Développement de fibres optiques structurées à dispersion contrôlée pour la conversion de fréquence

Development of dispersion controlled optical fibers for frequency conversion

• Auteur / Autrice : Sidi Ely Ahmedou
• Direction : Philippe Roy, Raphaël Jamier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et ingénierie pour l'information
• Date : Soutenance le 07/04/2023
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Agnès Desfarges-Berthelemot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agnès Desfarges-Berthelemot, Géraud Bouwmans, Hervé Maillotte, Laurent Labonté
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Géraud Bouwmans, Hervé Maillotte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique non linéaire

Innovation

Fibres optiques

Mots clés libres

Contrôle de dispersion chromatique

Design de fibre optique

Conversion de fréquence

Mélange à quatre ondes

Chromatic dispersion control

Fiber optic design

Frequency conversion

Four wave mixing

Résumé

Les travaux présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans le cadre du projet ANR METROPOLIS, ayant pour objectif le développement de sources de lumière cohérente dont la longueur d’onde de fonctionnement est ~2 µm, notamment pour des applications en spectroscopie. Ces sources photoniques reposent sur la mise au point de fibres optiques spéciales « hautement non-linéaires » caractérisées par des paramètres de dispersion chromatiques parfaitement maîtrisés. Ce dernier point est crucial pour le processus non linéaire de mélange à quatre ondes (FWM) mis en jeu dans la génération du signal souhaité et se heurte aux problématiques liées aux fluctuations possibles des paramètres opto-géométriques lors de la phase de fabrication des fibres. Les travaux de cette thèse ont porté sur la conception, la fabrication et la caractérisation (allant jusqu’à l’implémentation dans les systèmes lasers visés) de deux nouveaux designs de fibres optiques hautement non linéaire (HNLF). La première, entièrement solide, est basée sur la discrétisation d’un anneau bas- indice entourant le cœur, a permis d’améliorer la gestion précise des coefficients de dispersion d’ordre supérieur à 1,55 µm permettant ainsi d’augmenter d’un ordre de grandeur (en comparaison de fibres commerciales standards non-linéaires) l’efficacité de conversion par FWM d’un signal à 2 µm. La seconde, basée sur une fibre optique microstructurée (PCF air/silice) effilée dite « taper », a permis de démontrer (numériquement et expérimentalement), une conversion paramétrique par d-FWM générant un signal autour de 2µm et s’étendant sur près de 180 nm de largeur spectrale. Un tel résultat n’est pas atteignable avec une PCF air/silice usuelle présentant un diamètre externe uniforme.

The present work is part of the ANR METROPOLIS project, which aims to develop a novel type of coherent light sources operating at ~ 2 µm wavelength for applications in spectroscopy. These photonic sources are based on the development of special "highly non-linear optical fibers” with precisely controlled chromatic dispersion parameters, which is crucial for the nonlinear four-wave mixing (FWM) process on which relies the generation of the desired signal. It is well known that FWM is highly sensitive to fluctuations in opto-geometrical parameters during fiber fabrication. This thesis focuses on the design, fabrication and characterization (up to the implementation in the targeted laser systems) of two new designs of highly nonlinear optical fibers (HNLF). The first design, based on the discretization of a low-index ring surrounding the core, has improved the precise control of higher order dispersion coefficients at 1.55 µm. This results in an increase in conversion efficiency by FWM of a signal at 2 µm, which is an improvement of an order of magnitude compared to standard commercial fibers. The second design, based on a tapered optical fiber (PCF air/silica), demonstrated (both numerically and experimentally) a broadband (nearly 180 nm) parametric conversion by d- FWM centered at approximately 2 µm. This result is not achievable with a traditional air/silica PCF with a uniform external diameter.