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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).
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