FibreMicro |
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Présentation
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Figure 1: section d'une fibre microstructure (MOF).
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L'avènement des fibres optiques en silice permettant de
guider avec des pertes faibles des faisceaux lasers sur des distances
importantes a été à l'origine d'une profonde mutation
des communications optiques. Dans ces fibres le confinement optique est
obtenu par un très faible (qq 10-3) changement
d'indice entre le cóur et la gaine. Ceci impose une limite inférieure
à la taille du mode optique et à la distance entre guides, limitant ainsi des performances comme la
compacité, la robustesse, et l'efficacité non linéaire.
Cette
limitation a pu être contournée il y a
quelques années, avec l'apparition des fibres
microstructurées (MOF). Dans ces
fibres la gaine n'est plus constituée d'un matériau
homogène mais d'une
structure en tubes (trous) d'air dans la silice qui agit comme un
milieu de bas
indice (fig.1).
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Le fort contraste d'indice ainsi obtenu (~0,1) permet d'obtenir des
modes de taille très faible, proche de la limite de diffraction,
une forte concentration de la puissance et donc finalement un fort
accroissement de la réponse non linéaire. Ce progrès est limité, pour
des trop petits cóurs, par l'évasion du mode hors du cóur,
diminuant l'efficacité non linéaire et créant
des pertes. L'optimum le guide ultime - est obtenu pour un cóur d'environ
λ/n.
Nous étudions ce régime non linéaire à l'aide des techniques de microscopie à champ proche
optique (SNOM), qui fournissent l'ultra résolution
(<<λ) nécessaire pour imager correctement les tout
petits modes mis
en jeu.
Ce travail est effectué en collaboration avec "Optical Transmission Systems",
la division "fibres" de Alcatel Research and Innovation.
1 - Fibres microstructurées à taille de cóur très
faible (ultime)
Nous
avons étudié la propagation de la
lumière, à la fois en régime linéaire et non linéaire, dans
une MOF spécialement conçue pour avoir une faible taille
de mode. Le schéma
de la mesure est présenté en figure 2.
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Figure
2: schéma de la mesure de cartographie des
modes transmis
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L'efficacité
non linéaire de la fibre est
déterminée par l'aire effective non linéaire du
mode. Grâce à des mesures SNOM en régime linéaire,
nous avons déterminé que cette aire effective est de l'ordre
du µm² (fig. 3). Ceci correspond à une diminution de presque deux
ordres de grandeur
par rapport à la fibre monomode standard.
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Figure3: combinaison des cartes de topographie et
de puissance optique obtenues par SNOM à la sortie de la MOF, en
régime linéaire à 1,55µm. Le waist du mode
est ~1µm.
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Figure
4: spectre de transmission (montage de la fig.2),
pour une source pulsée (10ps). La ligne verte est le spectre de
la source. Le
spectre violet est obtenu dans en régime linéaire
(~1W/µm² crête), et le bleu
en régime non linéaire (~10W/µm²).
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Nous avons une preuve directe de l'augmentation
correspondante de la réponse non linéaire: par rapport
à la fibre standard, la
densité de puissance requise pour générer un
élargissement du spectre (fig.4)
diminue du même facteur.
On peut aussi
noter que la taille du mode optique
est proche de l'optimum théorique.
Enfin, nous avons
vérifié que le guidage est
robuste et quasi monomode, et que les pertes de couplage et de
propagation
restent faibles, dans les limites
requises pour une application comme les miroirs non linéaires
(NOLM).
2 - Guidage dans un réseau dense de nanocanaux
Un aspect des
guides microstructurées négligé
jusqu'à présent est la présence par construction,
dans la zone de gaine, d'un
réseau dense de canaux triangulaires (trifoliés) de
très faible dimension
(fig.5). Des calculs de modes nous ont montré que ces canaux
pouvaient se
comporter comme des guides de taille ultime (fig. 6).
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Figure
5: canaux de lumière dans une MOF. Le cercle
vert indique le cóur central "conventionnel". Sa gaine
microstructurée
forme elle-même un réseau ultimement dense de canaux
trifoliés guides de
taille ultime soulignés par les cercles jaunes.
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Figure
6: calcul des modes des canaux trifoliés par
la méthode des éléments finis. Dans cet exemple,
le canal principal est
faiblement couplé à plusieurs de ses voisins. Des modes
à un seul canal sont
aussi obtenus.
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Nous avons démontré par imagerie
SNOM (fig. 7) que ces
nanocanaux peuvent se comporter comme de vrais guides isolés.
De par leur taille (diamètre interne 0,66µm) et également
leur densité (distance entre canaux 1,25µm) ils atteignent
les limites ultimes de l'intégration photonique à base de silice. Des
dissymétries locales peuvent conduire à des comportements
en mode individuel ou collectifs (fig. 7).
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Figure
7: combinaisons de cartes de topographie et
de puissance transmise obtenues par SNOM, montrant la propagation dans
un canal
isolé (à gauche) ou collectivement dans un groupe de
canaux voisins (à droite).
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3 - En cours: traitement tout-optique du signal dans des réseaux denses
de guides par interaction non linéaire
Actuellement,
nous explorons plusieurs pistes
permettant d'utiliser le réseau des nanocanaux trifoliés
comme support pour du
traitement du signal tout-optique et parallèle. Ces pistes
mettent en jeu la
création et la destruction, statique ou dynamique, en
régime linéaire et non
linéaire, du couplage entre les canaux, autorisant ou bloquant
le processus de
diffusion discrète.
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Et aussi...
PublicationsPublications dans des journaux
- Intermodal interferences in a multimode highly-asymmetric two-core microstructured optical fiber
, A. Apetrei, J.-M. Moison, J. A. Levenson, G. Mélin, A. Fleureau, S. Lempereur, J. Opt. Soc. Am. B 27, 1735 (2010)
- Surface roughness and light scattering in a small effective area microstructured fiber , M. C. Phan Huy, J.-M. Moison, J. A. Levenson, S. Richard, G. Mélin, M. Douay, Y. Quiquempois, J. Lightwave Technol. 27, 1597 (2009)
- Light transmission in multiple or single subwavelength trefoil channels of microstructured fibers , J.-M. Moison, A. Apetrei, J. A. Levenson, G. Mélin, Ph. Pédeboscq, A. Fleureau, S. Lempereur, L. Gasca, Optics Express 13, 1193 (2005)
- Evaluation of a highly nonlinear microstructured optical fiber by near-field scanning optical microscopy and simulations: nonlinear coefficient and coupling losses , J.-M. Moison, A. Apetrei, J. A. Levenson, G. Mélin, S. Lempereur, A. Fleureau, E. Bourova, L. Gasca, Appl. Phys. B 80, 73 (2005)
- Electromagnetic field confined and tailored with a few air holes in a photonic-crystal fiber , A. Apetrei, J.-M. Moison, J. A. Levenson, M. Foroni, F. Poli, A. Cucinotta, S. Selleri, M. Legré, M. Wegmüller, N. Gisin, K. V. Dukel'skii, A. V. Khokhlov, V. S. Shevandin, Yu. N. Kondrat'ev, C. Sibilia, E. E. Serebryannikov, A. M. Zheltikov, Appl. Phys. B 81, 409 (2005)
Contrats et projets
ANR PNANO
FONOTEAM : Fibres optiques à cristaux photoniques nano optimisées pour télécommunications et applications médicales
Référence de contrat : ANR PNANO
Responsable(s) LPN : Jean-Marie Moison
Principaux objectifs : Projet dédié aux fibres optiques à cristaux photoniques dopées Ge, avec comme but de permettre l’émergence d’applications industrielles télécoms (amplifacteurs Raman) et médicales (laser Raman) basées sur ces fibres fortement non linéaires, en levant les verrous technologiques (nano-déformations de structure, présence de zones absorbantes). (2005-2008)
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