Optique adaptative et non linéaire pour le contrôle spatial de la propagation dans une fibre multimodale

par Etienne Deliancourt

Thèse de doctorat en Electronique des hautes fréquences, photonique et systèmes

Sous la direction de Vincent Kermène et de Agnès Desfarges-Berthelemot.

Soutenue le 02-04-2021

à Limoges , dans le cadre de École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges) , en partenariat avec XLIM (laboratoire) .

Le président du jury était Vincent Couderc.

Le jury était composé de Vincent Kermène, Agnès Desfarges-Berthelemot, Vincent Couderc, Patrick Georges.

Les rapporteurs étaient Hervé Maillotte, Laurent Bigot.


  • Résumé

    Cette dernière décade, les fibres multimodales ont eu un regain d’intérêt dans la communauté scientifique, lié en grande partie à la possibilité d’augmenter la bande passante de liaisons optiques par les nouvelles techniques de multiplexage spatial. Ce n’est pas le seul domaine d’application, aussi nombre de techniques d’optique adaptative ont été développées pour contrôler le profil de champ, généralement tavelé, en sortie de fibre multimodale. Ces techniques, de pré-compensation de front d’onde, ont démontré leur efficacité avec des rayonnements se propageant en régime linéaire en général, pour par exemple faire de l’imagerie déportée par fibre. Dans le même temps, le phénomène d’autonettoyage par effet Kerr a récemment été observé dans des fibres multimodales à gradient d’indice parabolique (GRIN). Il conduit, au cours de la propagation dans la fibre, à un transfert progressif de l’énergie des modes propagés vers le mode fondamental, les interactions non linéaires en jeu étant d’autant plus complexes que le nombre de modes guidés est important. Ces travaux de thèse sont à la conjonction de ces deux thématiques, en appliquant ces techniques de contrôle spatial de la propagation modale au régime d’autonettoyage par effet Kerr, dans des fibres GRIN. Un dispositif d’optimisation adaptative a été développé, intégrant un modulateur spatial de lumière (miroir déformable) pour structurer le front d’onde du faisceau incident à une fibre GRIN de 52 μm de diamètre de cœur, et des caméras en sortie avec lesquelles une fonction objectif a été définie. Dans un premier temps, les paramètres du système d’injection, de l’algorithme d’optimisation et de la fonction objectif ont été optimisés pour assurer une convergence rapide du profil de champ propagé vers celui ciblé. Ce dispositif a permis d’étudier le phénomène d’autonettoyage par effet Kerr en l’appliquant à la synthèse d’autres modes que le fondamental. Ainsi, 6 modes d’ordre bas, en plus du mode fondamental, ont pu être synthétisés par ce dispositif d’optique adaptative en sortie de fibre GRIN. L’effet Kerr assiste le processus d’optimisation pour converger vers un champ avec une excellente correspondance avec le mode ciblé, impossible à obtenir en régime de propagation linéaire dans les mêmes conditions. L’étude de la dynamique de la synthèse modale assistée par autonettoyage Kerr a mis en évidence les différentes puissances seuils nécessaires à la synthèse des modes ciblés. L’influence de la pré-compensation de front d’onde sur le phénomène de thermalisation de la population modale a été étudiée numériquement. Cette étude montre l’importance des groupes modaux dans le processus d’échange d’énergie, qui rendent la synthèse modale robuste, notamment aux variations des conditions initiales. Enfin, elle a montré que la pré-structuration de front d’onde permet de réguler la vitesse de la thermalisation de la population modale.

  • Titre traduit

    Adaptive and nonlinear optics for the spatial control of propagation in a multimode fiber


  • Résumé

    Over the last decade, multimodal fibers have received renewed interest in the scientific community, largely due to the possibility of increasing the bandwidth of optical links using new spatial multiplexing techniques. This is not the only area of application ; so many adaptive optics techniques were developed to control the usually speckled beam profile at the output of multimode fibers. These wavefront shaping techniques have demonstrated their efficiency with light radiation propagating in linear regime generally, in particular for fiber-based imaging applications. At the same time, the Kerr beam self-cleaning phenomenon was recently observed in parabolic graded-index multimode fibers (GRIN). It leads to a progressive transfer of energy from the different propagated modes to the fundamental mode along the fiber. The higher the number of guided modes of the fiber, the more complex the nonlinear interactions are. This PhD work is at the crossroads of these two themes by using beam shaping techniques to control themodal propagation in GRIN fibers in the Kerr beam self-cleaning regime. I developed an adaptive optimization device including a deformable mirror to shape the wavefront of the laser beam launched into a 52μm core diameter GRIN fiber and a camera-based system at the output of the multimode fiber providing an objective function to be minimized. First, the parameters of the injection system, the optimization algorithm and the objective function were optimized to ensure a fast convergence of the propagated field profile towards the targeted mode. This device allowed to study the active control of the Kerr beam self-cleaning phenomenon in order to synthetize other modes than the fundamental one. Thus, in this nonlinear regime, I demonstrated the synthesis of six low order modes, besides the fundamental one, at the output of the GRIN fiber. The Kerr effect assists the optimization process to get output intensity pictures closely resembling the pattern of the target mode, which is impossible to obtain in a linear propagation regime under the same conditions. The study of the dynamics of modal synthesis assisted by Kerr beam self-cleaning has highlighted the different power thresholds required for the synthesis of the target modes. The influence of wavefront shaping on the modal population thermalization was numerically studied. This study shows the impact of modal groups in the energy exchange process, which makes modal synthesis robust, especially to the variations of the initial conditions. Finally, it showed that wavefront shaping enables the regulation of the modal population thermalization speed.


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