Nonlinear propagation in optical fibers : from soliton radiations to multimode instabilities

par Carlos Mas Arabi

Thèse de doctorat en Optique et lasers, physico-chimie, atmosphère

Sous la direction de Alexandre Kudlinski et de Matteo Conforti.

  • Titre traduit

    Propagation nonlinéaire dans les fibres optiques : des radiations de solitons aux instabilités multimodes


  • Résumé

    Ces travaux de thèse portent sur l'étude de la propagation non linéaire de la lumière dans les fibres optiques. Nous nous sommes concentrés sur deux types de problèmes: les solitons dans les fibres monomode et la propagation de la lumière multimodes dans les fibres à gradient d'indice. Lorsque la fréquence porteuse d’un soliton est proche de la longueur d'onde de dispersion nulle ou que la biréfringence de la fibre est prise en compte, les solitons peuvent interagir avec des ondes de faible amplitude et générer de nouvelles fréquences. Nous avons étudié théoriquement l'efficacité de ces processus dans le cas de solitons sombres qui se propagent près de longueur d'onde de dispersion nulle et de solitons brillants dans une fibre hautement biréfringente. Les résultats de ces analyses ont été validés par des expériences.Dans les fibres monomodes, les effets physiques étudiés sont limités au domaine temporel. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous augmentons les degrés de liberté en utilisant des fibres multimode à gradient d’indice. Un effet qui se produit dans les fibres GRIN est auto-imagerie, un processus dans lequel le faisceau injecté à l'entrée se réplique périodiquement le long de la fibre, créant un réseau d'indice dû à l’effet Kerr de la silice. En raison de ce comportement périodique, certaines fréquences sont amplifiées (processus appelé instabilité paramétrique géométrique). Nous avons caractérisé la distribution des fréquences instables quand une variation périodique du diamètre de la fibre est réalisée. Nous présentons également un modèle unidimensionnel capable d'imiter la dynamique spatio-temporelle de la lumière dans une fibre multimode.


  • Résumé

    The main goal of this thesis is the investigation of nonlinear light propagation in optical fibers. We have focused on two kinds of problems: solitons in monomode fibers and multimode light propagation in Graded Index (GRIN). When carrier frequency of a soliton is close to the Zero Dispersion Wavelength (ZDW) or when fiber’s birefringence is taken into account, solitons can interact with weak waves and generate new frequencies. We have studied theoretically the efficiency of these processes in the case of dark solitons propagating close to ZDW and bright solitons in a highly birefringent fiber. The outcomes of these analysis have been validated experimentally. In single mode fibers, the studied physical effects are restricted to the temporal domain. In the second part of this thesis, we increase the degrees of freedom by using multimode fibers. Light propagation in multimode fibers entails a spatiotemporal dynamics which is still far to be fully understood. An effect arising in GRIN fibers is self-imaging, a process in which the spatial beam injected at the input replicates itself periodically along the fiber, creating a grating by virtue of the silica’s Kerr effect. Due to this periodic behavior, when a CW propagates in a multimode fiber, some frequencies become unstable and they are amplified (a process called Geometric Parametric Instability). We have characterized the pattern of unstable frequencies when a periodic variation of the fiber diameter is made. We also present a reduced one dimensional model which is able to mimic the spatiotemporal dynamics of light in a multimode GRIN fiber.


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