Design and Implementation of Apodized and Unapodized Frequency Converters in Bulk Aperiodically Poled Nonlinear Materials

Cette thèse porte sur l'étude, la conception et la fabrication de convertisseurs de fréquences à large bande pour la génération efficace de seconde harmonique (SHG) et de somme de fréquences (SFG) sur des dispositifs non-linéaires en quasi-accord de phase (QPM). Les dispositifs de QPM comprennent des réseaux de domaines inversés, qui fournissent un accord de phase non critique pour la conversion de fréquences dans les matériaux non-linéaires. Pour créer des cristaux à QPM, le coefficient non-linéaire de second ordre est périodiquement inversé à l'aide d'une méthode de polarisation périodique. Avec d'excellentes propriétés telle sa non-linéarité, le cristal de niobate de lithium (LN), utilisé pour les simulations et la fabrication de ces travaux de recherche, est un des meilleurs candidats pour les dispositifs à QPM. Les matériaux périodiquement polarisés uniformément tel le niobate de lithium périodiquement polarisé (PPLN), possèdent une largeur de bande d'acceptation spectrale et thermique étroite. La largeur de bande étroite limite la conversion de fréquences pour une longueur d'onde spécifique d'un laser pompe et nécessite l'utilisation d'un contrôleur de température pour maximiser l'efficacité de conversion. En addition, les conversions de fréquences pour plusieurs longueurs d'onde simultanément ainsi que le réglage de la longueur d'onde de pompe sans réglage de température sont restreints par les PPLN uniformes. Les réseaux à pas variable (chirped) et step-chirped dans le LN ont été récemment proposés pour pallier la limitation de la bande passante des doubleurs de fréquences basés sur la SHG. Les réseaux chirped peuvent être conçus pour obtenir une largeur de bande souhaitée et enlever la nécessité de l'installation du régulateur de température dans le montage expérimental. Cependant, ces dispositifs souffrent d'ondulations et de fluctuations dans leurs réponses spectrales. L'application d'apodisation sur les réseaux chirped est proposée pour diminuer les ondulations dans la réponse de ces dispositifs, dans lesquels les changements de coefficient non linéaire effectif en fonction de la longueur converge vers zéro au niveau des rebords du réseau. Dans cette thèse, les méthodes d'ingénieries non linéaires effectives appropriées pour supprimer des ondulations des convertisseurs à large bande sont explorées. La mise en oeuvre d'une fonction d'apodisation souhaitée sur les convertisseurs à large bande basés sur la variation du rapport cyclique est examinée en profondeur. La dépendance de la phase du champ électrique sur la génération de seconde harmonique à l'endroit de la région polarisée dans un réseau apériodique est explorée théoriquement.

Abstract

This thesis focuses on research study, design and fabrication of broadband frequency converters based on second harmonic generation (SHG) and sum frequency generation (SFG) in nonlinear quasi-phase-matched (QPM) devices. QPM devices based on domain-inverted gratings provide noncritical phase matching for frequency conversion in nonlinear media. For creating QPM crystals, the second-order nonlinear coefficient is periodically reversed by periodic poling method. Lithium niobate (LN) crystal with excellent properties such as high nonlinearity is one of the best candidates for QPM devices, which has been used for the simulations and fabrication in this research work. Conventional uniform periodically poled materials such as periodically poled lithium niobate (PPLN) crystals possess a narrow spectral and thermal acceptance bandwidth. The narrow bandwidth limits the frequency conversion for a specified pump wavelength and necessitates the use of a temperature controller to maximize the efficiency. In addition, uniform gratings restrict simultaneous frequency conversion for several wavelengths and tunability of the pump wavelength without temperature tuning. Therefore, chirped and step-chirped gratings in LN were recently proposed to overcome the bandwidth limitation of frequency doublers based on SHG. Chirped gratings can be engineered to obtain the desired bandwidth and remove the necessity of controlling the temperature in the experimental set-up. However, these devices suffer from ripples and fluctuations in their spectral responses. Applying apodization in chirped grating is suggested to diminish the ripples in the response of these devices, in which the effective nonlinear coefficient changes, as a function of length, smoothly to zero at the edges of the grating. In this dissertation, methods for engineering proper effective nonlinearity are explored to suppress ripples of broadband converters. Implementation of a desired apodization function on broadband converters based on duty ratio variation is deeply examined. The dependence of SH electrical field phase on the place of poled region in an apreriodic grating is explored theoretically. It has been demonstrated for the first time that the spectral conversion bandwidth of apodized chirped frequency doublers depends on the place of the poled region within the period of gratings. The proper design to minimize the ripples and achieve a desired nonlinearity function for an apodized chirped grating has been proposed which improves the tolerance to fabrication errors.