FR2728697A1 - Convertisseur de frequence a tres haute efficacite, en optique guidee - Google Patents
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- 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
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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. optique. Applications: Doubleur de fréquence, oscillateur paramétrique
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.
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 coj ou :
<tb> Doublage <SEP> de <SEP> fréquence <SEP> #i <SEP> + <SEP> #i <SEP> # <SEP> #e <SEP> = <SEP> 2#i <SEP>
<tb> Fluorescence <SEP> paramétrique <SEP> #i <SEP> <SEP> # <SEP> <SEP> #e1 <SEP> <SEP> + <SEP> #ev
<tb> Sommation <SEP> de <SEP> fréquences <SEP> #j1 <SEP> <SEP> + <SEP> #i2 <SEP> # <SEP> <SEP> #e3
<tb> Différence <SEP> des <SEP> fréquences <SEP> #i1 <SEP> - <SEP> #i2 <SEP> # <SEP> #e3
<tb>
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.
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<tb>
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 Ak 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 Xl et du mode d'ordre 1 de l'onde créée à B1/2, 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 oi avec le recouvrement des modes d'ordre 1 des ondes créées à oe1 et oe2
Pour pallier cette insuffisance de recouvrement spatial des modes guidés dans la région où la condition d'accord de phase est satisfaite
I'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, I'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 oin, 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 a > 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 ki des ondes incidentes et d'autre part des modes guidés d'ordre Ij des ondes créées et ce dans une région située audessus de la profondeur D du milieu (MNL).
Pour pallier cette insuffisance de recouvrement spatial des modes guidés dans la région où la condition d'accord de phase est satisfaite
I'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, I'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 oin, 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 a > 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 ki des ondes incidentes et d'autre part des modes guidés d'ordre Ij des ondes créées et ce dans une région située audessus de la profondeur D du milieu (MNL).
Le convertisseur de fréquence selon l'invention peut avantageusement comprendre une couche de symétrisation C1 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 C1 et le milieu (MNL),
L'indice de réfraction neg de la couche Cex étant proche de l'indice du guide ng.
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 C1 et ou des couches C1 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 Ceximilieu (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 ki w Ij. II 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). II 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 (QAP), 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. II peut typiquement s'agir de matériaux tels que LîNbO3, LiTaO3 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 BPIR (proche infrarouge) et kB (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 C1 exprimée en pm;
- 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 BPIR et kB;
* 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 C1 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 C1.
- 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 BPIR (proche infrarouge) et kB (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 C1 exprimée en pm;
- 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 BPIR et kB;
* 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 C1 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 C1.
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 LiNbO3, LiTaO3 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 (d33), pouvant être obtenu par retournement du sens de la polarisation ferroélectrique.
Dans le cas de LiTaO3, 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 retoumement de polarisation, le caractère périodique voulu, on est capable d'obtenir sous la surface du substrat, I'image de polarisation ferroélectrique représentée à la figure 1. La profondeur D sous laquelle est sensible le caractère périodique dépend du pas A, ceci étant lié à la technique utilisée pour atteindre le retoumement.
Expérimentalement, on constate qu'un pas de l'ordre de 3,5 pm 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 pm.
II est donc nécessaire de réaliser un guide d'onde permettant un confinement suffisant dans l'épaisseur de 2 pm.
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. II 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 pm 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 LiTaO3, elles 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 LiNbO3). 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 (XPIR = 860 nm) et du mode fondamental du guide dans le bleu (BB = 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 pm d'indice homogène supérieur de 0.004 = AnH+ par rapport au substrat (S) aussi bien dans le proche infrarouge que dans le bleu (ans+ = AnH+IPlR = AnH+/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 AnH+ 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 pm, un coefficient non linéaire de 20 pmlv 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 TI de 19 OMl.cm2. Ce rendement est communément admis pour caractériser l'efficacité non linéaire locale au sein d'un guide (10 0/6/W.cm2 correspondant à 1 mW engendré sur 1 cm d'interaction pour 100 mW de pompe).
En utilisant une couche de symétrisation de Ta2O5 déposée sur le substrat LiTaO3 nous avons une configuration favorable pour concentrer les modes guidés dans la zone de non linéarité.
En effet: nsPlR = AnSB = n5 = -0,08
où AnsPîR et AnSg 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.
où AnsPîR et AnSg 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 n de la structure guidante considérée, en fonction de l'épaisseur de la couche de symétrisation en Ta2O5.
On constate une amélioration notable du rendement qui peut atteindre une valeur de l'ordre de 73 %NV.crn2, ce qui représente pratiquement un gain de 4 par rapport au rendement correspondant à la structure brute. II est également important de noter qu'à partir d'une certaine épaisseur située ici autour de 0.5 pm, 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 ånS serait supérieur à 0.
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 LiTaO3, 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
2600C pendant 30 min
* Recuit rapide à 590"C pendant 15 sec - Elimination de la variation d'indice périodique dû à l'échange protonique
précédent
Recuit à 400"C pendant 4 h - Réalisation du guide d'onde
* Echange protonique dans un bain d'acide pyrophosphorique à
260"C pendant 30 min
* Recuit à 400"C 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 0/6NV.cm2. Après dépôt d'une couche Ta2Os réalisée par pulvérisation réactive de tantale sous oxygène, le rendement est passé à 45 OmMl.cm2. II 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.
la modulation du signe du coefficient non linéaire
* Echange protonique dans un bain d'acide pyrophosphorique à
2600C pendant 30 min
* Recuit rapide à 590"C pendant 15 sec - Elimination de la variation d'indice périodique dû à l'échange protonique
précédent
Recuit à 400"C pendant 4 h - Réalisation du guide d'onde
* Echange protonique dans un bain d'acide pyrophosphorique à
260"C pendant 30 min
* Recuit à 400"C 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 0/6NV.cm2. Après dépôt d'une couche Ta2Os réalisée par pulvérisation réactive de tantale sous oxygène, le rendement est passé à 45 OmMl.cm2. II 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, I'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 (ans+ < Aneg où une 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 (ans+ = ante9) qui correspond à la situation représentée entre parenthèses sur la figure 6b.
Néanmoins, compte tenu de la très faible valeur de dnH+ 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 AnH+ = une 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 pm) dans les exemples numériques qui sont suivre. Le premier de ces exemples, conceme le cas idéal de la figure 6b, à savoir:
Aneg = AnH+ = 0.004
La figure 7 donne dans ce cas l'évolution du rendement de conversion normalisé rl 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 pm, pour laquelle le rendement dépasse 200 %NV.cm2. Ceci représente un facteur plus grand que 20 par rapport à la situation où aucune couche n'a été déposée (19 %Iw.cm2).
Aneg = AnH+ = 0.004
La figure 7 donne dans ce cas l'évolution du rendement de conversion normalisé rl 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 pm, pour laquelle le rendement dépasse 200 %NV.cm2. Ceci représente un facteur plus grand que 20 par rapport à la situation où aucune couche n'a été déposée (19 %Iw.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:
Aneg = 0.05 (toujours avec AnH+ = 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 %Ml.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, I'épaisseur de la couche d'extension est telle que cette demière 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, I'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.
Aneg = 0.05 (toujours avec AnH+ = 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 %Ml.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, I'épaisseur de la couche d'extension est telle que cette demière 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, I'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 Nb205. On alors:
une = 0.10
ce qui donne l'évolution du rendement n 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 0/6NV.cm2, le régime 3 conduit à une valeur supérieure à 120 OmMl.cmZ. 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.
une = 0.10
ce qui donne l'évolution du rendement n 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 0/6NV.cm2, le régime 3 conduit à une valeur supérieure à 120 OmMl.cmZ. 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:
Ane9 = 0.20
Sur cette figure 1, on observe que le régime 1 ne donne plus lieu qu'à un rendement avoisinant 100 %NV.cm2, alors que le régime 3 conduit à une valeur supérieure à 210 %NV.cm2. Dans ce cas la faible valeur de AnH+ (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.
Ane9 = 0.20
Sur cette figure 1, on observe que le régime 1 ne donne plus lieu qu'à un rendement avoisinant 100 %NV.cm2, alors que le régime 3 conduit à une valeur supérieure à 210 %NV.cm2. Dans ce cas la faible valeur de AnH+ (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, I'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 AnH+ = 0, c'est-à-dire sans qu'un guide par échange protonique n'ait été réalisé avant dépôt des couches diélectriques (on a toujours Zonez = 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, ctest-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. II 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 ia 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.
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, I'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, I'invention permet de diminuer de manière très sensible le seuil attendu d'un tel convertisseur réalisé sur
LiTaO3 ou LiNbO3, pour tendre vers le mW dans le cadre d'un pompage par diode vers 0.8 um via un mode d'ordre 2 et d'une émission autour de 1.5 pm 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, I'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.
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, I'invention permet de diminuer de manière très sensible le seuil attendu d'un tel convertisseur réalisé sur
LiTaO3 ou LiNbO3, pour tendre vers le mW dans le cadre d'un pompage par diode vers 0.8 um via un mode d'ordre 2 et d'une émission autour de 1.5 pm 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, I'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 (13)
1. Convertisseur de fréquence comprenant un guide d'indice de réfraction ng, alimenté par une ou des ondes lumineuses de fréquence oin, comprenant également un milieu non linéaire (MNL) d'indice ns (inférieur à ng) dans lequel la condition d'accord de phase entre la polarisation nonlinéaire engendrée par les ondes incidentes, et les ondes créées aux fréquences oem 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 ki des ondes incidentes et d'autre part des modes guidés d'ordre Ij des ondes créées et ce dans une région située au < lessus 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 C1 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 C1, 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 n5 étant telle que le confinement bidimensionnel des modes guidés est assuré à l'interface couche C'exlmilieu (MNL) et ce par une nervure au niveau de la couche C1.
5. Convertisseur de fréquence selon la revendication 4 caractérisé en ce que le confinement latéral est assuré par une nervure au niveau des couches C1 et C'ex.
6. Convertisseur de fréquence selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le milieu (MNL) est en LiTaO3.
7. Convertisseur de fréquence selon la revendication 6 caractérisé en ce que la couche C1 est en Ta205.
8. Convertisseur de fréquence selon la revendication 7 caractérisé en ce que la couche Cex est en Nib205.
9. Convertisseur de fréquence selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche Cex est en TiO2.
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 ki des ondes incidentes et des modes guidés d'ordre Ij w ki 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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| PCT/FR1995/001677 WO1996020426A1 (fr) | 1994-12-23 | 1995-12-15 | Convertisseur de frequence a tres haute efficacite, en optique guidee |
| US08/693,221 US5748362A (en) | 1994-12-23 | 1995-12-15 | Frequency converter, with very high efficiency, in guided optics |
| JP8520241A JPH09509764A (ja) | 1994-12-23 | 1995-12-15 | ガイドオプティクス内で非常に高い効率を有する周波数変換器 |
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| FR9415588A Expired - Fee Related FR2728697B1 (fr) | 1994-12-23 | 1994-12-23 | Convertisseur de frequence a tres haute efficacite, en optique guidee |
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| US6791994B1 (en) | 2000-04-19 | 2004-09-14 | Rockwell Collins, Inc. | Method and apparatus for assigning receive slots in a dynamic assignment environment |
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| US6781967B1 (en) | 2000-08-29 | 2004-08-24 | Rockwell Collins, Inc. | Scheduling techniques for receiver directed broadcast applications |
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