Caractérisation et contrôle de surface pour une nouvelle génération de fibres creuses

Surface characterization and control for a new generation of hollow-core fiber

• Auteur / Autrice : Ali Al Dhaybi
• Direction : Fetah Benabid, Frédéric Gérôme
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et ingénierie pour l’information
• Date : Soutenance le 23/11/2023
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Vincent Couderc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fetah Benabid, Frédéric Gérôme, Laurent Bigot, Yves Jourlin, Gilles Tessier, Luca Vincetti, Jonas Osorio
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Bigot, Yves Jourlin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surfaces (technologie)

Surfaces (physique)

Surfaces -- Propriétés optiques

Innovation

Fibres optiques à cœur creux

Mots clés libres

Fibres creuses

Rugosité de surface

Profilomètre optique

Ultraviolet

Hollow-core fibers

Surface roughness

Optical profilometer

Ultraviolet

Résumé

Cette thèse de doctorat se focalise sur la problématique des pertes induites par la présence d’une rugosité de surface au sein des fibres optiques à cœur creux (HCPCF). Ce phénomène localisé à l’interface cœur/gaine a pour conséquence de limiter actuellement les performances de ces fibres creuses aussi bien aux courtes longueurs d’onde de l’ultraviolet qu’à l’infrarouge, domaine spectral de référence des télécommunications optiques. Dans ce contexte, mes travaux de thèse se sont déclinés en deux voies de recherche complémentaires. Un premier axe a eu pour objectif de concevoir et réaliser des fibres HCPCF à rugosité de surface réduite par l’implémentation de techniques de fabrication innovantes. Un second axe s’est lui focalisé sur la caractérisation de cette rugosité de surface et de la diffusion induite au sein des fibres HCPCF par la construction complète d’un profilomètre optique de résolution picométrique et d’une cavité optique résonante. Les résultats obtenus ont alors permis d’améliorer la qualité de surface d’un facteur 3 en appliquant un principe de « cisaillement » à l’interface cœur/gaine qui se sont traduits par un nouvel état de l’art des pertes des fibres HCPCF à couplage inhibé dans la gamme spectrale du visible et de l’ultraviolet : 50 dB/km à 290 nm, 9,7 dB/km à 369 nm, 5,0 dB/km à 480 nm, 0,9 dB/km à 558 nm et 1,8 dB/km à 719 nm. Aussi, en implémentant une seconde technique originale de fabrication dite « opto-thermique », il a été démontré qu’on pouvait agir sur la dynamique des ondes capillaires de surface générée permettant pour la première fois de venir structurer le profil de surface associé. Finalement, l’ensemble de ces avancées témoignent de la réalisation d’une nouvelle génération de fibres creuses.

This PhD thesis focuses on the loss challenges induced by the presence of surface roughness within hollow-core photonic crystal fibers (HCPCF). This phenomenon located at the core/cladding interface currently limits the performance of these hollow-core fibers both at short ultraviolet wavelengths and at the infrared, the reference spectral range for optical telecommunications. In this context, my thesis work was divided into two complementary research strategies. A first axis aimed to design and produce HCPCF fibers with reduced surface roughness by implementing innovative manufacturing techniques. A second axis focused on the characterization of this surface roughness and the diffusion induced within the HCPCF fibers by the complete construction of an optical profilometer with picometric resolution and a resonant optical cavity. The results obtained then made it possible to improve the surface quality by a factor of 3 by applying a “shear” principle to the core/clad interface which resulted in a new state-of-the-art of loss in inhibited coupling HCPCF fibers at the visible and ultraviolet spectral range: 50 dB/km at 290 nm, 9.7 dB/km at 369 nm, 5.0 dB/km at 480 nm, 0.9 dB/km at 558 nm and 1.8 dB/km at 719 nm. Also, by implementing a second original fabrication technique called “opto-thermal”, it was demonstrated that the dynamics of the surface capillary waves generated can be controlled, making possible for the first time to structure the associated surface profile. Finally, all of these advances demonstrate the realization of a new generation of hollow-core fibers.