Nonlinear Optics in Chalcogenide and Tellurite Microspheres for the Generation of Mid-Infrared Frequencies

Le développement de sources optiques émettant au-delà des bandes de télécommunication jusqu'à l'infrarouge moyen est grandissant. Des sources nouvelles et améliorées émettant à des longueurs d'onde allant de 2 μm à 12 μm sont régulièrement rapportées dans la communauté scientifique et quelques sources sont déjà disponibles sur le marché. Divers domaines profitent de ces développements dont l'imagerie, les télécommunications, le traitement des matériaux et l'analyse moléculaire pour n'en nommer que quelques-uns. Parmi ces sources,les lasers basés sur les microcavités à modes de galerie sont de plus en plus présents puisque beaucoup d'efforts sont déployés au transfert de leurs propriétés uniques du proche infrarouge à l'infrarouge moyen. En plus de leurs dimensions micrométriques, les microcavités à modes de galerie sont naturellement adaptées à la génération non linéaire de signaux optiques : elles possèdent de grands facteurs de qualité et de petits volumes modaux. Les processus non linéaires de diffusion Raman stimulée et en cascade sont attrayants puisqu'ils ne requièrent aucune condition de dispersion particulière. De plus, ces processus sont observables sur toute la fenêtre de transmission du matériau. La silice qui est le matériel de choix typiquement utilisé pour la transmission de signal dans le proche infrarouge devient opaque aux longueurs d'onde excédant 2 μm. Pour cette raison, on tirera profit de matériaux moins conventionnels mais transparents dans l'infrarouge moyen, tels que les verres de chalcogénure et de tellure. Parmi les microcavités à modes de galerie basées sur les verres de chalcogénure qui ont été rapportées, aucune démonstration de génération non linéaire n'a été faite. Cela s'explique par des pertes optiques trop élevées qui limitent les puissances de seuil aux dizaines de milliwatts, loin des puissances de seuil de quelques microwatts observées dans les microcavités en silice dans le proche infrarouge. La première contribution de cette thèse répond à ce problème par la fabrication de microsphères de haute qualité en As2S3. Reconnus pour leur transparence entre les longueurs d'onde de 1 μm à 6 μm, les verres en As2S3 peuvent être produits avec une grande pureté et possèdent un gain Raman élevé comparé à la silice. Les microsphères en As2S3 sont produites à partir de fibres optiques de grande pureté et elles démontrent des pertes optiques similaires à celles des fibres. Grâce aux procédés d'usinage par laser, les facteurs de qualité optique sont deux ordres de grandeur supérieurs aux valeurs précédemment rapportées. Les microsphères peuvent être fabriquées avec des diamètres variant de 20 μm à 400 μm. Enfin, leur qualité est conservée par un procédé d'encapsulation.

Abstract

In the recent years, the development of optical sources emitting outside the standard telecommunication bands and in the mid-infrared (mid-IR) region is thriving. New and improved sources with wavelengths spanning from 2 μm to 12 μm are regularly reported in the research community and various sources are already available on the market. Diverse domains including imagery, communication, material processing, and molecular analysis are taking advantage of these sources. Among these, micron-size lasers based on whispering gallery modes (WGM) microcavities are gradually entering the race as more effort is invested to transfer their unique properties from near-infrared to mid-IR regions. Along their compactness,WGM microcavities are naturally suitable for nonlinear signal generation: they possess relatively large Q-factors and small mode volumes. Stimulated and cascaded Raman scattering processes are especially attractive for signal generation as they require no particular dispersion condition. Furthermore, these processes can be observed across the entire transparency window of the host material. Typical near-IR materials such as silica have to be replaced by unconventional ones such as chalcogenide and tellurite glasses. All previously reported WGM microcavities based on chalcogenide and tellurite glasses failed to demonstrate nonlinear interaction. They suffered from large optical losses that push threshold power levels to tens of milliwatts, far from the μW level usually observed in silica microcavities at near-IR wavelengths. The first contribution of this thesis is therefore to solve this issue by fabricating low loss As2S3 WGM microcavities. Known for its 1−6 μm transparency window, As2S3 glass can be produced with high purity and exhibits a large Raman gain compared to silica. Made from high purity optical fibers, As2S3 microspheres demonstrated loss levels similar to the optical fiber attenuation. Thanks to a fabrication technique based on laser shaping, the measured optical Q-factors exceed previously reported values by two orders of magnitude in As2S3. Microspheres can be produced with diameters varying between 20 μm and 400 μm. Their quality is maintained using an encapsulation method. The packaged device additionally includes a tapered optical fiber to couple light in and out of the microcavity. The second thesis contribution is the demonstration of stimulated Raman scattering in As2S3 microspheres. Threshold coupled pump powers of ~ 13 μW with internal power conversion efficiency of 10 % were observed for pump and signal wavelengths of 1550 nm and 1640 nm.