Soutenance mémoire
La fibre optique, capable de guider la lumière sur de grandes distances avec de faibles pertes, tout en étant souple et simple d’utilisation, a été une rupture technologique pour les télécommunications. C’est notamment avec des fibres monomodes que des records de débit de transmission ont été obtenus. Par ailleurs, la très bonne qualité spatiale du faisceau délivrée par ce type de fibre a très largement étendu son utilisation à de nombreux autres domaines et fonctions (laser, imagerie, déport d’énergie, capteur, …). Toutefois, la faible section de cœur (typiquement inférieur à 10 µm) d’une fibre monomode limite la puissance lumineuse qu’elle peut guider. Une onde propagée trop intense peut, dans des cas extrêmes, engendrer des dégâts structurels à la fibre, ou le plus souvent modifier les caractéristiques spectro temporelles de l’onde guidée par la réponse non linéaire de la fibre. Pour de nombreuses applications, comme le déport de puissance par fibre ou les lasers à fibre énergétiques, ces effets non linéaires peuvent être problématiques. Aussi, pour repousser leur seuil d’apparition, tout en conservant une propagation monomode, des fibres à large aire modale ont été conçues, atteignant plusieurs dizaines de micromètres de diamètre de cœur. Toutefois, ces fibres de conception particulière, sont couteuses et leur flexibilité est d’autant plus limitée que leur section est grande.
Les fibres optiques multimodales sont également des fibres à grande aire modale, mais de conception plus classique, peu onéreuses à produire et souples. Historiquement, ce sont les premières fibres développées, mais longtemps mises de côté au profit des fibres monomodes. Depuis une décennie, il y a un regain d’intérêt pour ces fibres. Elles ont vu leur domaine d’application s’étendre bien au-delà du simple transport incohérent d’énergie, en utilisant les différents modes du guide. Récemment, le monde des télécommunications s’est réapproprié ce type de fibre pour exploiter ces modes comme autant de canaux de transmission, démultipliant ainsi le nombre de canaux disponibles par fibre optique de liaison. Pour cela, le concept de démultiplexage spatial a été développé, améliorant le débit de transfert de données (Richardson, Fini, and Nelson 2013). Les fibres multimodales sont également étudiées pour d’autres applications, telle que l’imagerie endoscopique, ou pour la réalisation de sources fibrées de puissance. Néanmoins, la forte structuration du faisceau en sortie de fibres multimodales reste un inconvénient majeur pour beaucoup d’applications. C’est pourquoi, de nombreuses études ont été réalisées dernièrement pour contrôler la propagation d’une onde dans ce type de fibre. Ces travaux sont la prolongation de recherches initiées pour le contrôle de la propagation de rayonnements à travers d’autres milieux complexes, les milieux diffusants.
Pour gérer la propagation d’un faisceau cohérent à travers un milieu diffusant, les travaux précurseurs de Vellekoop et al., étaient basés sur une technique d’optique adaptative. Elle exploite le caractère déterministe de la propagation dans ce type de milieu, pour précompenser le front d’onde incident afin de focaliser le faisceau émergeant (Vellekoop and Mosk 2007; Vellekoop 2015). Depuis, d’autres techniques ont été présentées pour maitriser la propagation de la lumière à travers des milieux complexes, également applicables aux fibres multimodales, comme la conjugaison de phase ou la mesure de matrice de transmission. Ces travaux ont essentiellement été réalisés avec des milieux complexes à réponse linéaire.
Cependant, les effets non linéaires bien que souvent volontairement évités, peuvent également être exploités pour le développement de nouvelles sources. C’est le cas, par exemple, pour créer des sources de spectre atypique tels que des supercontinua ou des peignes de fréquences. À nouveau, les fibres multimodales ajoutent une nouvelle dimension à ces effets, avec les interactions entre les modes transverses de la fibre. Ces guides représentent ainsi un terrain expérimental propice à l’étude d’interactions spatio-temporelles non linéaires complexes. Par conséquent, certains phénomènes ayant été prédits théoriquement au cours des années 1980 (Hasegawa 1980) et plus récemment (Longhi 2003) ont pu, grâce à la montée en puissance des sources lasers, être observés dans les fibres multimodales et plus particulièrement dans celles présentant un gradient d’indice de réfraction parabolique. Parmi ces expériences, notons la génération de solitons optiques multimodaux (Wright et al. 2015), l’observation d’instabilités géométriques paramétriques (Krupa et al. 2016), mais également des phénomènes de nettoyage de faisceau qui tendent à privilégier un mode unique en sortie de fibre par conversion de fréquence (Terry et al. 2007). D’autre part, des expériences menées au laboratoire Xlim sur la propagation non linéaire dans les fibres multimodes ont récemment révélé un effet inattendu appelé autonettoyage de faisceau par effet Kerr. Il consiste à transférer spontanément une grande partie de l’énergie propagée vers le mode fondamental, à haute puissance, « nettoyant » la structure granulaire du champ généralement observé, et ce sans conversion de fréquence (Krupa, Tonello, Shalaby, Fabert, Barthélémy, et al. 2017).
Jusqu’ici peu de travaux ont traité du contrôle adaptatif de la distribution du champ propagé dans une fibre multimodale en régime non linéaire, au-delà du nettoyage vers le mode fondamental. Des travaux ont montré que certaines techniques comme la mesure de matrice de transmission, montrent leur limite à gérer la propagation non linéaire dans une fibre multimodale, comme lors d’une amplification en régime de gain saturé (Florentin et al. 2016).
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I. Les effets non linéaires dans les fibres optiques multimodales
Introduction
I.1. Généralités sur les fibres optiques multimodales
I.1.1. Principe de guidage et fibre multimodale
I.1.2. Dispersion dans les fibres optiques
I.2. Propagation en régime non linéaire dans les fibres optiques
I.2.1. Effets non linéaires à réponse élastique
I.2.1.1. Modulation de phase
I.2.1.1.1. Automodulation de phase
I.2.1.1.2. Modulation de phase croisée
I.2.1.1.3. Effets spatiaux de la modulation de phase
I.2.1.2. Mélange à quatre ondes
I.2.2. Effets non linéaires à réponse inélastiques
I.2.3. Interactions non linéaires dans les fibres multimodales
I.3. Nettoyage spontané de la distribution transverse de champ se propageant dans une fibre à gradient d’indice parabolique
I.3.1. Nettoyage de faisceau spontané dans une fibre à gradient d’indice parabolique par processus non linéaire inélastique
I.3.2. Autonettoyage de faisceau par effet Kerr
I.3.2.1. Description du phénomène
I.3.2.2. Interprétations théoriques possibles
I.3.2.2.1. Attracteur universel instable
I.3.2.2.2. Analogie avec le phénomène de faible turbulence en hydrodynamique
I.3.2.2.3. Analogie avec le phénomène de thermalisation et de condensation
I.3.2.2.4. Exploitation du réseau créé par l’auto-imagerie dans une fibre multimode
de type GRIN
Conclusion
Chapitre II. Pré-compensation de front d’onde pour une propagation contrôlée dans des milieux complexes linéaires et non-linéaires
II.1. Introduction
II.2. Les différentes techniques de mise en forme du front d’onde pour maitriser la
propagation dans des milieux linéaires complexes
Contrôle de front d’onde appliqué à la propagation à travers des milieux diffusants
Procédés opto-numériques exploités pour la mise en forme de front d’onde
II.2.2.1. Méthodes directes de structuration de front d’onde pour contrôler la
propagation d’un faisceau cohérent dans un milieu complexe
Algorithmes d’optimisation itérative pour maitriser la propagation d’un faisceau
cohérent dans un milieu complexe
II.3. Contrôle de front d’onde dédié à la propagation à travers une fibre multimodale
Mise en forme spatiale en extrémité de fibre optique
II.3.1.1. Focalisation à travers une fibre multimodale
II.3.1.1.1. Focalisation sur un point unique
Conclusion Générale
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