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Compréhension des mécanismes de guidage dans les fibres non conventionnelles

par Olivier VANVINCQ - publié le , mis à jour le

Activités de Recherche :

Les possibilités offertes par la centrale technologique ont permis d’envisager le développement de nouvelles structures de fibres optiques intégrant des guides multiples ou des guidages basés sur des processus physiques différents (bandes interdites photoniques (BIP) et/ou réflexion totale interne modifiée (RTIM)). Des degrés de liberté supplémentaires sont donc accessibles afin de fournir des fonctions optiques étendues.
Les différentes solutions étudiées sont décrites ci-dessous :

Hétérostructuration de la gaine et couplages résonnants

Le transport de faisceaux de forte puissance et le développement de lasers de puissance fibrés est un enjeu majeur de notre société moderne (découpe laser, marquage, chirurgie, etc.). La maitrise des effets non-linéaires nécessite une augmentation significative de la taille du cœur, l’inconvénient étant l’apparition de modes d’ordre supérieur. Un moyen de rendre la fibre monomode en pratique pour garantir la qualité de faisceau est d’introduire un fort différentiel de pertes entre le mode fondamental et les autres modes.
Un tel effet peut être obtenu par couplage résonnant avec la gaine en introduisant des défauts (cœurs décentrés) se couplant facilement avec les modes d’ordre supérieur.
Fort de nos compétences théoriques dans le domaine des fibres BIP nous avons mené des études fondamentales permettant de mettre en évidence de nouvelles structures de fibres : les fibres BIP à réseau triangulaire mais avec une gaine hétérostructurée. Un record d’aire effective a été démontré en 2013 avec un mode présentant un diamètre de 44 µm [1]. Des versions actives sont en cours de test (voir axe « Fibres actives ») avec un cœur entièrement dopé par voie sol-gel.

Structure d’une fibre à bandes interdites photonique avec hétérostructuration de la gaine. Les résonateurs décentrés se couplent avec les modes d’ordre supérieur du cœur sur toute la BIP.

Guides annulaires pixélisés, réduction des couplages

Les fibres de Bragg présentent un intérêt pour le transport de puissance. Elles sont constituées d’une alternance de guides annulaires de haut et bas indice de réfraction (comme les miroirs de Bragg). A l’instar des fibres hétérostructurées, la gestion de l’épaisseur des guides de bas indice permet, si elle est choisie judicieusement, un couplage résonnant avec les modes d’ordre supérieur, introduisant des fortes pertes sur ceux-ci. Cependant elles souffrent d’un défaut important et structurel lié au fait que les modes de gaine guidés dans les anneaux de haut indice peuvent se coupler avec le mode fondamental, réduisant son utilisation en pratique.
L’étude des couplages a permis de mettre au point et concevoir une nouvelle structure de fibre optique originale qui présente les avantages des fibres de Bragg sans les inconvénients [2]. Cette nouvelle structure montre de vraies bandes interdites photoniques. En conséquence, l’impact des courbures sur les propriétés de guidage est beaucoup plus faible que dans les fibres de Bragg conventionnelles.

A gauche : Fibre de Bragg standard et pixélisée. A droite : modes de gaine d’une fibre de Bragg classique (rouge). Position le la première bande interdite photonique (bleu).

Structuration d’indice pour mise en forme de faisceau

Le profil d’intensité délivré par une fibre monomode standard (microstructurée ou non) présente une répartition d’énergie quasi-gaussienne : l’intensité déposée sur la cible n’est donc pas homogène. Une solution élégante et efficace consiste à utiliser une fibre monomode délivrant un faisceau cohérent de profil d’intensité plat. Les avantages sont nombreux : le faisceau est mis en forme directement dans la fibre, et le nombre d’éléments optiques en espace libre est réduit, favorisant la compacité et la stabilité du système optique. L’aire effective est significativement plus élevée par rapport à une fibre présentant la même taille de cœur.
Des études théoriques ont montré que l’addition d’un guide annulaire d’épaisseur contrôlée (quelques centaines de nanomètres) autour du cœur permet l’obtention d’un mode plat à sa fréquence de coupure. La taille des trous d’air de la gaine extérieure est calculée pour obtenir un comportement monomode (afin d’assurer une cohérence spatiale au faisceau garante d’une profondeur de champ élevée). Cette thématique a été initiée dans le cadre d’une collaboration avec le CEA/CESTA (Bordeaux) pour améliorer la fiabilité du pilote du laser MégaJoule. Une telle fibre présentant un mode plat à la longueur d’onde 1,05 µm a été également réalisée (voir thématique « fibres actives »).
Ce résultat original constitue la première réalisation convaincante d’une fibre délivrant un mode plat robuste, de diamètre de 20 µm [3]. Ce travail a donné lieu notamment à deux brevets.

A gauche : profil d’indice transverse ; un guide annulaire entoure le cœur et la gaine est microstructurée. A droite : évolution de l’indice effectif du mode guidé dans l’anneau ; à son cut-off, la forme de l’intensité du mode guidé est plane.

Fibres à guidage hybride RTI et/ou BIP

Depuis quelques années, notre équipe a mis l’accent sur le fait que les fibres à bandes interdites photoniques, grâce à leurs propriétés optiques originales, sont de bonnes candidates comme nouvelle plateforme pour la génération de fréquences par effets non-linéaires. En effet, les bandes interdites photoniques confèrent aux modes guidés des nouvelles propriétés de dispersion chromatique, et de filtrage spectral inaccessibles dans les fibres conventionnelles ou à trous d’air.
Le mariage des deux types de guidage fondamentaux (RTI et BIP) ajoute un degré de liberté supplémentaire dans l’ajustement des propriétés optiques de la fibre. L’équipe a été la première à mettre en évidence l’apparition d’un mode RTI à grande longueur d’onde, tout en conservant les propriétés des bandes interdites à basse longueur d’onde dans ces fibres dites hybrides. Cette association conduit à des nouvelles propriétés optiques originales, à la fois en optique linéaire et non-linéaire. Nous avons montré que le mode RTI possède des propriétés différentes (dispersion chromatique notamment) et permet de compenser l’augmentation de l’indice de réfraction du matériau rendant possible des nouveaux accords de phase, pouvant être exploités dans la génération notamment de nouvelles fréquences discrètes [4] avec des modes fondamentaux.
Nos travaux ont mené à une simplification majeure de ces structures hybrides [5]. En effet, nous avons montré qu’une seule couronne de plots de haut indice dans un réseau composé de trous d’air permet d’obtenir un guidage similaire à celui des BIP présentes dans une fibre toute solide.
Ces fibres hybrides ont également montré un intérêt dans le développement de sources supercontinuum à spectre étroit (afin de maximiser l’énergie dans la gamme spectrale souhaitée). Le filtrage spectral est alors obtenu sans pertes notables grâce à la forte variation de la dispersion chromatique en bord de bande [6] (voir « Photonique non-linéaire »).

(a) Fibre hybride avec trous intersticiels : trous d’air en noir, inclusions de silice dopée au germanium en gris clair et silice en gris foncé. (b) Résultat numérique : possibilité d’accord de vitesse de phase entre le fondamental guidé par RTIM et l’harmonique 3 guidé par BIP.

Bibliographie :

  1. A. Baz, L. Bigot, G. Bouwmans and Y. Quiquempois.
    "Single-Mode, Large Mode Area, Solid-Core Photonic BandGap Fiber With Hetero-Structured Cladding."
    Journal of Lightwave Technology, 31(5), 830–835, 2013.
    http ]

  2. A. Baz, G. Bouwmans, L. Bigot, and Y. Quiquempois.
    "Pixelated high-index ring bragg fibers."
    Opt. Express, 20(17):18795-18802, Aug 2012.
    http ]

  3. C. Valentin, P. Calvet, Y. Quiquempois, G. Bouwmans, L. Bigot, Q. Coulombier, M. Douay, K. Delplace, A. Mussot, and E. Hugonnot.
    "Top-hat beam output of a single-mode microstructured optical fiber : Impact of core index depression."
    Opt. Express, 21(20):23250-23260,2013.
    http ]

  4. A. Bétourné, Y. Quiquempois, G. Bouwmans, and M. Douay.
    "Design of a photonic crystal fiber for phase-matched frequency doubling or tripling."
    Opt. Express, 16(18), 14255–14262, 2008.
    http ]

  5. Y. Ould-Agha, A. Bétourné, O. Vanvincq, G.
    Bouwmans, and Y. Quiquempois.
    "Broadband bandgap guidance and mode filtering in radially hybrid
    photonic crystal fiber."
    Opt. Express, 20(6):6746-6760, 2012.
    http ]

  6. A. Bétourné, A. Kudlinski, G. Bouwmans, O. Vanvincq, A. Mussot, and Y. Quiquempois.
    "Control of supercontinuum generation and soliton self-frequency shift in solid-core photonic bandgap fibers."
    Opt. Lett., 34(20), 3083‑3085, 2009.
    http ]

Photonique non-linéaire dans les fibres