Zugl.: Osnabrück, Univ., Diss., 2006

Thesis (Ph. D.)--Lehigh University, 2005. / Includes vita. Includes bibliographical references (leaves 177-190).

University, Diss., 2004--Osnabrück.

Le niobate de lithium périodiquement inversé, communément appelé PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate), a fortement été exploité au cours de la dernière décennie pour des applications en optique non-linéaire. Plus récemment, le PPLN a également suscité beaucoup d'intérêt pour les applications électro-optiques, particulièrement pour la syntonisation des OPO. Cependant, les tensions rapportées pour opérer ces dispositifs sont supérieures à 1 kV. L'approche la plus naturelle pour réduire cette tension consisterait à intégrer les fonctions électro-optiques et non-linéaires sur un PPLN guidé de coupe x (substrat orienté [1,0,0]). Malheureusement, la profondeur actuelle des domaines formés sur cette coupe est trop faible pour recouvrir les modes dans l'infrarouge et par conséquent induire de fortes efficacités de conversion. Cette thèse présente une nouvelle technique pour fabriquer des PPLN profonds sur une coupe x du niobate de lithium. La méthode tire profit de rubans gravés à même la surface de la gaufre pour augmenter la pénétration du champ électrique d'inversion et donc la profondeur des domaines. En employant cette technique, des PPLN de 6.5 um et de 4.5 um ont été respectivement inversés sur du niobate de lithium non-dopé et dopé MgO. Ces profondeurs devraient être suffisantes pour recouvrir la totalité des modes considérés dans un processus de génération de fréquences. A la lumière de ces résultats, des guides ont été ajoutés sur nos échantillons non-dopés et dopés MgO. Les efficacités de conversion les plus élevées mesurées sont de 46 % W⁻¹cm² pour les échantillons non-dopés et de 36 % W⁻¹cm² pour les échantillons dopés. Ces résultats équivalent aux valeurs typiques publiées pour la coupe z ([0,0,1 ]) autour de 1.5 um. Cette étape concernant l'efficacité validée, d'autres échantillons ont été fabriqués pour démontrer la syntonisation de l'accord de phase par effet Pockels. La configuration proposée tire profit d'une interaction de type I dans des guides de titane pour minimiser l'annulation des coefficients électro-optiques et diminuer le désaccord entre les indices de groupe. Elle s'appuie également sur des électrodes coplanaires et digitales pour minimiser la tension. En utilisant une telle approche, une syntonisation de 58 nm a été observée avec une tension appliquée de ±150V.

Cette thèse concerne l’étude théorique des mécanismes de couplage acousto-optique dans les matériaux nanostructurés : les cristaux à bandes interdites simultanées photoniques et phononiques, dénommés aussi cristaux phoXoniques. Le but de ce travail est d’explorer le potentiel de ces structures : réduire la consommation énergétique et la taille des composants, en exploitant les phénomènes de confinement et d’ondes lentes. Pour cette étude, des modèles numériques par éléments finis sont développés, ils visent à établir les conditions pour une efficacité accrue et à déterminer les paramètres des réseaux propres à favoriser de larges bandes interdites. La recherche des modes propres confinés optiques et acoustiques propices à l’interaction acousto-optique est ensuite entreprise. Des modèles numériques sont créés pour déterminer le couplage acousto-optique en tenant compte des mécanismes de couplage tels que l’effet photoélastique, optomécanique ou électrooptique.Plusieurs configurations d’interactions sont étudiées afin de déterminer l’impact de l’anisotropie des matériaux, des éléments de symétrie des modes de cavité, de la nature des réseaux et des matériaux qui les constituent tels que le silicium et le niobate de lithium.Enfin, un travail de conception à vocation applicatif est proposé. Il met en avant la possibilité d’exploiter les mécanismes de couplage dans un dispositif de type modulateur confiné dans une cavité acousto-optique. / Theoretical acousto-optic couplings mechanisms in nano-structured materials are investigated in the present thesis: the photonic and phononic crystals with simultaneous bandgaps, also named phoxonic crystals. The aim of the study consists in exploring their potential in order to reduce energy consumption, sizes of devices, by taking advantage ofthe confinement property and slow wave phenomena.For our investigations, numerical models, using finite element method, were developed to determine optimized conditions for a better efficiency and suitable parameters promoting wide bandgaps. Acoustic and optical confined modes search favorable for acousto-optic interaction is performed. Numerical models were created to compute the acousto-opticcouplings by taking into account various coupling mechanisms such as the photo-elastic, opto-mechanic and electro-optic effects.Many interaction configurations are investigated in order to determine the impact of material anisotropy, the cavity mode symmetries, various lattices or different materials such as silicon and lithium niobate.Finally, a first approach for a designed component is proposed. It shows the possibility to use coupling mechanisms for a device such as an optical modulator by using acousto-optic confined modes in a cavity.

(M.Eng.)--Université du Québec à Chicoutimi, 2002. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Le présent travail visait à développer et à étudier une nouvelle méthode de fabrication des guides d'onde, « High Index Soft Proton Exchange » (HISoPE) , qui permet de réaliser des guides d'onde très confinés (dne = 0,1). Des caractérisations en génération d’harmonique localisée ont montré que les propriétés non linéaires de ces guides ne sont pas détruites mais les guides HISoPE réalisés sur coupe Z peuvent présenter des modes ayant des pertes élevées. Ces pertes peuvent être éliminés en utilisant des bains plus acides pour l’échange, mais cela implique des déformations plus importante dans les guides d'onde canal et la nature hybride des modes propageant. Dans le cadre du projet PhoXcry, nous avons essayé de réaliser un modulateur électro-optique très efficace en combinant des cristaux photoniques et des guides HISoPE sur coupe X. Dans les meilleurs guides d'onde fabriqués sur coupe X, les pertes à la propagation, expliquées par la nature hybride des modes sont de 1.75dB/cm, mais dans les guides d'ondes nanostructurés il n’a pas été possible d’identifier clairement une bande interdite photonique. HISoPE en combinaison avec l’échange inverse (Reverse Proton Exchange, RPE) a montré un grand potentiel pour la fabrication de guides d'onde enterrés. Dans une expérience de SHG et malgré des pertes élevées de 2dB/cm, nous avons pu estimer une efficacité de conversion de 160%/W*cm2. Un comportement du coupleur directionnel a été observé dans les guides d'onde enterrés fabriqué en raison d’une cinétique RPE différente dans les différentes parties du guide d'onde. Un développement ultérieur de la méthode HISoPE + RPE devrait permettre d'améliorer la qualité des guides enterrés. / The present work aimed to develop and to study a new method of waveguide fabrication, High Index Soft Proton Exchange (HISoPE), which allows realizing highly confining waveguides in LiNbO3 (dne=0.1). Characterizations by localized SHG experiments, showed that the nonlinear properties of the HISoPE waveguides are not destroyed, but modes with high propagation loss were observed for planar HISoPE waveguides on Z-cut wafers. These losses can be eliminated by performing the exchange in more acidic bath, but this results in more important deformations in channel waveguides and in the hybrid nature of the propagating modes. In the frame of the project PhoXcry, we tried to realize a highly efficient electro-optical modulator by combining photonic crystals and HISoPE waveguides on X-cut wafers of LiNbO3. The losses of the waveguides fabricated on X-cut, attributed to the hybrid nature of the propagating modes, were estimated to be around 1.75dB/cm. The nanostructured waveguides exhibited high losses and it was not possible to identify clear optical band gap. HISoPE in combination with reverse proton exchange (RPE) showed a great potential for buried waveguide fabrication. We used them in a SHG experiment and despite elevated losses of 2dB/cm, the conversion efficiency was estimated as high as 160%/W*cm2. A directional coupler behavior was observed in the buried waveguides due to different RPE kinetics in different parts of the waveguide. A further development of the HISoPE+RPE process will improve the quality of the buried waveguides.

<p> In this work, tunable Mid-Infrared (IR) light sources based on quasi-phase matched (QPM) difference frequency generation (DFG) by periodically poled lithium niobate (PPLN) crystals are studied. The theory of DFG and the characteristics of lithium niobate crystals are described and analyzed. Characteristics of the wavelength tuning of QPM DFG by PPLN crystals are studied. In order to analyze in detail, simulation and experimental data of the widely tunable mid-IR laser source around 2 1- μm to 5 1- μm wavelength are presented. The simulations of DFG process by PPLN are conducted based on the nonlinear optics reported. In the experiment, a 1.064 μm Nd:YAG laser and a tunable Ti:sapphire laser are employed as the signal and pump lasers, respectively. Based on the studies of the wavelength tuning characteristics at different temperatures, an optimization procedure to achieve a maximum wavelength tuning range is proposed. The potential applications in gas detection of the mid-IR source are also described briefly. Recommendation for future works and potential applications of the PPLN DFG based mid-IR lasers are discussed. </p> / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

A series of oxide materials were modified with different nanoparticles (NPs). Novel cobalt@H4Nb6O17 nanopeapod structures were fabricated and magnetic NPs modified oxide nanosheets and nanoscrolls were prepared. Both aqueous method and two-phase method were applied to prepare gold NPs onto oxide nanosheets, nanoscrolls and other nanocrystals. The combination of H4Nb6O17 nanoscrolls and cobalt NPs generate a novel method to fabricate nanopeapod structures. Cobalt NPs were synthesized in the presence of exfoliated H4Nb6O17 nanosheets and the resulting magnetic chain structures, formed due to the dipole-dipole interaction, were captured within scrolled lamella. The yield of peapod structures can be improved by using proper reagents and reaction temperatures. As similar method with iron oxide NPs also produced peapod-like structures in a low yield. Exfoliated Dion-Jacobson phase layered perovskite HLaNb2O7 (HLN), its organic derivate propoxyl-HLaNb2O7 (pHLN), Ruddlesden-Popper phase perovskite H2SrTa2O7 (HSTO) and Aurivillius phase perovskite H2W2O7 (HWO) were synthesized and functionalized with gold NPs by in-situ methods. Gold NPs were prepared by both an aqueous method and two-phase method. The size of NPs can be adjusted by different reaction times. Overall, the latter method shows a narrower size distribution and better dispersion. In addition, most gold NPs prepared by the two-phase method were attached on the surface of nanosheets and almost no free gold NPs were observed in solution. This approach should be applicable to most layered perovskites. The aqueous and two-phase methods were also applied on the preparation of gold NPs onto H4Nb6O17 nanosheets and nanoscrolls. H4Nb6O17 nanosheets were prepared by two approaches and showed similar gold NPs attachment. LiNbO3 nanocrystals can be also modified with gold NPs by the two-phase method though free gold NPs were observed. Further studies involved the functionalization of layered perovskites and related compounds with magnetic NPs. Iron oxide and cobalt NPs were synthesized in the presence of layered perovskite and modified perovskite nanosheets were obtained.

Depuis une quinzaine d'années, la mise en ?uvre par commutation électrique de structures ferroélectriques périodiquement polarisées (PP), à température ambiante, occupe une place importante parmi les techniques de fabrication de dispositifs pour la génération de la seconde harmonique et l'oscillation paramétrique optique. Il s'agit de mettre en ?uvre les effets non- linéaires (NL) qui apparaissent dans les cristaux ferroélectriques. Parmi ces différents matériaux, c'est le niobate de lithium LiNbO3 (LN) qui est le plus utilisé. Dans un premier temps, les efforts de recherche se sont concentrés sur la fabrication de ces structures et la mise au point de dispositifs de conversion. Ce n'est que récemment que des études ont été consacrées, plus spécifiquement, à la caractérisation de ces structures en domaines. Dans ce travail nous montrons comment la microsonde Raman peut être utilisée pour la caractérisation des microstructures de domaines ferroélectriques antiparallèles dans du niobate de lithium périodiquement polarisé (PPLN). L'intensité Raman de modes transverses et longitudinaux de phonons optiques a été enregistrée à travers les murs séparant les domaines ferroélectriques, à la fois, en surface et en volume. Les diverses contributions à la polarisabilité et à l'intensité diffusée Raman, linéaire et non linéaire, sont analysées afin de comprendre les variations du spectre Raman observées dans les différentes configurations et géométries des échantillons. Le changement des intensités intégrées à travers ces structures de domaines est attribué à l'influence des contraintes mécaniques et à un champ de charges d'espace surfacique.