A. Kudlinski, Y. Quiquempois, G. Martinelli

Pourquoi le poling peut être inefficace Pourquoi le poling peut être inefficace dans les fibres optiquesdans les fibres optiques

Université des Sciences et Technologies de LilleLaboratoire de Physique des Lasers, Atomes et MoléculesBâtiment P5, 59655 Villeneuve d’Ascq Cedex, FRANCE

Plan

Rapide présentation de la méthode de poling thermique

Interprétation des résultats expérimentaux

Résultats obtenus par attaque chimique des échantillons

Influence sur le design des fibres optiques afin obtenir une meilleure efficacité de poling

Conclusion

Introduction

Polarisation macroscopique:

......... 30

20

10 EEEEEEP

Aucun phénomène non-linéaire du second ordre n’est possible

Milieux centrosymmétriques (verres): 02

LinéaireP LinéaireNonP

MAIS

Les méthodes de poling permettent de briser la symmétrie du verre

02

Introduction

)2(eff

Poling thermique (~300°C)

EEEP DCNL .... 30

)3(

Création d’un champ électrique permanent EDC

Couche déplétée chargée négativement sous l’anode

Migration d’ions positifs vers la cathode (Na+, K+, Li+, ...)

HT

DCE

Répartition du champ électrique

Pendant le processus de poling:

Anode

Cathode

Zone déplétée

kV4

kVV 4 kVV 4

L

x

wx

E(x)Zone déplétée

Ano

de

Cathode

w

L

E E

Accumulation d’ions positifs sur les deux faces de l’échantillon

0V 0V

0d)(0

L

xxE

Existence d’un champ électrique négatif en volume

Aires égales

++++

++++

E

x

E(x)

EE

Après le processus de poling:

Répartition du champ électrique

Conditions expérimentales

Échantillons d’InfrasilTM d’épaisseurs différentes

Lot A: 100µm (60min, 290°C, 4kV)

Lot B: 500µm (10min, 290°C, 4kV)

Lot C: 1000µm (10min, 290°C, 4kV)

Après poling: attaque par acide fluorhydrique

Acide Échantillon Filtres IR

PM

nm1064 2/

Acquisition

Laser Nd:YAG

Détecteur

Résultats expérimentaux

Attaqu

e HF

Attaque de la surface anodique de l’échantillon polé

Couche déplétée

Echantillon polé

Cuve contenant l’acide

Surface anodique

Faisceau de pompe IR

Puissance SH = 0 après 24µm

χ(2) = 0dans le reste de l’échantillon,

après l’attaque anodique

“Attaque anodique”

χ(2) ≠ 0seulement sur 24µm

Résultats expérimentaux

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

Pu

iss

an

ce

SH

[u

.a.]

2520151050Epaisseur sous la face anodique [µm]

Attaqu

e HF

Couche déplétée

Surface cathodique

Résultats expérimentaux

Attaque de la surface cathodique de l’échantillon polé

Cuve contenant l’acideEchantillon polé

Faisceau de pompe IR

Oscillations périodiques du signal SH

ethors de la couche déplétée

cste)2( 0)2(

Résultats expérimentaux

“Attaque cathodique”

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

Pu

iss

an

ce

SH

[u

.a.]

100806040200Epaisseur sous la face cathodique [µm]

Interprétation

E(x)

x

EA

EC

Avant attaque

Attaque HF

Les charges négatives sont enlevées petit à

petit

E(x)

x

EA

EC

Pendant l’attaque

EC diminue

Interprétation

E(x)

x

EA

EC

Attaque HF

E(x)

x

EA

EC

Toutes les charges négatives sont enlevées

,0)(xE Lx 0

0)2(

Avant attaque

Après attaque

Interprétation

E(x)

x

EA

EC

Les charges négatives sont encore dans le verre

Attaque HF

Pendant l’attaque

E(x)

x

EA

EC

E(x) ≠ 0 hors de la zone déplétée

Oscillations périodiques du signal SH

Avant attaque

Conséquence: modèle simplifié

w

L

E

E

C

A 1

w: épaisseur de la couche déplétéeL: épaisseur d’échantillon

E(x)

x

w L - w

EA

EC

1

w

L

L

VE app

AL

VE app

C

Après poling

L’amplitude de EA et EC dépend du rapport L/w

Simulations

1.2

1.1

1.0

0.9

0.8

Pu

iss

an

ce

SH

[u

.a.]

200150100500Epaisseur sous la face cathodique [µm]

Simulations

Simulations

1.2

1.1

1.0

0.9

0.8

Pu

iss

an

ce

SH

[u

.a.]

200150100500Epaisseur sous la face cathodique [µm]

100 µmSimulations

Simulations

1.2

1.1

1.0

0.9

0.8

Pu

iss

an

ce

SH

[u

.a.]

200150100500Epaisseur sous la face cathodique [µm]

100 µm 500 µm Simulations

0d)(

0

L

xxELe model supposant après poling est correct

Simulations

1.2

1.1

1.0

0.9

0.8

Pu

iss

an

ce

SH

[u

.a.]

200150100500Epaisseur sous la face cathodique [µm]

100 µm 500 µm 1000 µm Simulations

Application au poling des fibres

Anode Cathode

Zone non-linéaire Cœur de la fibre

Anode Cathode25.1/ wL

w L

EA

E

L: distance inter-électrodesw: épaisseur de la couche déplétée

Zone non-linéaire Cœur de la fibre

Application au poling des fibres

Anode Cathode25.1/ wL

w L

EA

EC

EL

VE app

A 4

Zone non-linéaire Cœur de la fibre

L: distance inter-électrodesw: épaisseur de la couche déplétée

Application au poling des fibres

Anode Cathode2/ wL

w L

EA

EC

EL

VE app

A

Zone non-linéaire Cœur de la fibre

Application au poling des fibres

Anode Cathode3/ wL

w L

EA

EC

EL

VE app

A

2

Zone non-linéaire Cœur de la fibre

Application au poling des fibres

Anode Cathode5/ wL

w L

EA

EC

EL

VE app

A

3

La distance inter-électrodes doit être la plus importante possible

Zone non-linéaire Cœur de la fibre

Application au poling des fibres

Résumé

La condition 0d)(0

L

xxE est vérifiée après poling

Un champ électrique négatif EC est induit hors de la zone déplétée, donc une susceptibilité χ(2) est présente sur toute l’épaisseur de l’échantillon

Suivant la valeur du rapport L/w, le poling peut être inefficace dans les échantillons minces, comme les fitres à structure évidée:

La distance inter-électrodes doit être la plus élevée possible, de façon à obtenir la meilleure efficacité de poling.

Le champ électrique dépend à la fois de l’épaisseur de l’échantillon et de la couche déplétée, via la relation:

w

L

E

E

C

A 1

Remerciements

Ce travail a été effectué dans le cadre du contrat européen GLAMOROUS (IST-2000-28366).

GLAss based MOdulators, ROUters and Switches

Titre

Simulations (100 µm-thick sample)

Assumption: 0d)(0

L

xxE is true after poling (before etching)

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

SH

po

we

r [a

.u.]

100806040200Thickness under cathode [µm]

0d)(0

L

xxE

& EA constant

EA

EC

Simulations (100 µm-thick sample)

Assumption: 0d)(0

L

xxE is true after poling (before etching)

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

SH

po

we

r [a

.u.]

100806040200Thickness under cathode [µm]

0d)(0

L

xxE

& EA constant

0d)(0

L

xxE

EA

EC

Simulations (100 µm-thick sample)

Assumption: 0d)(0

L

xxE is true after poling (before etching)

0d)(0

L

xxE

& EA constant

0d)(0

L

xxE

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

SH

po

we

r [a

.u.]

100806040200Thickness under cathode [µm]

EA and EC constant

0d)(

0

L

xxE

EA

EC

Simulations (100 µm-thick sample)

Assumption: 0d)(0

L

xxE is true after poling (before etching)

0d)(0

L

xxE

& EA constant

0d)(0

L

xxE

EA and EC constant

0d)(

0

L

xxE

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

SH

po

we

r [a

.u.]

100806040200Thickness under cathode [µm]

Experiments

EA

EC

Complementary results

1) A 500 μm-thick sample has been poled

2) A 230 μm-thick layer of glass has been removed by HF acid

3) The etched sample has been cleaned up and dried

4) The SH signal has been recorded while etching the cathodic surface

1.2

1.1

1.0

0.9

0.8

SH

po

wer

[a.

u.]

200150100500Thickness under cathode [µm]

270 µm

500 µm

Experiment Simulation 270 µm Simulation 500 µm

Application of poling to fibers

Realization of tunable wavelength filters:

d

V

nn

0

)2(

d

V

nn

0

)2(Example: Refractive index change by “Pockels”

effect:

Transmission+V

electrodes

Bragg grating(refractive index modulation)

core

40 pm*

* Srinivasan and Jain, IEEE Phot. Tech. Lett. 12, 2 (2000).