé afin de bien contrôler optiquement le peuplement du niveau el 1 Typiquement les écarts énergétiques sont les suivants: e 21 ell = 118,8 me V e 31 e 21 = 114,7 me V Ainsi une telle structure est particulièrement bien adaptée au doublement de fréquence d'une onde électromagnétique de longueur d'onde Xa) = 10,6 gm En effet dans ce cas hc/X(o est de l'ordre de 117 me V Avec un pompage optique permettant une concentration de porteurs de 1017 électrons/cm 3 on obtient une valeur de susceptibilité d'ordre 2 X( 2) voisine de 2 105 pm/V (notons que dans
Ga As sous sa forme "massive", la valeur de x( 2) est de l'ordre de 4 10 102 pm/V).
Pour atteindre la condition de quasi accord de phase on cherche à obtenir un
éclairement périodique dont l'interfrange est égale à 2 longueurs de cohérence.
L'angle O que font les deux faisceaux avec la normale au plan des couches doit alors vérifier la condition Sin O = Xp/4 Lc si Xp est la longueur d'onde de ces deux faisceaux Dans le cadre des matériaux utilisés pour la structure semiconductrice choisie Xp est voisine de 0, 84 /m La longueur de cohérence étant de l'ordre de
/m on détermine ainsi un angle O égal à 0,12 .
Les doubleurs de fréquence décrits précédemment utilisent
avantageusement une structure semiconductrice à puits quantique asymétrique.
L'invention propose également de faire du doublage de fréquence dans un puits symétrique En effet une configuration symétrique peut être modifiée en puits asymétrique sous l'effet d'un champ électrique La figure 7 illustre un exemple de puits symétrique utilisant cinq matériaux différents M'I, M'11, M'm, M'IV et M'V Sur la figure 7 a les densités de probabilité de présence d'électrons sont s représentées sur deux niveaux énergétiques discrets e'l et e'2 Sur le niveau supérieur e'2 la densité est une courbe symétrique En présence d'un champ électrique E, il est possible de déformer l'allure du puits symétrique et de créer une asymétrie au niveau de la densité de probabilité de présence d'électrons sur le niveau e'2 et ainsi générer un dipôle responsable de la génération de seconde harmonique Suivant le sens du champ on est ainsi capable de créer des zones de susceptibilité non linéaire d'ordre 2: + X( 2) et des zones de susceptibilité non linéaire d'ordre 2: ( 2) La figure 8 montre un exemple de doubleur de fréquence selon l'invention utilisant un puits symétrique rendu asymétrique par la présence d'électrodes interdigitées (Ed) déposées à la surface de la structure semiconductrice
(SP'), elle-même déposée sur un substrat (S') Pour obtenir le réseau l+ x( 2), -
X( 2)l, les matériaux employés peuvent être dopés de manière à disposer de niveaux
énergétiques e'1 peuplés électroniquement.
Claims (8)
1 Doubleur de fréquence d'onde électromagnétique de longueur d'onde XB comprenant une structure semiconductrice comportant un empilement de couches constituées de matériaux semiconducteurs permettant la création de puits de potentiel caractérisé en ce qu'il existe au moins deux niveaux discrets d'énergie et et e 2 dans les puits tels que et est inférieur à e 2, que la densité -de probabilité de présence d'électrons sur e 2 est une fonction asymétrique et que ledit doubleur comprend un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 résultant du peuplement en électrons du niveau ei et de cette asymétrie, le pas du réseau étant dans le plan des couches, ledit réseau étant commandable optiquement ou électriquement et permettant d'assurer l'accord de phase entre la polarisation créée par une onde électromagnétique incidente et une onde harmonique créée, les deux ondes se
propageant dans le plan de la structure semiconductrice.
2 Doubleur de fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure semiconductrice comporte au moins un ensemble de couches de matériaux MI, MII, MIII et MIV de manière à définir des puits quantiques asymétriques présentant deux largeurs centrales de bande interdite différentes, le
puits ayant au moins deux niveaux discrets d'énergie et et e 2.
3 Doubleur de fréquence selon la revendication 2, caractérisé en ce que la structure semiconductrice est localement et périodiquement irradiée par un faisceau optique de longueur d'onde Xp de manière à peupler électroniquement le
niveau énergétique el.
4 Doubleur de fréquence selon la revendication 3, caractérisé en ce que deux faisceaux optiques faisant des angles O de part et d'autre de la normale au plan des couches, irradient l'ensemble de la structure et définissent des franges d'interférences capables de réaliser périodiquement des régions de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 x( 2) séparées par des régions de susceptibilité non linéaire
d'ordre 2 beaucoup plus faible que X( 2).
Doubleur de fréquence selon l'une des revendications 3 ou 4,
caractérisé en ce que Ip est voisine de 0,8 gm.
6 Doubleur de fréquence selon l'une des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que Xco est voisine de 10 gm.
7 Doubleur de fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure semiconductrice comporte au moins un ensemble de couches de matériaux M'I, M'II, M'I, M'IV et M'V de manière à définir des puits quantiques présentant trois largeurs centrales de bande interdite E'gij, E'glj, et E'gj V, E'gl I et E'g V étant égales et supérieures à E'gjj et les puits quantiques étant rendus asymétriques par l'application d'un champ électrique perpendiculaire
au plan des couches.
8 Doubleur de fréquence selon la revendication 7, caractérisé en ce que
le matériau M'11 est dopé et que son niveau e'1 est peuplé.
9 Doubleur de fréquence selon l'une des revendications 7 ou 8,
caractérisé en ce que les électrodes interdigitées déposées à la surface de la structure semiconductrice permettent d'appliquer localement et périodiquement des potentiels alternés capables de créer des régions de susceptibilités non linéaire d'ordre 2
+X( 2) et des régions de susceptibilité non linéaire d'ordre 2: -( 2).
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR9200583A FR2686431A1 (fr) | 1992-01-21 | 1992-01-21 | Doubleur de frequence optique utilisant des structures quantiques semiconductrices. |
EP19930400063 EP0557141A1 (fr) | 1992-01-21 | 1993-01-13 | Doubleur de fréquence optique utilisant des structures quantiques semi-conductrices |
US08/006,608 US5289309A (en) | 1992-01-21 | 1993-01-21 | Optical frequency doubler using quantum well semiconductor structures |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR9200583A FR2686431A1 (fr) | 1992-01-21 | 1992-01-21 | Doubleur de frequence optique utilisant des structures quantiques semiconductrices. |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FR2686431A1 true FR2686431A1 (fr) | 1993-07-23 |
FR2686431B1 FR2686431B1 (fr) | 1995-05-24 |
Family
ID=9425817
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FR9200583A Granted FR2686431A1 (fr) | 1992-01-21 | 1992-01-21 | Doubleur de frequence optique utilisant des structures quantiques semiconductrices. |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5289309A (fr) |
EP (1) | EP0557141A1 (fr) |
FR (1) | FR2686431A1 (fr) |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5434700A (en) * | 1993-12-16 | 1995-07-18 | Bell Communications Research, Inc. | All-optical wavelength converter |
FR2718539B1 (fr) * | 1994-04-08 | 1996-04-26 | Thomson Csf | Dispositif d'amplification de taux de modulation d'amplitude d'un faisceau optique. |
FR2725081B1 (fr) * | 1994-09-23 | 1996-11-15 | Thomson Csf | Source optique compacte, basee sur le doublage de frequence d'un laser et auto-stabilisee par depeuplement de la pompe |
FR2749721B1 (fr) * | 1996-06-07 | 1998-11-27 | Thomson Csf | Commutateur electrique a photoconducteur |
US6064512A (en) * | 1997-06-05 | 2000-05-16 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Patterned poled structure devices having increased aperture size, increased power handling and three dimensional patterning capabilities |
FR2784185B1 (fr) | 1998-10-06 | 2001-02-02 | Thomson Csf | Dispositif pour l'harmonisation entre une voie d'emission laser et une voie passive d'observation |
FR2796211B1 (fr) | 1999-07-09 | 2001-10-12 | Thomson Csf | Cavite optique instable pour faisceau laser |
FR2814281B1 (fr) * | 2000-09-19 | 2003-08-29 | Thomson Lcd | Matrice active tft pour capteur optique comportant une couche semi-conductrice photosensible, et capteur optique comportant une telle matrice |
US10353269B2 (en) * | 2016-02-26 | 2019-07-16 | The Trustees Of Princeton University | Multi-mode cavities for high-efficiency nonlinear wavelength conversion formed with overlap optimization |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1990006596A1 (fr) * | 1988-12-06 | 1990-06-14 | Thomson-Csf | Dispositif de detection et de traitement de rayonnements optiques |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4528464A (en) * | 1983-02-28 | 1985-07-09 | At&T Bell Laboratories | Degenerate four-wave mixer using multiple quantum well structures |
US4822992A (en) * | 1987-12-31 | 1989-04-18 | American Telephone And Telegraph Company | Wavelength conversion using self electrooptic effect devices |
US4896931A (en) * | 1988-08-18 | 1990-01-30 | North American Philips Corp. | Frequency doubling device |
JP2698394B2 (ja) * | 1988-09-30 | 1998-01-19 | キヤノン株式会社 | 非線形光学素子 |
-
1992
- 1992-01-21 FR FR9200583A patent/FR2686431A1/fr active Granted
-
1993
- 1993-01-13 EP EP19930400063 patent/EP0557141A1/fr not_active Ceased
- 1993-01-21 US US08/006,608 patent/US5289309A/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1990006596A1 (fr) * | 1988-12-06 | 1990-06-14 | Thomson-Csf | Dispositif de detection et de traitement de rayonnements optiques |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS. vol. 25, no. 1, Janvier 1989, NEW YORK US pages 54 - 60 , XP000000617 Z. IKONIC ET AL. 'Resonant second harmonic generation by a semiconductor quantum well in electric field' * |
NONLINEAR OPTICS 1990 DIGEST, PAPER TP13 Juillet 1990, pages 113 - 114 , XP000203426 A. SA`AR ET AL. 'Infrared second harmonic generation by intersubband transitions in a AlGaAs/GaAs quantum well structures' * |
PHYSICAL REVIEW LETTERS vol. 62, no. 9, Février 1989, NEW YORK US pages 1041 - 1044 , XP000122650 M.M. FEJER ET AL. 'Observation of extremely large quadratic susceptibility at 9.6-10.8 microns in electric-field-biased AlGaAs quantum wells' * |
PROC. PHYSICAL CONCEPTS OF MATERIALS FOR NOVEL OPTOELECTRONIC DEVICE APPLICATIONS I; SPIE VOL 1361 1990, pages 262 - 273 , XP000238902 J.S. HARRIS, JR. ET AL. 'Quantum wells and artificially structured materials for non-linear optics' * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP0557141A1 (fr) | 1993-08-25 |
FR2686431B1 (fr) | 1995-05-24 |
US5289309A (en) | 1994-02-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0575227B1 (fr) | Procédé et dispositif de modulation et d'amplification de faisceaux lumineux | |
EP2676166B1 (fr) | Modulateur terahertz | |
WO2013092665A1 (fr) | Procede de fabrication d'un micro- ou nano- fil semiconducteur, structure semiconductrice comportant un tel micro- ou nano- fil et procede de fabrication d'une structure semiconductrice | |
EP1946387A1 (fr) | Structure optique de localisation d'un champ electro-magnetique et dispositif detecteurs ou emetteurs comprenant une telle structure | |
EP0031263A1 (fr) | Dispositif optique non-linéaire à guide d'onde composite et source de rayonnement utilisant un tel dispositif | |
FR2686431A1 (fr) | Doubleur de frequence optique utilisant des structures quantiques semiconductrices. | |
FR2678093A1 (fr) | Dispositif photorefractif. | |
EP0306400B1 (fr) | Modulateur pour onde électromagnétique, à puits quantiques, et utilisation de ce modulateur comme polariseur | |
EP1695390A1 (fr) | Photo-detecteur a concentration de champ proche | |
FR2655433A1 (fr) | Procede et dispositif de modulation electro-optique, utilisant la transition oblique a basse energie d'un super-reseau tres couple. | |
EP1089405B1 (fr) | Laser semiconducteur à générations paramétriques | |
FR2855653A1 (fr) | Structure amorphe de couplage optique pour detecteur d'ondes electromagnetiques et detecteur associe | |
FR2855654A1 (fr) | Detecteur d'ondes electromagnetiques avec surface de couplage optique comprenant des motifs lamellaires | |
EP0736791B1 (fr) | Dispositif photoréfractif à puits quantiques | |
EP4016762B1 (fr) | Laser comprenant un miroir de bragg distribué et procédé de réalisation | |
FR2730323A1 (fr) | Convertisseur de frequence optique a haut rendement | |
WO2020193786A9 (fr) | Modulateur ultra-rapide de l'amplitude d'un rayonnement laser | |
EP0658791A1 (fr) | Cellule photorétractive | |
EP0640866B1 (fr) | Bistable du type SEED, tout optique | |
FR2669120A1 (fr) | Modulateur spatial bidimensionnel de lumiere a commande piezoelectrique, comprenant un reseau de bragg. | |
EP4237907A1 (fr) | Dispositif de génération de photons uniques et de paires de photons intriqués | |
FR2767203A1 (fr) | Dispositif photoretractif | |
FR2667165A1 (fr) | Modulateur electrooptique multicouche de lumiere. | |
EP1249905A1 (fr) | Laser semi-conducteur muni d'un miroir |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
ST | Notification of lapse |