Thermal poling of chalcogenide optical fibers and microwires

Thermal poling is the most stable and repeatable method to induce second order nonlinearity (SON) into amorphous glass. Research into this method has been done on silica fibers as well as chalcogenide thin films. However, a thorough database search reveals a lack of exploration into successful poling of chalcogenide optical waveguides.Motivated by potential applications of thermally poled chalcogenide fibers, experiments of poling As2S3-As2Se3 hybrid fiber and microwire were conducted. The experiments aimed to induce SON by heating the fiber to around 100ºC and applying DC high voltage across the fiber simultaneously. Both dipole orientation and frozen-in electric field can induce SON into amorphous materials. Inside silica, researchers have shown that the frozen-in electric field induced by charge carrier motion is the only cause of the SON enhancement, which leads to observable effects like second harmonic generation (SHG) and three-wave mixing (TWM). On the other hand, the mechanism of thermally induced SON in chalcogenide glass is still unclear. The molecular structure of chalcogenide glass is much less stable than silica glass, so dipole orientation is likely to happen under a strong electric field. As chalcogenide glass is an amorphous semiconductor and is expected to form frozen-in electric field as well. Thus, SON in chalcogenide glass may come from a combination of both frozen-in electric field and dipole orientation, and could exist inside chalcogenide glass. An unexpected pulse broadening in wavelength range from 1600µm to 2300µm was observed, but no SON generated. A possible explanation of pulse broadening was provided in this thesis. Either the test approach or the thermal poling technique might cause the void of SON. Based on current experiments, improvements of experiment setups and test approaches are proposed.La polarisation thermique est la méthode la plus stable et reproductible pour induire de la non-linéarité d'ordre deux (NOD) dans des verres amorphes. Des recherches ont déjà été effectuées à ce sujet sur des fibres de silice et des couches minces de chalcogénure. Après avoir mené des recherches sur différentes bases de données, il ne semble pas exister de résultats probants sur la polarisation des guides d'onde de chalcogénure.La polarisation thermique des fibres de chalcogénure pouvant donner lieu à de nombreuses applications, des expériences sur la polarisation de fibres et micro-fils hybrides de As2S3-As2Se3 ont été effectuées. Ces expériences visent à induire de la NOD en chauffant la fibre autour de 100°C, et en appliquant simultanément une haute tension continue de part et d'autre de la fibre.Les effets d'orientation des dipôles, ainsi que du champ électrique appliqué peuvent induire de la NOD dans des matériaux amorphes. En ce qui concerne la silice, des recherches ont montré que le champ électrique figé (« frozen-in ») induit par les mouvements des porteurs de charges est la seule cause de l'augmentation de la NOD. Ce dernier induit des effets observables comme la génération de seconde harmonique et le mélange à trois ondes. Par ailleurs, le mécanisme responsable de la NOD dans les verres de chalcogénure est encore sujet à interprétations.La structure moléculaire du chalcogénure est bien moins stable que celle de la silice, et l'on peut donc s'attendre à l'apparition de dipôles orientés sous l'influence d'un champ électrique intense. Comme le chalcogénure est un semi-conducteur amorphe, ses porteurs de charges ont une grande mobilité et devraient donc aisément induire des champs électriques figés.Ainsi, la NOD des verres de chalcogénure pourrait être induite par les actions simultanées des champs électriques figés induits dans le matériau ainsi que de l'orientation des dipôles de leur structure.Un étalement spectral inattendu des impulsions envoyées dans la fibre a été observé, mais aucune NOD n'a été générée. Une explication de cet étalement spectral est proposée dans cette thèse. Cela étant, la technique de polarisation thermique utilisée, ou l'approche expérimentale sélectionnée ont pu annuler les effets de NOD. Les propriétés du semi-conducteur qu'est le chalcogénure rend sa polarisation thermique très délicate. Grâce aux expériences effectuées, nous proposons à ce sujet des améliorations aux procédures de test et liées aux montages expérimentaux associés