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

Le developpement de sources optiques emettant au-dela des bandes de telecommunication jusqu’a l’infrarouge moyen est grandissant. Des sources nouvelles et ameliorees emettant a des longueurs d’onde allant de 2 μm a 12 μm sont regulierement rapportees dans la communaute scientifique et quelques sources sont deja disponibles sur le marche. Divers domaines profitent de ces developpements dont l’imagerie, les telecommunications, le traitement des materiaux et l’analyse moleculaire pour n’en nommer que quelques-uns. Parmi ces sources,les lasers bases sur les microcavites a modes de galerie sont de plus en plus presents puisque beaucoup d’efforts sont deployes au transfert de leurs proprietes uniques du proche infrarouge a l’infrarouge moyen. En plus de leurs dimensions micrometriques, les microcavites a modes de galerie sont naturellement adaptees a la generation non lineaire de signaux optiques : elles possedent de grands facteurs de qualite et de petits volumes modaux. Les processus non lineaires de diffusion Raman stimulee et en cascade sont attrayants puisqu’ils ne requierent aucune condition de dispersion particuliere. De plus, ces processus sont observables sur toute la fenetre de transmission du materiau. La silice qui est le materiel de choix typiquement utilise pour la transmission de signal dans le proche infrarouge devient opaque aux longueurs d’onde excedant 2 μm. Pour cette raison, on tirera profit de materiaux moins conventionnels mais transparents dans l’infrarouge moyen, tels que les verres de chalcogenure et de tellure. Parmi les microcavites a modes de galerie basees sur les verres de chalcogenure qui ont ete rapportees, aucune demonstration de generation non lineaire n’a ete faite. Cela s’explique par des pertes optiques trop elevees qui limitent les puissances de seuil aux dizaines de milliwatts, loin des puissances de seuil de quelques microwatts observees dans les microcavites en silice dans le proche infrarouge. La premiere contribution de cette these repond a ce probleme par la fabrication de microspheres de haute qualite en As2S3. Reconnus pour leur transparence entre les longueurs d’onde de 1 μm a 6 μm, les verres en As2S3 peuvent etre produits avec une grande purete et possedent un gain Raman eleve compare a la silice. Les microspheres en As2S3 sont produites a partir de fibres optiques de grande purete et elles demontrent des pertes optiques similaires a celles des fibres. Grâce aux procedes d’usinage par laser, les facteurs de qualite optique sont deux ordres de grandeur superieurs aux valeurs precedemment rapportees. Les microspheres peuvent etre fabriquees avec des diametres variant de 20 μm a 400 μm. Enfin, leur qualite est conservee par un procede 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.