Emerging Microstructured Fibers for Linear and Nonlinear Optical Applications in the Mid-Infrared and Terahertz Spectrum

Les régions spectrales des ondes térahertz (THz) et de l'infrarouge moyen (mIR) représentent les frontières immédiates nous séparant du but d'exploiter le spectre électromagnétique dans son intégralité pour les applications technologiques du futur. La bande spectrale de l'infrarouge moyen couvre les longueurs d'ondes entre 2 et 20 microns du spectre infrarouge. Diverses applications tirant profit du mIR sont envisagées dans de nombreux domaines d intér ts tels: spectroscopie imagerie infrarouge chirurgie laser et bio-diagnostic Malgré les nombreux avantages immédiats pouvant tre tirés des applications du spectre mIR, sa pleine exploitation demeure ce jour limitée en raison d'une part par le manque de sources laser mIR couvrant une large portion de ce domaine spectral En effet la majorité des sources cohérentes mIR actuellement disponibles oscillateurs paramétriques optiques lasers cascades quantiques lasers électrons libres sont discr tes et restreignent ainsi les applications une seule longueur d'onde spécifique la fois. Il existe actuellement une forte demande au sein de l'industrie et la communauté scientifique pour la création d'une source lumineuse cohérente large bande spectrale émettant dans le mIR, et sous une forme compacte. Le premier sujet de recherche de cette thèse se rapporte au design de nouvelles fibres hautement nonlinéaires (FHNL) pour leur utilisation dans la génération de lumière mIR (e.g. génération d'un supercontinuum), et au sein de dispositifs de conversion en longueurs d'onde mIR basés sur des effets optiques nonlinéaires. À cet effet, l'efficacité de génération/conversion de la lumière mIR dépend intimement du contrôle des propriétés optiques linéaires et nonlinéaires du guide d'onde employé dans le système. Au cours de mes travaux, j'ai étudié différents designs de guides d'ondes microstructurés (ou nanostructurés) hautement nonlinéaires et possédant un potentiel pour des applications à impact concret. Plus particulièrement, nous avons démontré deux nouveaux types de FHNL: la fibre optique nanostructurée hybride en chalcogénures-métal qui supporte un mode plasmonique permettant un confinement du champ à des dimensions profondément sous-longueur d'ondes, ainsi que la fibre microporeuse en verres de chalcogénures offrant des possibilités étendues pour le contrôle de la dispersion chromatique dans les fibres optiques nonlinéaires. Par ailleurs, des simulations numériques basées sur l'équation de Schrodinger nonlinéaire, et assumant cette dernière FHNL comme guide d'onde, ont été effectuées et ont démontré leur potentiel pour la génération d'un large supercontinuum mIR dans

Abstract

The terahertz (THz) and middle-infrared spectrum (mIR) represent the next frontiers in the goal of harnessing the whole electromagnetic spectrum in future technological applications. The middle-infrared spectral band covers the wavelengths between 2 and 20 microns in the infrared. A myriad of applications that take advantage of the mIR spectrum are envisioned in several fields of interest such as: spectroscopy, infrared imagery, laser surgery and bio-diagnostic. Despite the numerous immediate benefits that may be reaped from applications of mIR technology, its full exploitation remains limited by the lack of bright and coherent optical sources of mIR light. In fact, the majority of current mIR coherent sources (optical parametric oscillators, quantum cascade lasers, free electron lasers) are discrete and thus restrict applications to a single specific wavelength at a time. Thus there is presently a strong demand within the industrial and academic communities for the creation of a broad bandwidth coherent mIR light source in a compact form factor. The first research topic of my thesis was to design novel highly-nonlinear fibers (HNLFs) to be used in mIR light generation (e.g. supercontinuum generation) and mIR wavelength conversion schemes based on nonlinear optical effects. The efficiency of mIR light generation/conversion depends intimately on the precise control of the linear and nonlinear optical properties of the waveguide used in the optical setup. During the course of this work, we investigated various designs of both microstructured and nanostructured highly-nonlinear waveguides with great potential for end-user applications. In particular, we demonstrated two novel types of HNLFs: the hybrid chalcogenide-metal nanostructured optical fiber that supports a plasmonic mode enabling deep-subwavelength field confinement capabilities, and the chalcogenide microporous fiber that provides extensive design freedom for engineering the chromatic dispersion of nonlinear fibers. Furthermore, simulations of the nonlinear Schrodinger equation, assuming the latter type of HLNF, were performed and showed the potential for generating a broad mIR supercontinuum inside a chalcogenide microporous fiber seeded at long wavelengths (i.e. 10.5 μm) using short picosecond pulses. Furthermore, the study of the hybrid chalcogenide-metal nanostructured optical fiber demonstrated subwavelength-size optical mode confinement beyond the classical diffraction limit. This feat was made possible by harnessing surface plasmon polaritons guided by the