PHOTONIC CRYSTAL FIBERS : OPTIMIZATION FOR TELECOMMUNICATION PURPOSES

Photonic crystal bers are optical waveguides based on a periodic air-glass structure o ering higher design exibility compared to that of standard single-mode bers. On one hand, such bers allow for extremely tight mode con nement related to increased nonlinearity and better chromatic dispersion controllability. On the other hand, photonic crystal bers enable light guiding in very large cores keeping the single-mode regime of operation and low loss. This doctoral thesis deals with scienti c problems related to control of light propagation within photonic crystal bers and it contributes mainly to the areas of optics, photonics, telecommunication and sensing. The objective is to describe main design principles, nd their limitations and consequently optimize ber geometries. Until now, these limitations have not been investigated thoroughly and therefore became the central point for the doctoral thesis. The goal is not to present ber structures with novel geometries, but to investigate new limits in designing photonic crystal bers. One of the presented designs is a photonic crystal ber with a dispersion parameter as close as possible to zero value. Further e ort is applied on a hexagonal ber structure that is optimized to operate as a dispersion compensator of standard single-mode bers. The author predicts that the negative dispersion parameter cannot be higher in this structure operating over a bandwidth larger than that considered in this thesis. Another important part of the thesis aims to control of con nement loss, which is used to design a narrowband ber lter as well as an e ectively single-mode photonic crystal ber with large e ective mode area and chalcogenide background. Fiber designs were carried out by varying key geometrical parameters such as holeto- hole spacing, airhole diameters in selected rings and number of rings around the ber core. The in uence of each structural parameter on modal properties is examined and described in detail. Understanding the mechanism governing chromatic dispersion as well as con nement loss is necessary not only for the ber design, but also to predict the potential manufacturing tolerances. Last but not least, supercontinuum generation is investigated in the designed chalcogenide ber using the split-step Fourier method. The modal properties are calculated by the full-vectorial nite di erence frequency domain method. The simulation models of presented bers are veri ed by convergence testing.Katedra telekomunikační technik

Génération de supercontinuum dans l'infrarouge moyen à partir de fibres optiques à saut d'indice

Ce mémoire porte sur la génération de supercontinuum (SC) dans l’infrarouge moyen (mid-IR) à partir de fibres optiques à saut d’indice en vue d’aider l’innovation de la prochaine génération de systèmes lasers spectroscopiques autant en télédétection qu’en microscopie. Une revue exhaustive de littérature ainsi qu’une explication des bases théoriques de la génération de SC mid-IR sont présentées. Deux résultats d’impact ont été obtenus au cours des travaux. D’abord, le premier SC de type cascade s’étalant jusqu’à 8 μm a été démontré, et ce via une fibre optique d’AsSe monomode par un pompage d’impulsions picosecondes amplifiées. Ensuite, le premier SC atteignant une puissance moyenne de l’ordre du watt a été démontrée dans une fibre d’AsSe/AsS. Ce dernier résultat a été possible grâce au développement d’un laser à fibre ultrarapide amplifié émettant des impulsions hautement énergétiques à 3.6 μm et, aussi, à la déposition d’une couche mince antireflet d’Al2O3.This thesis focuses on the generation of supercontinuum (SC) in the mid-infrared (mid- IR) from step-index optical fiber in order to help the next generation of spectroscopic laser systems in both remote sensing and micro-spectroscopy applications. A comprehensive review of the literature as well as an explanation of the theoretical basis of mid-IR SC generation is presented. Two impact results were obtained during the master. First, the first cascaded SC up to 8 μm was demonstrated via a single-mode AsSe optical fiber by pumping with amplified picosecond pulses. Then, the first SC reaching an average power in the watt-level was demonstrated in an AsSe fiber, thanks to the amplified femtosecond fiber laser emitting high energy pulses at 3.6 μm and the deposition of a Al2O3 anti-reflection coatings

Novel femtosecond optical parametric oscillators in the infrared

High-repetition-rate femtosecond laser sources are essential laboratory tools for spectroscopy, microscopy, amongst other applications. With the relative length of one femtosecond to one second being similar to the length of 1 second compared to the age of the universe, such lasers enable scientists to probe physical processes at unimaginably short timescales. Furthermore, the high peak powers can excite strong nonlinear response in delicate material samples without delivering potentially damaging levels of energy. The infrared (IR) spectral region across 1–12 μmis rich in molecular absorption features, but in general poorly served by conventional coherent light sources. Optical parametric oscillators (OPOs) represent the most viable solution to this long-term issue, due to their table-top nature, and unparalleled tunability and spectral brightness in the near- and mid-IR. Recent breakthroughs in nonlinear crystal technology have opened the door to the generation of laser light in the previously difficult to access region above 4 μm, using high power lasers near 1 μm. Exploiting these new nonlinear materials to improve the spectral coverage and output power of OPOs has the potential to provide important societal benefits, particularly in the fields of frequency metrology, security, and medical imaging. In addition, theoretical modelling and exploration of devices with novel cavity designs can lead to technological advances which improve OPO affordability and increase their appeal to a wider scientific audience. In this thesis, we have demonstrated three OPOs across 1–8.4 μm in the infrared, which are pumped using well-established Ti:sapphire laser technology. The first is a compact and cost-effective device tunable across 1051–1700 nm in the near-IR, producing sub-100 fs pulses at 80 MHz. The incorportion of an optical fibre into the cavity leads to excellent passive power and wavelength stability, and enables soliton formation to be observed, together with other interesting nonlinear effects. We have also demonstrated an efficient, low-threshold mid-IR OPO exploiting group-velocity match effects in MgO:PPLN, which enables the use of a long (42 mm) nonlinear crystal. In doing so, we report quantum conversion efficiencies as high as 48% from the near-IR (s1 μm) pump to the mid-IR (3.1–4.3 μm), and use the source to perform basic spectroscopy. The third device uses Ti:sapphire light at s1 μm to directly pump the new nonlinear crystal, CdSiP2, generating up to 20 mW average power across 6.6–8.4 μm in the deep mid-IR. As the first demonstration of a single-stage Ti:sapphire-pumped deep mid-IR OPO with practical output powers, it has potential for medical imaging applications in the important amide II and III regions. Finally, upconversion imaging using femtosecond OPOs is reported and briefly discussed, together with future directions for deep mid-IR generation using orientationpatterned gallium phosphide (OP-GaP)Las fuentes de láser de femtosegundo son instrumentos esenciales para espectroscopia, microscopía, entre otras aplicaciones. Dado que la duración relativa de un femtosegundo a un segundo es comparable con la duración de 1 segundo con respecto a la edad del universo, estos láseres permiten a los científicos investigar procesos físicos en escalas de tiempo increíblemente cortas. Además, las altas potencias de pico pueden provocar fuertes respuestas no lineales en materiales delicados sin entregar niveles de energía potencialmente dañinos. La región espectral del infrarrojo (IR) tiene numerosas características de absorción molecular, pero en general está mal servida por fuentes de luz coherentes convencionales. Los osciladores ópticos paramétricos (OPOs) representan la solución más viable para este problema a largo plazo, debido a su portabilidad, su capacidad de sintonizar y brillo espectral en el IR cercano y medio. Los avances recientes en la tecnología de cristales no lineales han permitido la generación de luz en la región de difícil acceso inferior a 4 μm, utilizando láseres de alta potencia cercanos a 1 μm. La explotación de estos nuevos materiales no lineales para mejorar la cobertura espectral y la potencia de salida de los OPOs, tiene el potencial de ofrecer beneficios sociales importantes, especialmente a través de los campos de metrología de frecuencias, seguridad e imágenes médicas. Además, el modelado teórico y la exploración de dispositivos con diseños de cavidades novedosos, puede conducir a avances tecnológicos que mejoran la asequibilidad del OPO y aumentan su atractivo para una audiencia científica más amplia. En esta tesis, hemos demostrado tres OPO en el rango espectral de 1–8.4 μm en el infrarrojo, que se bombean utilizando tecnología de làser bien establecida como el Ti: sapphire. En primer lugar, se demostró un dispositivo compacto y rentable, sintonizable a través de 1051–1700 nm en el IR cercano, que produce pulsos <100 fs a 80 MHz. La incorporación de una fibra óptica en la cavidad conduce a una excelente potencia pasiva y estabilidad de la longitud de onda, y permite observar la formación de solitones, con otros efectos no lineales interesantes. También hemos demostrado un OPO de infrarrojo medio eficiente, de bajo umbral, que explota la coincidencia de velocidad de grupo en MgO:PPLN, que permite el uso de un cristal no lineal largo (42 mm). Al hacerlo, reportamos eficiencias de conversión cuántica tan altas como 48% desde la bomba de IR cercano (~ 1 μm) hasta el IR medio (3.1–4.3 μm), y usamos la fuente para realizar la espectroscopia básica. El tercer dispositivo utiliza luz de láser Ti:sapphire cerca de 1 μm para bombear directamente el nuevo cristal no lineal CdSiP2, generando hasta 20 mW de potencia promedio con longitud de onda de 6.6–8.4 μm en el IR medio profundo. Como la primera demostración de un OPO de infrarrojo medio bombeado por un Ti:sapphire láser en una sola etapa con potencias de salida prácticas, tiene potencial para aplicaciones de imágenes médicas en las importantes regiones amida II y III. Finalmente, las imágenes de conversión ascendente que utilizan un OPO de femtosegundo es comentada y analizada brevemente, junto con los futuros avances para la generación de IR profundo con un cristal de OP-GaP

Novel femtosecond optical parametric oscillators in the infrared

High-repetition-rate femtosecond laser sources are essential laboratory tools for spectroscopy, microscopy, amongst other applications. With the relative length of one femtosecond to one second being similar to the length of 1 second compared to the age of the universe, such lasers enable scientists to probe physical processes at unimaginably short timescales. Furthermore, the high peak powers can excite strong nonlinear response in delicate material samples without delivering potentially damaging levels of energy. The infrared (IR) spectral region across 1–12 μmis rich in molecular absorption features, but in general poorly served by conventional coherent light sources. Optical parametric oscillators (OPOs) represent the most viable solution to this long-term issue, due to their table-top nature, and unparalleled tunability and spectral brightness in the near- and mid-IR. Recent breakthroughs in nonlinear crystal technology have opened the door to the generation of laser light in the previously difficult to access region above 4 μm, using high power lasers near 1 μm. Exploiting these new nonlinear materials to improve the spectral coverage and output power of OPOs has the potential to provide important societal benefits, particularly in the fields of frequency metrology, security, and medical imaging. In addition, theoretical modelling and exploration of devices with novel cavity designs can lead to technological advances which improve OPO affordability and increase their appeal to a wider scientific audience. In this thesis, we have demonstrated three OPOs across 1–8.4 μm in the infrared, which are pumped using well-established Ti:sapphire laser technology. The first is a compact and cost-effective device tunable across 1051–1700 nm in the near-IR, producing sub-100 fs pulses at 80 MHz. The incorportion of an optical fibre into the cavity leads to excellent passive power and wavelength stability, and enables soliton formation to be observed, together with other interesting nonlinear effects. We have also demonstrated an efficient, low-threshold mid-IR OPO exploiting group-velocity match effects in MgO:PPLN, which enables the use of a long (42 mm) nonlinear crystal. In doing so, we report quantum conversion efficiencies as high as 48% from the near-IR (s1 μm) pump to the mid-IR (3.1–4.3 μm), and use the source to perform basic spectroscopy. The third device uses Ti:sapphire light at s1 μm to directly pump the new nonlinear crystal, CdSiP2, generating up to 20 mW average power across 6.6–8.4 μm in the deep mid-IR. As the first demonstration of a single-stage Ti:sapphire-pumped deep mid-IR OPO with practical output powers, it has potential for medical imaging applications in the important amide II and III regions. Finally, upconversion imaging using femtosecond OPOs is reported and briefly discussed, together with future directions for deep mid-IR generation using orientationpatterned gallium phosphide (OP-GaP)Las fuentes de láser de femtosegundo son instrumentos esenciales para espectroscopia, microscopía, entre otras aplicaciones. Dado que la duración relativa de un femtosegundo a un segundo es comparable con la duración de 1 segundo con respecto a la edad del universo, estos láseres permiten a los científicos investigar procesos físicos en escalas de tiempo increíblemente cortas. Además, las altas potencias de pico pueden provocar fuertes respuestas no lineales en materiales delicados sin entregar niveles de energía potencialmente dañinos. La región espectral del infrarrojo (IR) tiene numerosas características de absorción molecular, pero en general está mal servida por fuentes de luz coherentes convencionales. Los osciladores ópticos paramétricos (OPOs) representan la solución más viable para este problema a largo plazo, debido a su portabilidad, su capacidad de sintonizar y brillo espectral en el IR cercano y medio. Los avances recientes en la tecnología de cristales no lineales han permitido la generación de luz en la región de difícil acceso inferior a 4 μm, utilizando láseres de alta potencia cercanos a 1 μm. La explotación de estos nuevos materiales no lineales para mejorar la cobertura espectral y la potencia de salida de los OPOs, tiene el potencial de ofrecer beneficios sociales importantes, especialmente a través de los campos de metrología de frecuencias, seguridad e imágenes médicas. Además, el modelado teórico y la exploración de dispositivos con diseños de cavidades novedosos, puede conducir a avances tecnológicos que mejoran la asequibilidad del OPO y aumentan su atractivo para una audiencia científica más amplia. En esta tesis, hemos demostrado tres OPO en el rango espectral de 1–8.4 μm en el infrarrojo, que se bombean utilizando tecnología de làser bien establecida como el Ti: sapphire. En primer lugar, se demostró un dispositivo compacto y rentable, sintonizable a través de 1051–1700 nm en el IR cercano, que produce pulsos <100 fs a 80 MHz. La incorporación de una fibra óptica en la cavidad conduce a una excelente potencia pasiva y estabilidad de la longitud de onda, y permite observar la formación de solitones, con otros efectos no lineales interesantes. También hemos demostrado un OPO de infrarrojo medio eficiente, de bajo umbral, que explota la coincidencia de velocidad de grupo en MgO:PPLN, que permite el uso de un cristal no lineal largo (42 mm). Al hacerlo, reportamos eficiencias de conversión cuántica tan altas como 48% desde la bomba de IR cercano (~ 1 μm) hasta el IR medio (3.1–4.3 μm), y usamos la fuente para realizar la espectroscopia básica. El tercer dispositivo utiliza luz de láser Ti:sapphire cerca de 1 μm para bombear directamente el nuevo cristal no lineal CdSiP2, generando hasta 20 mW de potencia promedio con longitud de onda de 6.6–8.4 μm en el IR medio profundo. Como la primera demostración de un OPO de infrarrojo medio bombeado por un Ti:sapphire láser en una sola etapa con potencias de salida prácticas, tiene potencial para aplicaciones de imágenes médicas en las importantes regiones amida II y III. Finalmente, las imágenes de conversión ascendente que utilizan un OPO de femtosegundo es comentada y analizada brevemente, junto con los futuros avances para la generación de IR profundo con un cristal de OP-GaP.Postprint (published version

Conversion de lumière dans l'infrarouge-moyen par amplification fibrée

Motivé par le fort potentiel scientifique et technologique de l'infrarouge moyen (3-20 µm), le développement de sources lumineuses intenses dans cette région du spectre électromagnétique a subi un essor considérable depuis le début des années 2000. On retrouve maintenant une grande variété de lasers et autres sources pouvant émettre au-delà de 3 µm (lasers à fibres, lasers à cascade quantique, systèmes de conversion paramétrique, lasers à l'état solide, etc). Toutefois, malgré la panoplie d'options ayant émergées pour tester les nouvelles possibilités offertes par l'infrarouge moyen, plusieurs défis restent encore à relever au niveau des sources. Notamment, les enjeux de couverture spectrale, d'efficacité et de simplicité d'utilisation et de fabrication des sources sont encore omniprésents. À titre d'exemple, peu de lasers peuvent produire des impulsions courtes (sub-picosecondes) dans l'infrarouge moyen, et seuls les plus complexes et coûteux d'entre eux peuvent accorder ces impulsions sur une grande plage spectrale, s'accompagnant d'une efficacité énergétique globale très faible. D'autre part, ces problèmes de couverture spectrale, de simplicité et d'efficacité se retrouvent également chez les sources supercontinuum utilisées pour les applications requérant un spectre large couvrant en totalité ou en partie la région de 3 à 5 µm, qui contient de nombreuses résonances moléculaires utiles en spectroscopie (hydrocarbones et oxydes simples). Bien que ces sources produisent un spectre très large à partir d'un système tout fibre et des puissances moyennes pouvant atteindre plusieurs Watts, elles ont le désavantage de générer une grande proportion de leur énergie en-deçà de 3 µm (habituellement entre 40 et 90%), de produire un spectre peu uniforme, et ont beaucoup de difficulté à couvrir la totalité de la fenêtre de 3 à 5 µm. Constatant ces défis, l'objectif global de cette thèse était de faciliter et d'améliorer la conversion et la génération de spectre dans la région de 3 à 5 µm. Comme première contribution de cette thèse, une nouvelle méthode de génération de supercontinuum a été démontrée, permettant la création d'un spectre plat allant de 2.6 à 4.1 µm à partir d'un système simple et produisant jusqu'à 82% de l'énergie spectrale au-delà de 3 µm (Chapitre 2). En poursuivant avec cette approche, il a été possible d'établir un record pour le supercontinuum le plus large généré dans une fibre de fluoroindate (InF₃), allant de 2.4 à 5.4 µm (Chapitre 3). Les chapitres 4 et 5 avaient pour objectif d'approfondir notre connaissance et d'optimiser les paramètres expérimentaux de cette technique. Finalement, la contribution présentée dans le chapitre 6 a permis de s'attaquer au problème de la disponibilité d'impulsions brèves et accordables dans l'infrarouge moyen à partir de sources plus abordables et pratiques à utiliser que les chaînes lasers à conversion paramétrique. Pour ce faire, nous avons utilisé les phénomènes de fission solitonique et d'autodécalage Raman afin de décaler spectralement et de manière contrôlée des impulsions femtosecondes entre 2.8 µm et 4.8 µm, le tout à partir d'un système fibré.Motivated by the strong scientific and technological potential of the mid-infrared (3-20 µm), the development of intense light sources in this spectral region experienced considerable growth since the early 2000's. We now have access to a large variety of lasers and other sources emitting beyond 3 µm (fiber lasers, quantum cascade lasers, parametric sources, solid-state lasers, etc). Nonetheless, numerous challenges on the source development side still remain despite the wide array of options that emerged to test the new possibilities offered by the mid-infrared. Notably, the issues of spectral coverage, energy efficiency and ease of use and fabrication are still omnipresent. As an example, few lasers can produce short pulses (sub-picosecond) in the mid-infrared, and only the most complex and costly systems are able to tune those pulses over a significant spectral range, often at the cost of poor energy efficiency. On the other hand, the problems of spectral coverage, simplicity and efficiency are also found in supercontinuum sources used in applications requiring a large spectrum covering all or in part the 3 to 5 µm spectral region, which hosts numerous molecular resonances useful in spectroscopy (such as in hydrocarbons and simple oxides). While these sources can produce a very large spectrum from an all-fiber configuration and reach multiple Watts of average output power, they have the disadvantage of generating a large part of their energy below 3 µm (usually around 40 to 90%), of producing irregular spectral shapes, and have difficulties covering the whole 3 to 5 µm window. Aware of these issues, the general goal of this thesis was to facilitate and improve the conversion and creation of spectral components in the 3 to 5 µm region. As the first contribution of this thesis, a novel supercontinuum generation technique was demonstrated, allowing the creation of a flat spectrum spanning 2.6 to 4.1 µm from a simple system and producing up to 82% of the spectral power beyond 3 µm (Chapter 2). By using a similar approach, we were able to set a new record for the largest supercontinuum in an indium fluoride fiber (InF₃), going from 2.4 to 5.4 µm (Chapter 3). Chapters 4 and 5 aimed to improve our understanding and optimize the experimental parameters of the technique. Finally, the contribution presented in Chapter 6 adressed the lack of short and tunable pulses in the mid-infrared produced by affordable and easy to use sources, as opposed to nonlinear parametric conversion laser systems. To do so, we relied on the solitonic fission and soliton self-frequency shift phenomena to spectrally shift femtosecond pulses between 2.8 µm and 4.8 µm in a controlled manner from a fiberized system

Laser femtoseconde à fibre optique émettant dans l'infrarouge moyen

Le développement de lasers émettant dans l’infrarouge moyen, une région spectrale où l’onretrouve les résonances fondamentales de la plupart des molécules sur terre, est certainementl’une des avenues les plus prometteuses en science laser. La démocratisation de ce type delaser est toutefois nécessaire afin d’exploiter leur énorme potentiel applicatif en santé, enenvironnement, en industrie et en recherche. En raison de leur simplicité, leur robustesse, leurfiabilité et leurs performances optiques inégalées, les lasers à base de fibres optiques sont parmiles candidats les mieux adaptés pour réaliser ce virage technologique vers l’infrarouge moyen.Dans le cadre de ce projet de doctorat, le premier laser à fibre optique émettant des impulsionsfemtoseconde dans l’infrarouge moyen a été réalisé. Ce laser à grande valeur ajoutée offredes propriétés temporelles, spectrales et spatiales exceptionnelles qui ouvrent la voie à denombreuses applications en spectroscopie et en interaction laser-matière.La conception, l’optimisation et l’étude théorique du laser femtoseconde émettant à 2.8μm sontprésentées aux chapitres 1 et 2 ainsi qu’à l’annexe B. La génération d’impulsions ultrabrèvesavec ce laser est basée sur la synchronisation modale passive par rotation non linéaire de lapolarisation dans une fibre de verre fluoré dopée à l’erbium. Des impulsions de durée inférieureà 300 fs, dont la puissance crête estimée est supérieure à 20 kW, ont été obtenues à partir decet oscillateur.La deuxième partie de cette thèse (chapitres 3 et 4) présente la conception et l’étude théoriquepar simulations numériques d’un amplificateur à fibre optique externe permettant d’améliorerles performances de l’oscillateur présenté dans les chapitres précédents. Cet amplificateuremployant un seul segment de fibre de verre fluoré dopé à l’erbium permet d’amplifier lesimpulsions à des puissances crêtes de plus de 200 kW. Grâce au processus d’auto décalagespectral du soliton dans cet amplificateur, la longueur d’onde centrale des impulsions amplifiéespeut être accordée de 2.8 à 3.6μm. Ce système laser femtoseconde accordable dans l’infrarougemoyen, qui constitue une avancée majeure, peut être simplifié et amélioré davantage en plusd’être adapté à plusieurs autres transitions laser dans l’infrarouge moyen. Ces travaux ouvrentla voie à l’émergence de nouvelles applications autrefois difficilement réalisables en rechercheet en industrie.The development of lasers emitting in the mid-infrared, a spectral region where the funda-mental resonances of several molecules are found, is one of the most promising avenues in laserscience. However, the democratization of these coherent light sources is required for enablingbreakthrough applications in healthcare, environment, industry and research. Thanks to theirsimplicity, robustness, reliability and their unequaled optical performances, fiber lasers are thecandidates of choice for enabling this technological shift toward the mid-infrared.In this project, the first femtosecond fiber laser emitting in the mid-infrared was realized. Thishigh added-value laser offers exceptionnal temporal, spectral and spatial properties that pavethe way for several applications in spectroscopy and laser-matter interaction.The design, optimization and theoretical study of this femtosecond laser cavity emitting at 2.8μm are presented in chapters 1 and 2 as well as in appendix B. The generation of ultrashortpulses in this laser relies on a mode-locking technique based on nonlinear polarization evolutionof the signal propagating inside an erbium-doped fluoride fiber. Pulses with durations below300 fs and estimated peak powers above 20 kW were directly generated from this oscillator.The second part of this thesis (chapters 3 and 4) presents the design and numerical studyof an external fiber amplifier that significantly improves the performances of the oscillator.This amplifier that uses only one segment of erbium-doped fluorozirconate fiber enables thegeneration of ultrashort pulses with peak powers above 200 kW. Due to the soliton self-frequency shift process occuring inside the amplifier, the central wavelength of the outputpulses can be tuned from 2.8 to 3.6μm. This tunable femtosecond system in the mid-infraredcan be further simplified and improved and can also be adapted to other novel laser transitionsin the mid-infrared. This work paves the way for new applications to emerge both in thescientific and the industrial worlds