Contrôle de la propagation non linéaire dans les fibres optiques microstructurées et standard : Application à la génération de fréquence et à la transmission à haut débit

Discipline

Sciences et ingénierie pour l’information

Classification

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Méthode des éléments finis, Fibre microstructurée, Fibre à cristal photonique, Gradient d'indice, Fibre multimode, Génération de supercontinuum, Génération de fréquence, Nettoyage de faisceau,, Sources de haute puissance, Réseaux optiques passifs, Modulation d'intensité, Dithering de fréquence

Mots-clés

Fibres optiques,

Lumière -- Propagation,

Optique non linéaire,

Lasers de puissance

La demande croissante en applications forte puissance des fibres optiques met en évidence la nécessité cruciale de gérer les effets non linéaires afin de maximiser les niveaux de puissance sans pour autant sacrifier les performances du système en termes de bande spectrale, vitesse, régulation de température, etc. Le contrôle effectif des phénomènes non linéaires dans les fibres optiques est essentiel pour optimiser les systèmes dans lesquels la non linéarité est utilisée pour générer de nouvelles fréquences optiques, ou à l’inverse, dans lesquels elle doit être mitigée afin de maintenir un régime de fonctionnement linéaire. Des exemples de systèmes illustrant ces deux cas orthogonaux sont, respectivement, les sources laser exploitant la génération de supercontinuum (GSC) et les lignes de transmission des réseaux optiques passifs (PONs, passive optical networks). La première partie de ce projet de thèse explore la génération de fréquences et la GSC dans différentes fibres à cristal photonique dopées au germanium, à gradient d’indice et légèrement multimodes. La modélisation numérique est employée pour déterminer les propriétés modales clés des fibres, comprenant l’indice de réfraction effectif, la biréfringence de phase et la dispersion chromatique de tous les modes guidés. Une étude expérimentale complète de la propagation non linéaire dans ces fibres est également conduite, en tenant compte de l’influence de paramètres tels que la puissance crête en entrée, la polarisation, la longueur de fibre ou le régime de dispersion sur le mécanisme d’élargissement spectral sous excitation laser nanoseconde. De multiples phénomènes non linéaires tels que le mélange à quatre ondes et la diffusion Raman ont été identifiés comme contribuant au processus. En outre, nous étudions dans ce travail comment l’effet de Kerr beam self-cleaning (KBSC) peut améliorer la qualité de faisceau dans de telles fibres à cristal photonique légèrement multimodes, ceci résultant en un faisceau de sortie transversalement monomode, sans speckle. La seconde partie de cette thèse porte sur les PONs de nouvelle génération, visant notamment à augmenter les capacités monocanal à au moins 25 Gb/s, avec un potentiel futur jusqu’à 100 Gb/s. A cette fin, nous examinons l’impact de la diffusion Brillouin stimulée (stimulated Brillouin scattering, SBS) à la fois sur la distance de transmission et le débit de données de PONs 25G à modulation d’intensité et détection directe (IM/DD) utilisant des sources de forte puissance. A travers une série d’expériences, nous étudions comment des paramètres clés comme la puissance d’entrée, la longueur de fibre, la bande de modulation, ou encore la largeur spectrale du laser affectent le seuil SBS et l’ensemble des performances du système. Les résultats obtenus démontrent que les techniques de modulation de fréquence telles que le frequency dithering peuvent fortement atténuer le SBS, autorisant ainsi une puissance injectée et une distance de transmission supérieures. Ces conclusions fournissent des pistes intéressantes pour l’optimisation de systèmes PON à haut débit et établissent les bases d’études futures sur l’extension de ces stratégies aux PONs 50G et 100G.