Propagation nonlinéaire des faisceaux non-conventionnels dans un cristal photoréfractif

Nonlinear propagation of unconventional beams in a photorefractive crystal

• Auteur / Autrice : Yue Chai
• Direction : Delphine Wolfersberger, Nicolas Marsal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/06/2024
• Etablissement(s) : CentraleSupélec
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMOPS - Laboratoire Matériaux Optiques, Photoniques et Systèmes (Metz)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthieu Bellec, Eugenio Fazio, Pascal Kockaert
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Matthieu Bellec, Eugenio Fazio

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moment angulaire

Effet photoréfractif

Mots clés libres

Faisceau de Bessel

Effet photoréfractif

Moment angulaire orbital

Photo-inscription des guides d’ondes

Routage tout-optique

Bessel beam

Photorefractive effect

Orbital angular momentum

Photo-induced waveguiding configurations

All-optical routing and switching

Résumé

La thèse explore l'étude de la propagation et de l'interaction des faisceaux de Bessel non conventionnels dans un cristal photoréfractif (PR), en se penchant sur les technologies clés des communications optiques avancées. Cette thèse se divise en deux parties : la photo-inscription des guides d'ondes et la modulation des modes OAM. Premièrement, notre étude démontre qu'un seul faisceau de Bessel diffractant peut inscrire plusieurs guides d'ondes couplés dans le cristal PR en raison de ses profils en anneaux. En manipulant les paramètres optiques de notre plateforme optique, il est possible d'obtenir un contrôle flexible. Ces configurations permettent la réalisation de fonctions de routage complexe en optique. De plus, l'introduction d'un deuxième faisceau contra- propageant permet d'induire des guides d'ondes dynamiques, démontrant ainsi la possibilité de contrôle dans différents régimes. Deuxièmement, il est démontré que l'OAM d'un faisceau de Bessel polarisé de manière arbitraire peut être continuellement modulé par un champ électrique appliqué au matériau PR pour activer sa non-linéarité. Ensuite, des paramètres optimaux sont confirmés pour une plage de modulation en régime stable. Nous montrons également que l'OAM peut être modulé dans des conditions de non-linéarité très élevées, permettant ainsi d'étendre l'intervalle de modulation. Ces résultats offrent des perspectives prometteuses pour le développement de nouvelles technologies dans les domaines des composants passifs et dynamiques pour les communications tout-optiques ou quantiques.

The thesis focuses on the propagation of Bessel beams in a photorefractive crystal, involving technologies used in advanced optical communications, such as the all-optical router, switcher, mode multiplexing and demultiplexing using orbital angular momentum (OAM). The work is in two parts: the photo-inscription of waveguides and the modulation of OAM modes. In the first part, we demonstrate numerically and experimentally that a single diffracting Bessel beam can induce complex waveguides under the PR effect. In addition, by manipulating the parameters of our optical platform, we achieve flexible control of the induced waveguides’ characteristics. By testing these photo-induced waveguides using Gaussian probe beams, we confirm their complex routing functions. Furthermore, by introducing the second counter-propagating beam, we induce dynamic waveguides and demonstrate the control in any regime. In the second part, we demonstrated in simulations and experiments that the OAM of an arbitrarily polarized Bessel beam can be continuously modulated in the PR crystal by the applied electric field. By discussing parameter, we confirm optimal parameters to obtain the broadest modulation range in the steady state. We propose temporal plateaux long enough on which the OAM exceeds its initial value, thus enabling the extension of the OAM modulation range, even in the unstable regime. All the results in this thesis open up promising prospects for developing new technologies in all-optical or quantum communications.