Etude de la conversion de fréquence par amplification paramètrique dans les fibres optiques transparentes dans l'infrarouge

par Claire Alhenc-Gelas

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Frédéric Druon.

Le président du jury était Philippe Delaye.

Le jury était composé de Frédéric Druon, Philippe Delaye, Sébastien Février, Hervé Maillotte, Benoît Boulanger, Pierre Bourdon.

Les rapporteurs étaient Sébastien Février, Hervé Maillotte.


  • Résumé

    De nombreuses applications militaires ou civiles, telles que la spectroscopie dans les bandes de transmission de l’atmosphère (bandes 3-5µm et 8-12µm), nécessitent de disposer de sources émettant dans le moyen infrarouge (IR). Les travaux de cette thèse portent sur la génération de rayonnement dans la bande 3-5µm par amplification paramétrique (mélange à quatre ondes) dans les fibres optiques en verres fluorés et en verres de chalcogénures. La première partie de ce travail a été consacrée à l’étude théorique et à la modélisation des conditions d’accord de phase et du gain paramétrique dans des fibres à saut d’indice monomodes en verres fluorés ZBLAN et verres de chalcogénures As2S3 et As2Se3. La nature des résultats obtenus nous a conduit à étudier théoriquement le potentiel de l’accord de phase multimode dans les fibres en verres de chalcogénures. La deuxième partie de ce travail a porté sur la modélisation de l’amplification paramétrique dans des fibres en verres de chalcogénures microstructurées à géométrie hexagonale. Pour ce faire, un modèle simplifié de la propagation dans les fibres microstructurées hexagonales a été développé : le modèle de l’indice effectif de gaine (EIM). Il a ensuite été comparé à une méthode de résolution aux éléments finis. Grâce à cette comparaison, nous avons pu améliorer la précision du modèle EIM en déterminant la valeur de plusieurs paramètres empiriques. Ce modèle nous a alors permis de prédire l’efficacité du processus d’amplification paramétrique dans les fibres microstructurées. L’ensemble de ces études théoriques a permis d’identifier les fibres les plus adaptées à la conversion de fréquence vers la bande 3-5µm. Enfin, nous avons réalisé un banc de mesure de la dispersion chromatique des fibres, ainsi que le dimensionnement d’un convertisseur de fréquence utilisant les fibres identifiées dans l’étude théorique.

  • Titre traduit

    Study of frequency conversion by parametric amplification in mid-infrared optical fibers


  • Résumé

    Various civil or military applications, such as spectroscopy in the atmospheric transparency windows (3 – 5 µm and 8 – 12 µm ranges), require the use of mid-infrared emitting laser sources.The work presented in this thesis is about light generation in the 3 – 5 µm range by parametric amplification (four-wave mixing) in fluoride and chalcogenide fibers. The first part of the study is devoted to modelizations of phase-matching condition and parametric gain in monomode step-index ZBLAN fluoride fibers as well as As2S3 and As2Se3 chalcogenide fibers. The results obtained in this modelization led to the theoretical study of multimode phase-matching conditions in chalcogenide fibers.The second part of the study presents the modelization of parametric amplification in hexagonal microstructured chalcogenide fibers. A simplified model, called the effective index method (EIM), has been developed and compared to the finite element method. Thanks to this comparison, the accuracy of the EIM model was improved through the determination of several empirical parameters. Using the improved EIM model, we have been able to predict the parametric amplification efficiency in microstructured fibers. Thus, all those theoretical studies allowed us to identify the most adapted fibers for frequency conversion in the 3 – 5 µm range. Eventually, we realized an experimental bench to measure the chromatic dispersion of optical fibers, and we suggested an experimental architecture using the fibers we had indentified in the theoretical study.


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