Génération de nouvelles longueurs d’onde par effets non linéaires dans les fibres

Nous nous sommes ensuite intéressés aux processus de création de nouvelles composantes spectrales dans les fibres optiques en silice pour élargir nettement le spectre de notre source. En utilisant le faisceau généré par la source ps basse cadence présentée ci-dessus comme faisceau de pompe, nous avons étudié l’élargissement spectral pour différentes fibres optiques et différentes longueurs d’onde d’injection. Nous rapportons dans ce chapitre les résultats les plus intéressants, obtenus avec des fibres microstructurées. La réponse de n’importe quel diélectrique à la lumière devient non linéaire pour des champs électromagnétiques intenses, et les fibres en silice ne font pas exception. D’un point de vue fondamental, l’origine de la réponse non linéaire est reliée au mouvement anharmonique des électrons liés sous l’influence du champ appliqué [Agrawal 1995]. Les fibres optiques sont très intéressantes pour générer de tels effets car, en confinant la lumière dans le cœur de la fibre, elles permettent de maintenir des intensités optiques importantes sur de grandes distances, ce qui entraîne une augmentation des effets non linéaires. D’une manière générale, ce qu’on appelle la génération de supercontinnum est l’élargissement spectral subie par une impulsion incidente de bande étroite pour produire une impulsion de sortie avec un spectre extrèmement large et continu. De tels supercontinua ont été générés au cours de nombreuses expériences avec des conditions expérimentales très différentes (type de fibres, durée et énergie des impulsions, longueur d’onde d’injection,…). Aussi, il est difficile d’isoler la contribution des différents effets non linéaires (automodulation de phase, modulation de phase croisée, mélange à quatre ondes, instabilité de modulation, fission soliton, génération d’ondes dispersives, diffusion Raman), même si individuellement tous ces effets sont bien connus. Il existe effectivement une théorie solide basée sur les équations de propagation du champ (équation de Schrödinger non linéaire) qui est largement développée dans la littérature et qui permet d’étudier ces différents effets en détail [Agrawal 1995], [Banerjee 2004]. Notre propos ici n’est pas de nous lancer dans une analyse complexe et longue des différents effets non linéaires présents dans la fibre. Nous allons juste présenter de manière simple les principaux effets non linéaires responsables des premières étapes de l’élargissement spectral dans le régime ps qui nous intéresse, pour donner des pistes dans la compréhension des phénomènes observés lors des expériences que nous avons réalisées. Dans une fibre optique « classique », la différence d’indice cœur-gaine relative est (n ng )cylindres de verre concentriques, et le guidage se fait par réflexion totale (voir chapitre 3) à l’interface cœur gaine.

L’apparition des premières fibres microstructurées à la fin des années 1990 a ouvert de nouvelles perspectives [Knight 1996-97]. En introduisant des trous dans certaines parties de la fibre (cœur, gaine), il est possible de modifier considérablement les propriétés de guidage (figure 2-21). Il existe différents types de fibres microstructurées,[Russell 2003] mais ce sont uniquement celles à cœur solide entouré d’une région de trous qui sont utilisées pour la génération de supercontinuum. Dans ce cas, l’indice effectif de la région centrale « pleine » est supérieur à celui de la région avec les trous, ce qui provoque un guidage par réflexion totale interne comme dans les fibres classiques (d’autres fibres PCF avec des cœurs creux par exemple ont un guidage qui se fait par bande photonique interdite). Les degrés de liberté offerts par la modification des trous (taille, pas) permettent, en modifiant ∆ et la taille du coeur de créer des propriétés de guidage particulières.

longueur d’onde, et associé à la dispersion de vitesse de groupe, détermine les différences de temps de groupe des paquets de fréquences. En effet, ces derniers ne vont pas se propager à la même vitesse dans la fibre, l’indice effectif variant selon la longueur d’onde. Les propriétés du guidage vont être différentes suivant que la longueur d’onde étudiée est supérieure ou inférieure à cas le plus simple d’une fibre avec une seule longueur d’onde d’annulation de la dispersion. Lorsque la longueur d’onde est inférieure à la longueur d’onde de zéro dispersion, la dispersion est négative, et nous nous situons dans un régime de dispersion normale. Dans ce régime, les fréquences les plus hautes (dites bleues) de l’impulsion voyagent plus lentement que les composantes de fréquences plus basses (dites rouges). Et c’est l’inverse dans le régime de dispersion anormale, pour lequel la longueur d’onde étudiée est supérieure à celle de zéro dispersion ; et dans ce cas la dispersion est positive. Ce dernier régime est d’un intérêt considérable pour l’étude des effets non linéaires puisqu’en dispersion anormale, les effets dispersifs et non linéaires peuvent se compenser, ce qui permet la propagation de solitons, qui sont des impulsions dont les enveloppes temporelle et spectrale ne sont pas modifiées au cours de la propagation [Agrawal 1995]. Dès lors, en modifiant la géométrie des trous, il est possible de changer la dispersion et de diminuer la longueur d’onde de zéro dispersion [Mogilevtsev 1998]. En travaillant sur la taille et la répartition des trous, l’aire effective du mode peut être réduite, et le rapport air/silice peut être considérablement augmenté.