LIVRE BLANC : Ingénierie de la longueur d'onde à l'aide de cristaux optiques non linéaires

Cristaux optiques non linéaires

Les cristaux optiques non linéaires (NLO) offrent une solution extrêmement flexible pour générer de nouvelles longueurs d'onde à partir de sources laser existantes et disponibles sur le marché. Le spectre de longueurs d'onde optiques µm est utilisé par une grande variété d'applications en constante expansion, allant de la stérilisation UV, aux réseaux et à l'informatique quantique ( µm , à l'imagerie visible, aux télécommunications, à la détection environnementale, à la spectroscopie térahertz, et bien d'autres encore. Pour toutes ces applications, la source lumineuse est un composant essentiel qui fournit la longueur d' µm , la puissance, la largeur de raie et les autres propriétés spectrales clés requises.

Bien qu'il existe une grande variété de sources laser disponibles dans le commerce couvrant le spectre optique étendu µm il n'est pas toujours possible de trouver une source de lumière directe et économique pour toutes
les applications. C'est précisément lorsque l'on ne dispose pas d'une source directe pratique que la conversion de longueur d'onde à l'aide de cristaux optiques non linéaires à haut rendement constitue une solution performante.

QUELLES APPLICATIONS ?

« Les cristaux PPLN sont utilisés dans une vaste gamme d'applications, allant des technologies spatiales et de défense à l'informatique quantique µm . Grâce à nos recherches et aux travaux menés par nos clients, nous découvrons constamment de nouvelles applications pour nos solutions. »
Prof. Corin Gawith , CTO , Covesion

Principe de conversion de longueur d'onde

Le principe de la conversion de longueur d'onde par effets optiques non linéaires existe depuis des décennies. Grâce aux progrès de la technologie laser et à la découverte de cristaux de haute qualité présentant de fortes non-linéarités optiques, les gains d'efficacité de conversion obtenus ont permis l'utilisation pratique des cristaux NLO dans la recherche et l'industrie. ^{^1,2} L'une des avancées les plus importantes a été l'adoption de matériaux dont les domaines peuvent être contrôlés, permettant ainsi d'utiliser l'accord de quasi-phase (QPM) pour maintenir la phase relative entre les ondes interagissantes.^³

En comparaison avec l'accord de phase biréfringent (BPM) plus conventionnel utilisé dans les matériaux homogènes, les matériaux QPM microstructurés offrent les avantages d'un alignement optique colinéaire simple, d'un décalage angulaire non critique, d'un accès aux coefficients non linéaires les plus élevés et d'un espace de conception très flexible.

Les cristaux NLO offrent une solution pratique pour la génération de longueurs d'onde qui ne sont pas facilement accessibles via des sources laser directes.

Choix du cristal NLO

Le choix d'un cristal NLO pour une application donnée dépend de la longueur d'onde requise, des sources p µm disponibles et du rendement de conversion NLO. D'autres facteurs, comme la puissance de sortie requise, la largeur de raie et la température de fonctionnement, sont également à prendre en compte. Parmi les différents matériaux cristallins, le niobate µm lithium (LiNbO₃) est particulièrement intéressant en raison de son coefficient non linéaire très élevé.⁴

Le niobate de lithium µm est un matériau ferroélectrique dont la structure de domaines peut être inversée par l'application d'un champ électrique. L'application d'un champ électrique spatialement structuré, appelée polarisation périodique, permet de générer une inversion périodique de la polarisation intrinsèque du cristal. Ceci rend possible l'utilisation de la méthode de polarisation quasi-périodique (QPM) pour atteindre le coefficient non linéaire maximal (d33). Un dopage à 5 % de MgO augmente significativement la résistance optique et photoréfractive du cristal tout en préservant son coefficient non linéaire élevé. Grâce à un seuil d'endommagement plus élevé, le MgO:PPLN convient aux applications de forte puissance.

Grâce à son coefficient non linéaire élevé, sa polarisation périodique et sa large transmission optique, le MgO:PPLN offre une solution très flexible pour la génération de longueurs d'onde allant du bleu (< 400 nm) à l'infrarouge moyen et au-delà (THz). La longueur d'onde souhaitée est obtenue en adaptant la conception du cristal PPLN afin d'accéder au processus non linéaire le plus approprié : SHG, SFG, DFG, etc.

Procédés optiques non linéaires

La génération de seconde harmonique (GSH), ou doublage de fréquence, est le processus non linéaire du second ordre le plus couramment utilisé. Dans la GSH, deux photons incidents de longueur d'onde λ_{µm et de même longueur d'onde λ} sont combinés par un processus non linéaire pour générer un troisième photon à la fréquence λ<sub> _SHG , où λ _SHG = λ_{_P} /2 (ou, en termes de fréquence, f_{_SHG} = 2f_{_P} ).

Les cristaux MgO:PPLN SHG peuvent être fabriqués avec des périodes de réseau QPM adaptées à une large gamme de longueurs d'onde laser p µm p disponibles dans le commerce, de 976 nm à 2100 nm, permettant la génération de lumière à fréquence doublée entre 488 nm et 1050 nm.

S µm (SFG) combine deux photons d'entrée à λ _P et λ _S pour générer un photon de sortie à λ _SFG , où λ _SFG = (1/ λ _P + 1/ λ _S )-1 (ou en termes de fréquence f _SHG = f _P + f _S ).

En combinant des sources laser p µm p fixes (par exemple 1550 nm) et accordables (par exemple 780/810 nm) facilement disponibles, les cristaux SFG MgO:PPLN peuvent fournir une lumière de sortie accordable entre 500 et 700 nm.

La génération de fréquence différence (GFD) se produit lorsque deux photons incidents de longueurs d'onde λ_{_P} et λ_{_S} frappent le cristal. La présence du photon signal de plus basse fréquence, λ_{_S} , stimule le photon de longueur d'onde µm _{_P} à émettre un photon signal λ_{_S} et un photon complémentaire de longueur d'onde λ<sub> _i , où λ _{_i} = (1/λ _{_P} – 1/λ_{_S} ) ^{^-1} (ou, en termes de fréquence, f _{_i} = f_{_P} – f_{_S}). Au cours de ce processus, deux photons signal et un photon complémentaire sortent du cristal, générant ainsi un champ de signal amplifié. Ce phénomène est connu sous le nom d'amplification paramétrique optique (APO). De plus, en plaçant le cristal non linéaire dans un résonateur optique, également appelé oscillateur paramétrique optique (OPO), l'efficacité peut être considérablement améliorée.

Les cristaux MgO:PPLN DFG peuvent être conçus pour fonctionner avec des longueurs d'onde p µm p fixes et accordables courantes (par exemple 1064/1550/775 nm) afin de couvrir une large gamme d'accord de sortie continue du proche infrarouge jusqu'au-delà de 4,5 µm dans l'infrarouge moyen.

La conception du réseau QPM MgO:PPLN peut être étendue pour accéder à des processus du troisième ordre, tels que la génération du troisième harmonique (THG). Bien que l'efficacité du troisième ^ordre soit nettement inférieure à celle du deuxième ^ordre , la génération de niveaux utiles de lumière UV a été démontrée par SFG du troisième ordre (1064 nm + 532 nm → 355 nm) dans MgO: ^PPLN.⁵

Applications concrètes

Le MgO;PPLN peut être facilement fabriqué sous diverses formes, du cristal massif au guide d'ondes, offrant ainsi une large gamme d'applications et une efficacité de conversion accrue. Les puces de conversion de longueur d'onde, qu'elles soient sous forme de cristal massif ou de guide d'ondes, peuvent ensuite être facilement encapsulées avec des entrées et sorties à fibre optique, pour une utilisation simplifiée. L'association d'un boîtier à fibre optique et d'un régulateur de température de haute précision constitue une solution de conversion de longueur d'onde prête à l'emploi.

Voici quelques exemples concrets illustrant les avantages de l'ingénierie de longueur d'onde à l'aide de cristaux PPLN :

Génération de 780 nm à partir d'une source de 1560 nm (SHG).

Le piégeage magnéto-optique (MOT) d'atomes de rubidium est utilisé dans des applications d'interférométrie d'atomes froids, telles que la détection gravimétrique et les horloges atomiques.⁶ ^nm peuvent être efficacement doublés en fréquence à 780 nm, avec des rendements de conversion atteignant 70 % pour les solutions à guide d'ondes.⁷ ^p µm disponibles dans le commerce et d'un cristal de doublage de fréquence permet une génération économique de la puissance à 780 nm et de la faible largeur de raie requises pour le piégeage d'atomes de rubidium.

Conversion bidirectionnelle de 422 nm <-> 1550 nm (SFG/DFG).

La mise en réseau quantique µm (µm) facilite la distribution de clés quantiques µm (QKD). Cette application requiert une conversion efficace entre les transitions atomiques à courte longueur d'onde utilisées pour les qubits à ions piégés et la bande C des télécommunications pour une transmission par fibre optique à faibles pertes. L'utilisation de cristaux PPLN spécialement conçus a démontré la conversion ascendante et descendante au niveau du photon unique entre 422 nm (émission Sr+) et 1550 nm. Ceci constitue un élément crucial pour la construction de réseaux quantiques µm à grande échelle.⁸

Pour conclure

En conclusion, les cristaux NLO offrent une solution pratique pour la génération d'une large gamme de longueurs d'onde difficilement accessibles par des sources laser directes. L'utilisation de matériaux à haute efficacité, microstructurables pour permettre la modulation quasi-paramétrique (QPM), tels que le MgO:PPLN, offre un écosystème de produits extrêmement flexible. En tant que fournisseur leader de produits de conversion de longueur d'onde à base de PPLN, Covesion propose des conseils sur des solutions personnalisées, ainsi qu'un support technique pour leur installation, leur utilisation et leur optimisation. Grâce à un vaste portefeuille de produits COTS et à ses capacités de conception sur mesure, Covesion est idéalement positionnée pour répondre aux besoins d'une large gamme d'applications de conversion de longueur d'onde.

Références

1. Maker et al., Phys. Rev. Lett., 8(1):21–23, 1962
2. H µm et al, CR Physique 8 (2007) 180–198
3. Armstrong et al., Phys. Rev., 127(6):1918–1939, 1962
4. M. Houe et al., J. Phys. D Appl. Phys., 28 : 1747–1763, 1995
5. Hsu et coll., Proc. SPIE 1126412 (2 mars 2020)
6. Devani et al, CEAS Space Journal vol µm e 12, 539-549 (2020)
7. Berry et al, OSA Continu µm , Vol. 2, n° 12, 15 décembre 2019, 3456
8. Wright et al., Phys Rev Appl 10, 044012 (2018)