WO1996014600A1 - Dispositif parametrique optique - Google Patents

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WO1996014600A1
WO1996014600A1 PCT/FR1995/001462 FR9501462W WO9614600A1 WO 1996014600 A1 WO1996014600 A1 WO 1996014600A1 FR 9501462 W FR9501462 W FR 9501462W WO 9614600 A1 WO9614600 A1 WO 9614600A1
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WO
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wave
linear material
electric field
wavelength
linear
Prior art date
Application number
PCT/FR1995/001462
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Inventor
Dominique Josse
Salah Khodja
Albert Zylbersztejn
Joseph Zyss
Original Assignee
France Telecom
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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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
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    • G01R29/0878—Sensors; antennas; probes; detectors
    • G01R29/0885—Sensors; antennas; probes; detectors using optical probes, e.g. electro-optical, luminescent, glow discharge, or optical interferometers
    • G—PHYSICS
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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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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to the field of optical devices and more specifically an optical parametric device using a so-called “non-linear” material and means for illuminating this material by a pump beam of wavelength ⁇ p , so as to achieve a parametric gain in said material and a three-wave interaction between the pump wave of wavelength ⁇ p , a signal wave of wavelength ⁇ s and a complementary wave (also called "idler") of length wave ⁇ ⁇ greater than ⁇ ⁇ .
  • Non-linear materials having a high optical susceptibility of second order electronic origin ⁇ (2) are intended to be used in the optical telecommunications industry to produce modulators, transmitters, oscillators or optical parametric amplifiers.
  • the aforementioned optical parametric devices exploit the second order susceptibility ⁇ (2) to perform a three-wave interaction when the material is illuminated by a pump wave of wavelength ⁇ p and emit a signal wave and a complementary wave of lengths of respective waves ⁇ s and ⁇ j, with ⁇ s ⁇ j.
  • the relation (1) translates the conservation of energy and the relation (2) translates the conservation of the momentum, K ⁇ .
  • Ks and Kj being the wave vectors respectively associated with the pump, signal and complementary waves.
  • Phase agreement a condition of various physical parameters (value of the pump wavelength ⁇ p , of the angle of incidence on the material, refractive indices and birefringence of the material and, more generally, the nature of the material used and its conditions of use).
  • Document EP-A-0 031 263 describes a non-linear optical device intended to generate harmonic radiation from an incident fundamental radiation, these radiations being confined in a waveguide obtained by diffusing a metal ion from the surface a lithium niobate substrate, characterized in that the phase matching is achieved by coating the free face of the waveguide with at least one passive layer causing the effective indices of a fundamental mode of propagation to coincide, and of a harmonic mode of propagation offering a value of the covering integral greater than that obtainable in the absence of this passive layer.
  • Known parametric devices have the disadvantage of not offering a rapid response due to the mechanical or thermal inertia of the material; the object of the present invention is to remedy this drawback.
  • said means for modifying the phase tuning condition act by subjecting the non-linear material to an electric field constituting useful signal processing information and not only a means of soliciting the device around an optimal operating point as has been known in the art for more than 30 years (see for example US-A-3,328,723).
  • the response time being limited only by the electronic mobility of the non-linear material, can be of the order of a femtosecond when organic non-linear materials are used.
  • said means capable of achieving the phase tuning condition comprise a generator for applying an electrical voltage to said non-linear material.
  • said non-linear material is arranged in the form of a waveguide.
  • said non-linear material receives at the input, in addition to the pump beam, a wave to be amplified and modulated simultaneously, of the same wavelength as the complementary wave or the signal wave.
  • said non-linear material receives at the input, in addition to the pump beam, a beam comprising several waves of respective wavelengths ⁇ i, .... ⁇ q , the value of the electric field to which is subjected said non-linear material being chosen so as to selectively amplify one of the wavelengths
  • the device also comprises means for mechanically or thermally modifying the phase tuning condition, preferably by driving the non-linear material in rotation, so as to choose the position of the non-linear material on the tuning curve of the non-linear material. operating point of the device with zero electric field.
  • the non-linear material is placed in a resonant cavity and arranged inside the latter so that the angle of emergence of the non-linear material and of incidence on the non-linear material at least one resonant wave is equal to the Brewster angle.
  • the device comprises means for modifying the value of the wavelength of the pump wave so as to frequency-modulate the value of the signal and complementary waves.
  • the device is intended for measuring a radiated electric field in which said non-linear material is placed, and comprises an analyzer receiving at input one at least of the complementary and signal waves and arranged for outputting information representative of the variation in wavelength of this received wave and of said radiated electric field.
  • FIG. 1 illustrates the propagation of pump, signal and complementary waves in a nonlinear material such as NPP, with reference to an orthonormal trihedron XYZ,
  • FIG. 2A schematically represents an optical parametric source illustrating the context in which the invention can be applied
  • FIG. 2B shows the evolution, as a function of time, of the voltage delivered by the generator of the optical source shown in FIG. 2A and applied to the non-linear material
  • FIG. 2C shows the evolution of the values of the wavelengths ⁇ s and ⁇ j of the signal and complementary waves, as a function of the voltage applied by the generator of the optical source shown in FIG. 2A,
  • FIG. 3A schematically represents an optical parametric amplifier according to a first embodiment of the invention, with illumination by a multichromatic beam at the input,
  • FIG. 3B shows the evolution, as a function of time, of the voltage delivered by the generator of the amplifier shown in FIG. 3A, and applied to the non-linear material
  • FIG. 3C indicates the value of the wavelength at the output of the amplifier shown in FIG. 3A, as a function of time
  • FIG. 4A schematically represents an optical parametric amplifier according to a second embodiment of the invention, with illumination at the input by a beam of wavelength ⁇ j, to be modulated and amplified simultaneously,
  • FIG. 4B shows the evolution, as a function of time, of the voltage delivered by the generator of the amplifier shown in Figure 4A, and applied to the non-linear material
  • - Figure 4C shows the shape of the intensity of the wavelength ⁇ j wave emerging from the amplifier, simultaneously amplified and modulated, as a function of the voltage applied by the generator of the amplifier represented in FIG. 4A
  • FIG. 5 represents the tunability curve as a function of the applied voltage, for the NPP
  • FIGS. 6A and 6B illustrate the wavelength excursion as a function of the applied electric field and the chosen mean operating point
  • FIG. 7 shows a device for detecting and measuring an electric field according to a third embodiment of the invention.
  • ⁇ 1 is the pulsation of the incident wave
  • ⁇ 2 is the pulsation of a high frequency electric field (of the order of GHz for example ) applied to non-linear material.
  • the non-linear material used is an organic non-linear material, N- (4-nitrophenyl) -L-prolinol, also called NPP.
  • NPP organic non-linear material
  • the NPP has a P2 ⁇ type symmetry (according to the notations consecrated) we can consider, as a first approach and to simplify the calculations, that the NPP behaves like a crystal of symmetry mm 2 type (with dedicated notations).
  • Non-linear element 1 consisting of a crystal bar of NPP, of generally parallelepiped shape.
  • the non-linear element 1 receives on a input face 2a a pump beam of wavelength ⁇ p , and emits by an output face 2b opposite to the input face 2a, when the tuning condition of phase is satisfied, a complementary wave and a signal wave of wavelengths ⁇ j and ⁇ s respectively .
  • the pump wave is polarized with its electric field vector E p parallel to the axis Y, and the nonlinear material is oriented with respect to the frame of reference XYZ so that its binary crystallographic axis b (with the notations consecrated) is parallel to the Y axis, the other main dielectric axes of the non-linear material being respectively parallel to the X and Z axes.
  • the position of the main dielectric axes in the material depends on the values of the wavelengths ⁇ p and ⁇ s (with an electric field applied to zero non-linear material).
  • the nonlinear element 1 is subjected to an electric field E making it possible to modify the phase tuning condition, therefore to act on the values of the wavelengths ⁇ j and
  • the electric field E is created by applying an electric voltage to the non-linear element 1 on the faces of the latter parallel to the plane XZ, and referenced 3 a, 3 b.
  • the faces 3a and 3b are metallized by a technique known per se, and connected by connections 6a, 6b to an electric generator 6 delivering a voltage V, the value of which is chosen according to the electric field E to be created within the material constituting the non-linear element 1.
  • the electric field E to which the non-linear material is subjected is oriented parallel to the axis Y. It is of course, without departing from the scope of the invention, subjecting the non-linear material to a field without direct electrical contact, by radiation.
  • FIG. 2A illustrates an optical parametric oscillator tuned in frequency by application of an electric field, and also called parametric optical source.
  • the selection of the wavelength ⁇ s of the signal wave and of the complementary wave emerging from the non-linear material is controlled by the application of an electric field in its breast, making it possible to change the conditions of the phase agreement by changing the optical indices of the material for the three interacting waves: the pump wave, signal and complementary.
  • the device 10 comprises a non-linear element 1 in the form of a crystalline bar, as described above with reference to FIG. 1, consisting of NPP, placed in a resonant cavity formed between two mirrors M i and M 2 .
  • the mirrors Mj and M are dielectric mirrors chosen to be planar or spherical and arranged in a manner known per se by those skilled in the art depending on whether one seeks to favor the amplification of the signal wave or of the complementary wave, by successive back and forth in the resonant cavity. It is also possible to form a doubly resonant cavity, in which both the signal wave and the complementary wave are amplified by successive back and forth in the cavity. We can also choose and arrange the mirrors so as to reflect the pump wave ⁇ p .
  • the non-linear element 1 is irradiated on its front face 2a by a pump beam of wavelength ⁇ p , coming from an optical source 7, for example a laser.
  • the non-linear element 1 is cut and arranged in the resonant cavity so that the resonant wave (s) (signal and / or complementary) arrives (s) and leaves (s) the non-linear material with an angle of incidence or zero emergence or, preferably, with a particular angle of incidence or emergence, known as Brewster, advantageously making it possible to minimize losses at the interface.
  • the calculation of the Brewster angle is carried out without difficulty by a person skilled in the art from knowledge of the optical indices of the non-linear material. Reference may be made, if necessary, to a general treatise on optics, for example that of Born & Wolf, Principles of Optics, Sixth Edition, Pergamon Press.
  • the mirrors M i and M 2 return a fraction of the signal and / or complementary wave emerging from the non-linear material towards the latter, this fraction then being amplified by a factor depending on the value of the parametric gain.
  • the device 10 is tunable over a wide band, as shown in Table I below.
  • the response time is much less than 10 - 8 s, which allows the use of the device 10 in optical telecommunications with high information rate.
  • the spectral fineness is however less good than by choosing an operating point at zero field out of degeneration.
  • Tables II, III and IV below indicate the values of the wavelengths ⁇ p , ⁇ j and ⁇ s as a function of the angle ⁇ at zero electric field, then as a function of the electric field for two values of the angle ⁇ .
  • FIG. 3A shows a device 20 according to a first exemplary embodiment of the invention, making it possible to select a wave to be amplified from several carrier waves of different wavelengths ⁇ i, ..., ⁇ q, for example carrier waves of a multiplex communication system.
  • This device operates in a single pass and no longer has a resonant cavity.
  • the nonlinear element used is identical to that of the previous embodiment and represented in FIG. 2A, and bears the same reference.
  • the nonlinear element 1 receives at normal incidence on the face 2a several waves of respective wavelengths ⁇ i, ..., ⁇ q to be selected, and a pump beam of wavelength ⁇ p .
  • FIG. 3C shows the intensity and the value of the wavelength of the wave emerging from the non-linear element 1 as a function of time, on which the voltage applied by the generator 6 depends, as illustrated by the Figure 3B.
  • an electric field to select the "channel" to be amplified differentiates the invention from the prior art, in particular PASS spectroscopy (Parametric Amplification and Sampling Spectroscopy), where it is the variation of the angle of incidence of the pump wave on the non-linear material which performs the selection of the value of the output wavelength.
  • PASS spectroscopy Parametric Amplification and Sampling Spectroscopy
  • the nonlinear material is subjected to a chosen electric field so that the value of the wavelength of the complementary wave ⁇ j or that of the signal wave ⁇ s coincides with ⁇ j .
  • the device 20 represented in FIG. 3A can be used, in accordance with a second embodiment of the invention illustrated by FIG. 4A, to amplify and modulate simultaneously an incident wave of wavelength ⁇ j equal to the wavelength of the emerging complementary wave, when the phase tuning condition is satisfied.
  • FIG. 4B shows an evolution in time slots, as a function of time, of the voltage V applied to the faces 3a and 3b of the non-linear material.
  • FIG. 4C shows the intensity I of the emerging complementary wave as a function of time.
  • the invention can also be applied to the detection and measurement of an electric field.
  • FIG. 7 shows a device 40 for detecting and measuring an electric field E, for example an electric field radiated by high voltage lines.
  • the device 40 comprises a non-linear element 1 to be placed in the electric field to be measured, a pump wave source 7 and an analyzer 8 receiving the signal wave or the complementary wave emerging from the non-linear material.
  • the analyzer 8 is arranged so as to detect a variation in the value of the wavelength of the wave which it receives, this variation being representative of a variation of the electric field E to which the nonlinear material is subjected.
  • the present invention is advantageously used by choosing as nonlinear element a waveguide which, subject to the achievement of an adequate configuration of agreement phase in guided propagation, reduces by confining the light that it achieves the voltage to be applied to the material by a factor of 10 to 20 compared to the case of a material which is not arranged in the form of a guide 'wave.
  • the diameter of the light beam in a waveguide is typically of the order of a few microns.
  • the dispersion relation includes not only the indices, but also the geometrical and dielectric characteristics of the structure in the broad sense (dimensions of the guide, differences of indices between guiding layers and their environment).
  • ⁇ p is the change in frequency of the pump (assumed to be small)
  • ⁇ j / ⁇ p represents the wavelength excursion emitted per nm of variation of the pump wavelength ⁇ p , this ratio preferably being the as large as possible (it is around 100 for NPP with a pump wavelength ⁇ p equal to 670 nm)
  • V g ( ⁇ p ), V g ( ⁇ s ) and V g ( ⁇ j) are the group speeds of the pump wave, the signal wave and the complementary wave respectively.
  • the optical parametric devices according to the invention use NPP as a non-linear material. It goes without saying that the invention is not limited to the use of this particular material but more generally covers the use of all types of non-linear materials (whether organic, organo-mineral, or mineral), and whether they are uniaxial or biaxial. triclinical monoclinic or orthorombic.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif paramétrique optique utilisant un matériau non linéaire (1) ayant une susceptibilité optique du deuxième ordre, comportant des moyens (7) pour illuminer ce matériau non linéaire par un faisceau de pompe de longueur d'onde μp, de manière à réaliser dans le matériau non linéaire un gain paramétrique et une interaction à trois ondes avec une onde signal de longueur d'onde μs et une onde complémentaire de longueur d'onde μi, et un générateur (6) pour soumettre ledit matériau non linéaire (1) à un champ électrique constituant une information utile de traitement de signal, de manière à réaliser une condition d'accord de phase entre les trois ondes.

Description

DISPOSITIF PARAMETRIQUE OPTIQUE La présente invention concerne le domaine des dispositifs optiques et plus précisément un dispositif paramétrique optique utilisant un matériau dit "non linéaire" et des moyens pour illuminer ce matériau par un faisceau de pompe de longueur d'onde λp, de manière à réaliser un gain paramétrique dans ledit matériau et une interaction à trois ondes entre l'onde de pompe de longueur d'onde λp, une onde signal de longueur d'onde λs et une onde complémentaire (encore appelée "idler") de longueur d'onde λ< supérieure à λ^.
La polarisation électronique P induite par un champ électrique E dans un matériau non linéaire peut s'écrire, de façon simplifiée
P= P(o) + χd) E + χ(2) E + χ(3) E3 + ... où E est le champ électrique dans le matériau et χ 1 a susceptibilité optique d'origine électronique.
Les matériaux non linéaires présentant une forte susceptibilité optique d'origine électronique du deuxième ordre χ(2) ont vocation à être utilisés dans l'industrie des télécommunications optiques pour réaliser des modulateurs, émetteurs, oscillateurs ou amplificateurs paramétriques optiques. On se reportera utilement aux publications "Engineering new organic crystals for non linear optics : from molécules to oscillator" J. Phys. D. Appl. Phys. 26 ( 1993), J. Zyss et "Near-infrared pulsed optical parametric oscillation in N-(4-nitrophenyl)-L-prolinol at the 1-ns time scale", J. Zyss et al., 1993 Optical Society of America.
Les dispositifs paramétriques optiques précités exploitent la susceptibilité du second ordre χ(2) pour réaliser une interaction à trois ondes lorsque le matériau est illuminé par une onde de pompe de longueur d'onde λp et émettre une onde signal et une onde complémentaire de longueurs d'ondes respectives λs et λj, avec λs < λj.
Les valeurs des pulsations ωp, ωs, et w> des ondes de pompe, signal et complémentaire (de longueurs d'ondes respectives λp, λs et λj) sont liées par les relations suivantes : ωp ≈ ωs + ωi ( 1)
£E = Ks + Ki (2)
La relation ( 1 ) traduit la conservation de l'énergie et la relation (2) traduit la conservation de la quantité de mouvement, Kβ. Ks et Kj étant les vecteurs d'onde respectivement associés aux ondes de pompe, signal et complémentaire.
Les relations ( 1 ) et (2) expriment une condition dite "d'accord de phase", fonction de divers paramètres physiques (valeur de la longueur d'onde de pompe λp, de l'angle d'incidence sur le matériau, des indices de réfraction et de la biréfringence du matériau et, -plus généralement- la nature du matériau utilisé et ses conditions d'utilisation).
On a proposé divers dispositifs permettant d'agir sur certains paramètres physiques contrôlant la condition d'accord de phase afin de modifier les longueurs d'ondes des ondes signal et complémentaire λs et λj. II est ainsi décrit dans la demande de brevet européen EP-0 604
303 d'entraîner en rotation le matériau non linéaire pour changer l'angle d'incidence du faisceau de pompe, de façon à modifier la condition d'accord de phase et les valeurs des longueurs d'ondes λs et λj.
On a également décrit dans le brevet américain US-5 144 629 une source paramétrique optique utilisant un matériau non linéaire et des moyens pour modifier la condition d'accord de phase en agissant sur la température du matériau.
On a également proposé à maintes reprises d'affiner le réglage résultant d'une rotation du matériau et/ou du contrôle en température de celui-ci, par application de champ électrique.
Le document Applied Physics Letters, vol 10, N°12, L B. Kreuzer et al, "Ruby-laser-pumped optical parametric oscillator with electro-optic effect tuning" décrit par exemple un réglage grossier par rotation du matériau, puis un réglage fin par application d'un champ électrique externe.
Les documents US-A-3 328 723, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol QE-8, N°8, Basu R et al, "Bandwith and Threshold Calculations for Angle-Tuned Parametric Oscillators" et Optics Letters, Vol 14, N°20, C. D. Nabors et al "Efficient, single-axial-mode opération of a monolithic MgO:LiNbθ3 optical parametric oscillator" décrivent la combinaison d'un contrôle en température et d'un contrôle fin par application d'un champ électrique externe. Le document EP-A-0 031 263 décrit un dispositif optique non- linéaire destiné à engendrer un rayonnement harmonique à partir d'un rayonnement fondamental incident, ces rayonnements étant confinés dans un guide d'onde obtenu en diffusant un ion métallique depuis la surface d'un substrat en niobate de lithium, caractérisé en ce que l'accord de phase est réalisé en revêtant la face libre du guide d'onde d'au moins une couche passive faisant coincider les indices effectifs d'un mode fondamental de propagation et d'un mode harmonique de propagation offrant une valeur de l'intégrale de recouvrement supérieure à celle obtenable en l'absence de cette couche passive. Les dispositifs paramétriques connus présentent l'inconvénient de ne pas offrir une réponse rapide en raison de l'inertie mécanique ou thermique du matériau ; la présente invention a pour objet de remédier à cet inconvénient.
Elle y parvient par le fait que lesdits moyens pour modifier la condition d'accord de phase agissent en soumettant le matériau non linéaire à un champ électrique constituant une information utile de traitement de signal et non pas seulement un moyen de solliciter le dispositif autour d'un point de fonctionnement optimal comme cela est connu de l'état de la technique depuis plus de 30 ans (voir par exemple US- A-3 328 723).
Ainsi, grâce à l'invention, le temps de réponse, n'étant limité que par la mobilité électronique du matériau non linéaire, peut être de l'ordre de la femtoseconde lorsque des matériaux non linéaires organiques sont utilisés. Dans une réalisation de l'invention, lesdits moyens aptes à réaliser la condition d'accord de phase comportent un générateur pour appliquer une tension électrique sur ledit matériau non linéaire.
Avantageusement, ledit matériau non linéaire est agencé sous la forme de guide d'onde. Dans une réalisation de l'invention, ledit matériau non linéaire reçoit en entrée, outre le faisceau de pompe, une onde à amplifier et moduler simultanément, de même longueur d'onde que l'onde complémentaire ou l'onde signal. Dans une réalisation de l'invention, ledit matériau non linéaire reçoit en entrée, outre le faisceau de pompe, un faisceau comportant plusieurs ondes de longueurs d'ondes respectives λi , .... λq, la valeur du champ électrique auquel est soumis ledit matériau non linéaire étant choisie de manière à amplifier sélectivement l'une des longueurs d'ondes
Figure imgf000006_0001
Avantageusement, le dispositif comporte en outre des moyens pour modifier mécaniquement ou thermiquement la condition d'accord de phase, de préférence par entraînement en rotation du matériau non linéaire, de manière à choisir sur la courbe d'accordabilité du matériau non linéaire la position du point de fonctionnement du dispositif à champ électrique nul.
Dans une réalisation de l'invention, le matériau non linéaire est placé dans une cavité résonnante et agencé à l'intérieur de celle-ci de sorte que l'angle d'émergence du matériau non linéaire et d'incidence sur le matériau non linéaire d'au moins une onde résonnante soit égal à l'angle de Brewster.
Dans une réalisation de l'invention, le dispositif comporte des moyens pour modifier la valeur de la longueur d'onde de l'onde de pompe de manière à moduler en fréquence la valeur des ondes signal et complémentaire.
Dans une réalisation de l'invention, le dispositif est destiné à la mesure d'un champ électrique rayonné dans lequel ledit matériau non linéaire est placé, et comporte un analyseur recevant en entrée l'une au moins des ondes complémentaire et signal et agencé pour délivrer en sortie une information représentative de la variation de longueur d'onde de cette onde reçue et dudit champ électrique rayonné.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de réalisation non limitatifs de l'invention, et à l'examen du dessin annexé sur lequel :
- la figure 1 illustre la propagation des ondes de pompe, signal et complémentaire dans un matériau non linéaire tel que du NPP, en référence à un trièdre orthonormé XYZ,
- la figure 2A représente, de façon schématique, une source paramétrique optique illustrant le contexte dans lequel peut s'appliquer l'invention,
- la figure 2B montre l'évolution, en fonction du temps, de la tension délivrée par le générateur de la source optique représentée sur la figure 2A et appliquée sur le matériau non linéaire,
- la figure 2C montre l'évolution des valeurs des longueurs d'ondes λs et λj des ondes signal et complémentaire, en fonction de la tension appliquée par le générateur de la source optique représentée sur la figure 2A,
- la figure 3A représente, de façon schématique, un amplificateur para- métrique optique conforme à un premier exemple de réalisation de l'invention, avec illumination par un faisceau multichromatique en entrée,
- la figure 3B montre l'évolution, en fonction du temps, de la tension délivrée par le générateur de l'amplificateur représenté sur la figure 3A, et appliquée sur le matériau non linéaire,
- la figure 3C indique la valeur de la longueur d'onde en sortie de l'amplificateur représenté sur la figure 3A, en fonction du temps,
- la figure 4A représente, de façon schématique, un amplificateur paramétrique optique conforme à un deuxième exemple de réalisation de l'invention, avec illumination en entrée par un faisceau de longueur d'onde λj, à moduler et amplifier simultanément,
- la figure 4B montre l'évolution, en fonction du temps, de la tension délivrée par le générateur de l'amplificateur représenté sur la figure 4A, et appliquée sur le matériau non linéaire, - la figure 4C montre l'allure de l'intensité de l'onde de longueur d'onde λj émergeant de l'amplificateur, simultanément amplifiée et modulée, en fonction de la tension appliquée par le générateur de l'amplificateur représenté sur la figure 4A, - la figure 5 représente la courbe d'accordabilité en fonction de la tension appliquée, pour le NPP,
- les figures 6A et 6B illustrent l'excursion en longueur d'onde en fonction du champ électrique appliqué et du point moyen de fonctionnement choisi, et
- la figure 7 montre un dispositif de détection et de mesure d'un champ électrique conforme à un troisième exemple de réalisation de l'invention.
La description qui suit sera faite en relation avec un trièdre de référence XYZ orthonormé. On se reportera utilement, en ce qui concerne les notations et termes utilisés, à des ouvrages généraux tels que
"International tables for X-Ray Crystallography", The ynoch Press,
Birmingham, England 1952.
La théorie générale de l'interaction à trois ondes dans un matériau non linéaire dans des conditions d'accord de phase est connue de l'homme du métier et ne sera pas reprise. On se reportera utilement à l'exposé théorique qui est fait dans l'article "Near-infrared pulsed optical parametric oscillation in N-(4-nitrophenyl)-L-prolinol at the 1-ns time scale" cité dans le préambule de la présente demande.
Pour une bonne compréhension de l'invention, nous rappellerons néanmoins que l'interaction à trois ondes dans des conditions d'accord de phase et avec gain paramétrique se distingue fondamentalement de la génération de seconde harmonique et du simple effet électro-optique, bien que dans tous les cas on exploite la susceptibilité optique d'origine électronique du second ordre du matériau non linéaire.
Dans l'interaction paramétrique à trois ondes de pulsations ωj,
(U2 et (1)3 vérifiant la relation (1 ), avec ω3 = ωl + ω2, ω3 est la pulsation de l'onde de pompe incidente et u>ι, ω2 sont les pulsations des ondes signal et complémentaire émergentes. La susceptibilité χ(2) dépend des valeurs des pulsations des ondes en interaction, ce qu'on indique par la notation consacrée suivante : χ(2) (- ωι - ω2 ; ωlt ω2). Dans la génération de seconde harmonique, ω- = <->> = ω sont les pulsations des ondes de pompe qui illuminent le matériau et ω3 = 2ω est la pulsation de l'onde émergente.
Dans l'effet électro-optique simple, encore appelé "effet Pockels", ω1 est la pulsation de l'onde incidente, et ω2 est la pulsation d'un champ électrique de haute fréquence (de l'ordre du GHz par exemple) appliqué au matériau non linéaire.
Dans les exemples de réalisation décrits dans la suite, le matériau non linéaire employé est un matériau non linéaire organique, le N-(4-nitrophényl)-L-prolinol, encore appelé NPP. On se reportera utilement, pour ce qui concerne les caractéristiques physico-chimiques et optiques de ce matériau non linéaire, aux publications précitées, et à l'article "Linear and non linear properties of N-4-nitrophenyl-L-prolinol single cristals", Optics communications, Vol. 80, number 2, December 15, 1990. Bien que le NPP ait une symétrie de type P2 ι (selon les notations consacrées) on peut considérer, en première approche et pour simplifier les calculs, que le NPP se comporte comme un cristal de symétrie de type mm 2 (avec les notations consacrées).
On a représenté, de façon schématique, sur la figure 1 un élément non linéaire 1 constitué par un barreau cristallin de NPP, de forme générale parallélélipipédique. L'élément non linéaire 1 reçoit sur une face d'entrée 2a un faisceau de pompe de longueur d'onde λp, et émet par une face de sortie 2b opposée à la face d'entrée 2a, lorsque la condition d'accord de phase est satisfaite, une onde complémentaire et une onde signal de longueurs d'ondes respectives λj et λs. L'onde de pompe est polarisée avec son vecteur champ électrique Ep parallèle à l'axe Y, et le matériau non linéaire est orienté par rapport au repère XYZ de sorte que son axe cristallographique binaire b (avec les notations consacrées) est parallèle à l'axe Y, les autres axes principaux diélectriques du matériau non linéaire étant respectivement parallèles aux axes X et Z. La position des axes principaux diélectriques dans le matériau dépend des valeurs des longueurs d'onde λp et λs (à champ électrique appliqué au matériau non linéaire nul).
Conformément à l'invention, l'élément non linéaire 1 est soumis à un champ électrique E permettant de modifier la condition d'accord de phase, donc d'agir sur les valeurs des longueurs d'ondes λj et
λs.
Dans l'exemple considéré, le champ électrique E est créé par application d'une tension électrique à l'élément non linéaire 1 sur les faces de ce dernier parallèles au plan XZ, et référencées 3 a, 3 b. Les faces 3 a et 3b sont métallisées par une technique connue en soi, et reliées par des connexions 6a, 6b à un générateur électrique 6 délivrant une tension V, dont la valeur est choisie en fonction du champ électrique E à créer au sein du matériau constituant l'élément non linéaire 1. Le champ électrique E auquel est soumis le matériau non linéaire est orienté parallèlement à l'axe Y. On peut bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, soumettre le matériau non linéaire à un champ électrique sans réaliser de contact électrique direct, par rayonnement.
L'application d'un champ électrique E au matériau non linéaire le long de l'axe binaire cristallographique du NPP provoque un changement Δωj de la pulsation ωj de l'onde complémentaire, donné par l'expression approchée suivante :
3 (θp 3 ωs 3 ωj ωpnor22 - (ωsnesri2 + ωjneir12) cos2(θ)
Figure imgf000010_0001
2 C (-
Vg(ωj) Vg(ωs)
où (Ufj, ωs ωj sont les pulsations respectives de l'onde de la pompe, signal et complémentaire, Vg(ωs) et V g(ωj) sont les vitesses de groupe respectives de l'onde signal et complémentaire, no est l'indice ordinaire pour l'onde de pompe, nes e nej sont respectivement les indices extraordinaires pour l'onde signal et pour l'onde complémentaire, θ est l'angle interne d'accord de phase entre la direction de propagation du vecteur d'onde K et l'axe Z (les ondes de pompe, signal et complémentaire ayant des vecteurs d'onde de mêmes orientations, configuration dite "colinéaire"), ri 2, r22 sont les coefficients électro-optiques du milieu non linéaire (avec les notations consacrées -On pourra se reporter utilement à l'ouvrage "Quantum Electronics" Second Edition, Amnon Yariv, John Wiley «Se Sons-). L'indice ordinaire no pour l'onde de pompe dépend de la pulsation ω p ; les indices extraordinaires nes et nei dépendent des pulsations ωs et ωj et de l'angle θ.
On a illustré sur la figure 2A un oscillateur paramétrique optique accordé en fréquence par application d'un champ électrique, et encore appelé source optique paramétrique.
Dans un tel dispositif 10, représenté sur la figure 2A, la sélection de la longueur d'onde λs de l'onde signal et de l'onde complémentaire émergeant du matériau non linéaire est commandée par l'application d'un champ électrique en son sein, permettant de changer les conditions de l'accord de phase par changement des indices optiques du matériau pour les trois ondes en interaction : l'onde de pompe, signal et complémentaire. Le dispositif 10 comporte un élément non linéaire 1 sous forme de barreau cristallin, tel que décrit précédemment en référence à la figure 1, constitué de NPP, placé dans une cavité résonnante formée entre deux miroirs M i et M2. Les miroirs Mj et M sont des miroirs diélectriques choisis plans ou sphériques et agencés de façon connue en soi par l'homme du métier selon que l'on cherche à privilégier l'amplification de l'onde signal ou de l'onde complémentaire, par aller et retour successifs dans la cavité résonnante. On peut également constituer une cavité doublement résonnante, dans laquelle à la fois l'onde signal et l'onde complémentaire sont amplifiées par aller et retour successifs dans la cavité. On peut encore choisir et agencer les miroirs de façon à réfléchir l'onde de pompe λp. L'élément non linéaire 1 est irradié sur sa face frontale 2a par un faisceau de pompe de longueur d'onde λp, issu d'une source optique 7, par exemple un laser. L'élément non linéaire 1 est découpé et agencé dans la cavité résonnante de manière à ce que la ou les ondes résonnantes (signal et/ou complémentaire) arrive(nt) et quitte(nt) le matériau non linéaire avec un angle d'incidence ou d'émergence nul ou, préférentiellement, avec un angle d'incidence ou d'émergence particulier, dit de Brewster, permettant avantageusement de minimiser les pertes à l'interface. Le calcul de l'angle de Brewster s'effectue sans difficultés par l'homme du métier à partir de la connaissance des indices optiques du matériau non linéaire. On pourra se reporter le cas échéant, à un traité général d'optique, par exemple celui de Born & Wolf, Principles of Optics, Sixth Edition, Pergamon Press.
La tension V appliquée entre les deux faces opposées 3a, 3b et provenant du générateur 6, crée dans le matériau un champ électrique E agissant sur la condition d'accord de phase entre l'onde de pompe de longueur d'onde λp et l'onde signal et l'onde complémentaire de longueurs d'ondes respectives λj et λs, quittant l'élément non linéaire 1 par la face
2b. Les miroirs M i et M2 renvoient une fraction de l'onde signal et/ou complémentaire émergeant du matériau non linéaire vers ce dernier, cette fraction étant alors amplifiée d'un facteur dépendant de la valeur du gain paramétrique. Le dispositif 10 est accordable sur une large bande, comme le montre le tableau I ci-dessous.
TABLEAU I
Figure imgf000013_0001
Par ailleurs, le temps de réponse est largement inférieur à 10- 8 s, ce qui permet l'utilisation du dispositif 10 dans les télécommunications optiques à haut débit d'information.
On a représenté sur la figure 5 la courbe λ(E) d'accordabilité en longueur d'onde en fonction du champ électrique E appliqué, pour un angle interne θ égal à 20° et λp = 1,5 μm. Dans cette courbe d'accordabilité, le point de fonctionnement à champ électrique nul (E = 0) est pris à la dégénérescence, c'est-à-dire lorsque l'on a λj = λs = 2λp. Le choix d'un point de fonctionnement à champ électrique nul permet de bénéficier de la pente quasi-verticale de la courbe λ(E) au voisinage de E = 0, donc de disposer d'une forte excursion en longueur d'onde λ pour un faible champ appliqué. Avec ce choix de point de fonctionnement à champ électrique nul, la finesse spectrale est toutefois moins bonne qu'en choisissant un point de fonctionnement à champ nul hors de la dégénérescence.
On remarquera à l'examen comparé des figures 6A et 6B que l'excursion en longueur d'onde Δλj pour une variation donnée ΔE de champ électrique E est plus grande avec un point de fonctionnement à champ nul pris à la dégénérescence que dans le cas contraire. L'homme du métier choisira la position du point de fonctionnement à champ électrique nul sur la courbe d'accordabilité en fonction de l'application visée, et le choix du point de fonctionnement à champ électrique nul s'effectuera avantageusement par rotation du matériau non linéaire autour de l'axe Y, de manière à modifier la valeur de l'angle interne θ. Pour un champ électrique d'amplitude Emax, c'est-à-dire compris entre - Emaχ et Emax, lorsque le point de fonctionnement à champ nul correspond à la dégénérescence (figure 6A), seules les valeurs positives du champ électrique E comprises entre 0 et Emax permettent de vérifier une condition d'accord de phase, tandis que lorsque le point de fonctionnement à champ nul se situe hors de la dégénérescence (figure 6B), les valeurs négatives du champ électrique E comprises entre 0 et - Emax sont également exploitables.
Les tableaux II, III et IV ci-dessous indiquent les valeurs des longueurs d'ondes λp, λj et λs en fonction de l'angle θ à champ électrique nul, puis en fonction du champ électrique pour deux valeurs de l'angle θ.
TABLEAU II
E= 0
λp(mn) λj(nm) λs(nm) θ C)
750 1500 1500 16.987
750 1510 1490 16.99
750 1520 1481 16.994
750 1550 1453 17.015
670 1340 1340 20.487
670 1350 1330 20.488
670 1360 1321 20.489
670 1400 1285 20.497 TABLEAU III θ - 20.487e
λp(mn) λj(nm) λs(nm) E(V/mm)
750 1500 1500 0
750 1505 1495 20
750 1510 1490 7
750 1520 1480 275
TABLEAU IV θ = 16.986
λp(mn) λj(nm) λs(nm) E(V/mm)
670 1340 1340 0
670 1345 1335 40
670 1350 1330 150
670 1360 1320 350
On a indiqué, à titre d'illustration, sur la figure 2B, un exemple d'évolution de la tension appliquée au matériau non linéaire par le générateur 6, et sur la figure 2C l'allure de la variation des longueurs d'ondes des ondes signal et complémentaire en fonction du temps t, dont dépend la tension délivrée par le générateur. On a représenté sur la figure 3A un dispositif 20 conforme à un premier exemple de réalisation de l'invention, permettant de sélectionner une onde à amplifier parmi plusieurs ondes porteuses de différentes longueurs d'ondes λi, ..., λq, par exemple des ondes porteuses d'un système de communication avec multiplexage. Ce dispositif fonctionne en simple passage et ne comporte plus de cavité résonnante. L'élément non linéaire utilisé est identique à celui de la réalisation précédente et représenté sur la figure 2A, et porte la même référence. L'élément non linéaire 1 reçoit à incidence normale sur la face 2a plusieurs ondes de longueurs d'ondes respectives λi, ..., λq à sélectionner, et un faisceau de pompe de longueur d'onde λp.
L'application d'une tension électrique sur les faces 3a et 3b, par exemple au moyen d'un générateur 6 identique à celui de la réalisation précédente, crée un champ électrique dans le matériau non linéaire, qui établit une condition d'accord de phase permettant d'amplifier sélectivement en sortie l'une des ondes de longueurs d'ondes λi, ..., λq. Les ondes de longueurs d'ondes λi λq sont acheminées sur la face 2a de façon connue en soi, par une fibre optique 4, et l'onde émergente est récupérée par une fibre optique 5, également de façon connue en soi. On a représenté sur la figure 3C l'intensité et la valeur de la longueur d'onde de l'onde émergeant de l'élément non linéaire 1 en fonction du temps, dont dépend la tension appliquée par le générateur 6, comme illustré par la figure 3B.
Dans l'exemple décrit, avec λp = 650 nm, on peut amplifier sélectivement une dizaine de canaux spectralement distants de 2 nm autour de 1550 nm, par application d'un champ électrique de 12 V/mm.
L'application d'un champ électrique pour sélectionner le "canal" à amplifier différencie l'invention de l'art antérieur, notamment la spectroscopie PASS ( Parametric Amplification and Sampling Spectroscopy), où c'est la variation de l'angle d'incidence de l'onde de pompe sur le matériau non linéaire qui réalise la sélection de la valeur de la longueur d'onde en sortie. Pour sélectionner l'onde de longueur d'onde λj, j = 1, ..., q parmi les ondes de longueurs d'ondes respectives λi λq, on soumet le matériau non linéaire à un champ électrique choisi de façon à ce que la valeur de la longueur d'onde de l'onde complémentaire λj ou celle de l'onde signal λs coïncide avec λj.
En variante, le dispositif 20 représenté sur la figure 3A peut être utilisé, conformément à un deuxième exemple de réalisation de l'invention illustré par la figure 4A, pour amplifier et moduler simultanément une onde incidente de longueur d'onde λj égale à la longueur d'onde de l'onde complémentaire émergente, lorsque la condition d'accord de phase est satisfaite.
On a représenté, à titre d'illustration, sur la figure 4B une évolution en créneaux, en fonction du temps, de la tension V appliquée sur les faces 3a et 3b du matériau non linéaire. On a représenté sur la figure 4C l'intensité I de l'onde complémentaire émergente en fonction du temps.
Dans cet exemple, p = 750 nm, λj - 1550 nm et E = 27 V/mm.
L'invention peut également s'appliquer à la détection et à la mesure d'un champ électrique.
On a représenté sur la figure 7 un dispositif 40 de détection et de mesure d'un champ électrique E, par exemple un champ électrique rayonné par des lignes haute tension.
Le dispositif 40 comporte un élément non linéaire 1 à placer dans le champ électrique à mesurer, une source d'onde de pompe 7 et un analyseur 8 recevant l'onde signal ou l'onde complémentaire émergeant du matériau non linéaire. L'analyseur 8 est agencé de manière à déceler une variation de la valeur de la longueur d'onde de l'onde qu'il reçoit, cette variation étant représentative d'une variation du champ électrique E auquel est soumis le matériau non linéaire.
Les effets non linéaires étant liés à la densité de puissance au sein du matériau non linéaire, la présente invention est avantageusement utilisée en choisissant comme élément non linéaire un guide d'onde qui, sous réserve de la réalisation d'une configuration adéquate d'accord de phase en propagation guidée, permet de réduire par le confinement de la lumière qu'il réalise la tension à appliquer au matériau d'un facteur 10 à 20 par rapport au cas d'un matériau n'étant pas agencé sous forme de guide d'onde. Le diamètre du faisceau lumineux dans un guide d'onde est typiquement de l'ordre de quelques microns. Dans le cas de l'utilisation d'un guide d'onde, la relation de dispersion inclut non seulement les indices, mais aussi les caractéristiques géométriques et diélectriques de la structure au sens large (dimensions du guide, différences d'indices entre couches guidantes et leur environnement). On se reportera utilement, en ce qui concerne la propagation guidée, à l'article "Interaction between light waves in a non linear dielelectric", Armstrong et al, Phys. Rev. 1962, 127, pp. 1918-1939, concernant le "quasi accord de phase", et aux articles "Optical second harmonie génération in form of Cohérent Cerenkov radiation from a thin-film waveguide", Appl. Phys. Lett. 17, 447-450, 1970, et J.V. Jelley, Cerenkov Radiation and Its Application (Pergamon, London 19958) concernant l'accord de phase par rayonnement "Cerenkov" en guide optique. En ce qui concerne l'accord de phase par dispersion modale en guide optique, on pourra se référer à l'article "Non linear Organic Materials for Integrated Optics : A Review", J. Zyss, Journal of Molecular Eectronics Vol. 1, 25-45 ( 1985).
On peut, sans sortir du cadre de la présente invention, outre l'application d'une tension sur le matériau non linéaire, modifier les valeurs de λs et λj vérifiant les conditions d'accord de phase en agissant sur la fréquence de l'onde de pompe. On dispose alors d'un double contrôle des longueurs d'onde λs et λj, ce qui permet de moduler en fréquence une onde porteuse optique. L'accordabilité en fréquence Δω j de l'onde complémentaire dans le cas d'un matériau tel que le NPP est exprimée, en première approximation, par la relation suivante, dans le cas de l'incidence normale : 1 _ vg (ωp) vg (ωs)
Figure imgf000018_0001
Figure imgf000018_0002
où Δωp est le changement de fréquence de la pompe (supposé petit), Δωj/Δωp représente l'excursion en longueur d'onde émise par nm de variation de la longueur d'onde de pompe λp, ce rapport étant de préférence le plus grand possible (il est de l'ordre de 100 pour du NPP avec une longueur d'onde de pompe λp égale à 670 nm), Vg (ωp), Vg (ωs) et Vg (ωj) sont les vitesses de groupe de l'onde de pompe, de l'onde signal et de l'onde complémentaire respectivement. On se reportera utilement à la publication "Pump wavelength tuning of optical parametric oscillations and frequency mixing in KTjO As O4", Appl. Phys. Lett 60, 11 May 1992. Lorsque le matériau non linéaire est découpé de sorte que l'angle d'incidence ou d'émergence de l'onde signal ou complémentaire est égal à l'angle de Brewster, on aboutit à une plage d'accordabilité comparable à celle obtenue à l'incidence normale, mais pour un changement de fréquence de l'onde de pompe plus faible. Les dispositifs paramétriques optiques conformes à l'invention qui viennent d'être décrits utilisent comme matériau non linéaire le NPP. Il va de soi que l'invention n'est pas limitée à l'emploi de ce matériau particulier mais couvre plus généralement l'emploi de tous types de matériaux non linéaires (qu'ils soient organiques, organo-minéraux, ou minéraux), et qu'ils soient uniaxes ou biaxes.tricliniques monocliniques ou orthorombiques.

Claims

REVENDICATIONS
1/ Dispositif (10 ; 20 ; 40) paramétrique optique utilisant un matériau non linéaire (1 ) ayant une susceptibilité électronique du deuxième ordre χ(2), et comportant des moyens (7) pour illuminer ce matériau non linéaire par un faisceau de pompe de longueur d'onde λp, de manière à réaliser dans le matériau non linéaire un gain paramétrique et une interaction à trois ondes avec une onde signal de longueur d'onde λs et une onde complémentaire de longueur d'onde λj supérieure à λs, et des moyens aptes à réaliser une condition d'accord de phase entre les trois ondes, caractérisé en ce que lesdits moyens aptes à réaliser la condition d'accord de phase agissent en soumettant ledit matériau non linéaire à un champ électrique constituant une information utile de traitement de signal. 2/ Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que lesdits moyens aptes à réaliser la condition d'accord de phase comportent un générateur (6) pour appliquer une tension électrique sur ledit matériau non linéaire.
3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit matériau non linéaire est agencé sous la forme de guide d'onde.
4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit matériau non linéaire ( 1 ) reçoit en entrée, outre le faisceau de pompe, une onde à amplifier et moduler simultanément, de même longueur d'onde que l'onde complémentaire ou l'onde signal.
5/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit matériau non linéaire ( 1) reçoit en entrée, outre le faisceau de pompe, un faisceau comportant plusieurs ondes de longueurs d'ondes respectives λi, .... λq, la valeur du champ électrique auquel est soumis ledit matériau non linéaire étant choisie de manière à amplifier sélectivement l'une des longueurs d'ondes λj λq.
6/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif comporte en outre des moyens pour modifier mécaniquement ou thermiquement la condition d'accord de phase, de préférence par entraînement en rotation du matériau non linéaire, de manière à choisir sur la courbe d'accordabilité du matériau non linéaire la position du point de fonctionnement du dispositif à champ électrique nul. 7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau non linéaire est placé dans une cavité résonnante et agencé à l'intérieur de celle-ci de sorte que l'angle d'émergence du matériau non linéaire et d'incidence sur le matériau non linéaire d'au moins une onde résonnante soit égal à l'angle de Brewster. 8/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit matériau ( 1 ) est du NPP.
9/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour modifier la valeur de la longueur d'onde de l'onde de pompe de manière à moduler en fréquence la valeur des ondes signal et complémentaire.
10/ Dispositif (40) selon la revendication 1 , destiné à la mesure d'un champ électrique rayonné dans lequel ledit matériau non linéaire est placé, caractérisé en ce qu'il comporte un analyseur (8) recevant en entrée l'une au moins des ondes complémentaire et signal et agencé pour délivrer en sortie une information représentative de la variation de cette onde reçue et dudit champ électrique rayonné.
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