Rev. Phys. Appl. (Paris) 12, 1755-1766 (1977)
DOI: 10.1051/rphysap:0197700120110175500

Filtres optiques à couplage de modes polarisés

J.P. Laurenti, P. Vaigot et M. Rouzeyre

Centre d'Etudes d'Electronique des Solides, LA 21, USTL, place E.-Bataillon 34060 Montpellier-Cedex, France

Abstract
We describe the operating principles of optical filters using energie transfert between coupled orthogonally polarised electromagnetic waves. This phenomenon was previously demonstrated in Wurtzite type materials and is also shown to occur in piezo-birefringent zinc-blende crystals. This gives some evidence that the coupling does exist in many materials and manifests at the wavelength were the cancelation of the birefringence allows phase matching. This extends the spectral range of the applications from the UV, ˜ 1 000 Å, to the near infra-red. Some experimental results have exhibited band-pass and cut-band features at fixed or continuously tunable frequencies. In Wurtzite type materials, CdS, CdSxSe 1-x and Zn1-xCd xS, the natural birefringence is strongly dispersive near the isotropic point and the selectivity is very high : Δλ ˜ 5 Å at 77 K and 300 K, while the rejection ratio is in the order of 103. The effective transmission in the band pass region can be as large as 80 % at 77 K but it reduces to 20 % at room temperature due to residual absorption near the fundamental edge. With materials of the zinc-blende symmetry, such as ZnTe, the main difference is that the magnitude of the piezo-birefringence is weak and this increases the band-with Δλ to ˜ 100 Å. However, in this case, the bandwith can be varied between roughly 20 Å to 150 Å by adjusting the magnitude of the applied stress. Finally we investigate the potential of the application of a CdS cut-band filter, with a rejection ratio as large as 75 db, in Raman spectroscopy.

Résumé
Nous décrivons le principe de fonctionnement de filtres optiques fonctionnant par transfert d'énergie entre deux modes électromagnétiques couplés polarisés à angle droit. Nous montrons que ce phénomène existe non seulement dans des matériaux à structure Wurtzite mais aussi dans des matériaux à structure zinc-blende. Ceci démontre que le couplage n'est pas spécifique à une classe cristalline et étend le domaine potentiel d'applications de l'ultra-violet, ˜ 1 000 Å, au proche infrarouge. Les matériaux à structure Wurtzite et à forte dispersion de biréfringence tels CdS, CdSxSe1- x et Zn1-xCdxS donnent des structures passe-bande ou coupe-bande extrêmement sélectives, Δλ ˜ 5 à 10 Å avec des taux de réjection hors-bande de l'ordre de 103. La fréquence d'accord est soit fixe soit continuement accordable depuis 4 300 Å jusqu'à 7 100 Å. Le facteur de transmission en bande passante atteint 80 % à 77 K mais est réduit à 20 % à 300 K par l'absorption résiduelle au voisinage du seuil d'absorption fondamentale. Dans les matériaux à structure zinc-blende, tel ZnTe, l'amplitude de la biréfringence induite par compression est faible ce qui donne une largeur de bande de l'ordre de 100 Å. Cette largeur de bande peut toutefois être modifiée entre quelque 20 et 150 Å en ajustant la valeur de la contrainte. A titre d'illustration nous terminons cet article par l'examen des performances limites d'une structure coupe-bande à CdS, dont le taux de réjection atteint 75 db, susceptible d'être utilisée dans une application du type spectroscopie Raman.

PACS
4280C - Spectral and other filters.

Key words
cadmium compounds -- light polarisation -- zinc compounds -- operating principles -- optical filters -- energy transfer between coupled orthogonally polarised electromagnetic waves -- wurtzite type materials -- phase matching -- spectral range -- tunable frequencies -- effective transmission -- bandwidth properties -- CdS -- CdS sub x Se sub 1 x -- Zn sub 1 x Cd sub x S -- ZnTe -- rejection ratio -- Raman spectroscopy -- piezo birefringent Zn blende crystals -- band pass -- cut band -- selectivity