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.