Nonlinear propagation in multimode optical fiber amplifiers

par Mesay Addisu Jima

Thèse de doctorat en Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes

Sous la direction de Vincent Couderc et de Stefan Wabnitz.

  • Titre traduit

    Propagation non linéaire en multimode amplificateurs à fibre optique


  • Résumé

    Les réseaux de communication par fibre optique dans le monde, reposent actuellement en grand partie sur la propagation de type monomodale. Les fibres monomodes ont un faible taux d’atténuation et de dispersion car toute l’énergie est portée par un seul mode de propagation. Par conséquent, le déploiement de la fibre monomode convient aux transmissions longue distance tandis que la fibre multimode est principalement utilisée pour la communication à courte distance. De plus, la fibre monomode offre une qualité de faisceau élevée, ne guide que les distributions de champ de forme approximativement gaussiennes et permet une efficacité de couplage importante. Cependant, la fibre monomode ne pourra probablement pas satisfaire l’énorme demande future de bande passante pour les communications. Un autre important domaine d’application pour les fibres optiques se trouve dans les lasers à fibre. Même dans ce contexte, la fibre monomodale, en raison de la petite dimension de son coeur, présente des limitations pour les applications haute puissance, soit dans les amplificateurs optiques que dans les lasers. Les fibres optiques multimodes sont conçues pour transporter plusieurs modes, en raison de leur grand rayon de coeur. En principe, des fibres multimodes actives à gradient d’indice pourraient être utilisées dans les amplificateurs à fibre aux ions de terres rares et dans les lasers à fibre. De plus, les fibres multimodes pourront aider à surmonter le déficit courant de bande passante des fibres monomodes, grâce aux techniques de multiplexage de mode spatial. Cependant, dans le cas d’une propagation multimodale, les interférences entre modes entraînent une dégradation de la qualité du faisceau et limitent leur implémentation dans les lasers à fibre haute puissance et dans les amplificateurs optiques. La question est donc de savoir comment surmonter ces contraintes et permettre enfin l’utilisation des fibres multimodes (à saut d’indice ou à gradient d’indice) pour ces applications. Une approche possible consiste à profiter de la non-linéarité Kerr pour induire un auto-nettoyage des faisceaux optiques le long de la propagation. Nous avons effectué une étude numérique en résolvant les équations de propagation par la théorie des modes couplés pour approfondir ce phénomène. En augmentant la puissance du signal d’entrée, nous avons observé des transferts énergétiques entre modes d’ordre élevé vers le mode fondamental, en présence de couplage non linéaire et de gain optique non uniforme au cours de la propagation. Par conséquent, le mode fondamental pourra profiter d’un gain plus élevé en raison aussi des échanges énergétiques avec les autres modes. Les modèles numériques montrent que le faisceau optique pourra être nettoyé et amplifié au même temps. Nous avons également étudié d’un point de vue numérique la propagation non linéaire dans les fibres multimodes amplificatrices par la résolution directe de l’équation de Schrödinger Non-linéaire NLSE 3D en présence de gain saturé, de non-linéarité Kerr et du désordre responsable du couplage aléatoire entre les modes. Nos simulations numériques révèlent qu’en augmentant la puissance du signal d’entrée, la figure de speckles propres de la propagation multimodale se remodèle, après une certaine distance de propagation, vers un faisceau plus brillant et de qualité proches au fonctionnement monomode. Le phénomène d’auto-nettoyage du faisceau spatial est, entre autres, confirmé par la réduction progressive de la largeur du faisceau. Les simulations numériques montrent un bon accord avec les résultats expérimentaux précédemment obtenus.


  • Résumé

    The current long-haul transmission and worldwide complex interconnection of network infrastructure is based on single mode optical fiber which transports information in the form of light pulses. Single mode fibers have low attenuation and dispersion rate as all energy is confined to a single mode and no energy is lost into the cladding. As a result, single mode fibre is suitable for long distance transmission whereas multimode fibre, is mainly used for short distance communication. In addition, single mode fiber delivers diffraction limited high beam quality, guides only Gaussian like field distributions and allows high coupling efficiency. However, due to its core diameter size single mode fiber could not satisfy the future huge communication bandwidth demand, and it is not suitable for very high power fiber amplifiers and lasers. Multimode optical fibers are designed to carry several modes, due to their large core radius. In principle, graded index active multimode fibers could be used for high power fiber amplifiers and fiber lasers. In addition, ytterbium doped multimode fibers are used to overcome the current bandwidth deficit of single mode fibers, through the techniques of spatial mode division multiplexing. Nowadays, high beam quality fiber amplifiers and lasers are required for different applications. However, multimode interferences that result in degradation of beam quality are the main problem for developing high power fiber lasers and fiber amplifiers. So, the question is how to overcome these constraints and use multimode fibers (step-index or graded-index) for these and other applications. The most feasible approach is to convert the Kerr nonlinearity from being a problem to an opportunity for beam cleaning. We performed a numerical study by solving coupled mode equations to investigate this phenomena further. By increasing the input signal power, we observed the transfer of energy from the high order modes to the fundamental mode, due to nonlinear and non-uniform gain coupling along the course of propagation. As a result, the fundamental mode experienced higher gain due to the exchange of power with the other high order modes, and beam cleaning is demonstrated. Furthermore, to explore the nonlinear propagation in doped multimode fibers, we implemented a 3D NLSE in the presence of saturated gain, Kerr nonlinearity and disorder. Our numerical simulations reveal that by increasing the input signal power, the speckled beam reshapes itself after a certain fiber distance, into a clean beam close to single mode operation due to the laser gain and Kerr nonlinearity. The spatial beam self-cleaning phenomenon is further confirmed by examining the beam width at the end of the fiber length, which has reduced diameter than at the beginning of the fiber. Analysis of our results show that numerical simulations agree well with preliminary experimental results.


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