Fibres optiques spéciales en verres non linéaires pour la génération de supercontinuum entre 1 et 6 micromètres

par Oussame Mouawad

Projet de thèse en Chimie physique

Sous la direction de Frédéric Smektala.

Thèses en préparation à Dijon , dans le cadre de École doctorale Carnot-Pasteur (Dijon) depuis le 06-10-2011 .


  • Résumé

    L'étude doctorale proposée consiste à étudier, synthétiser, mettre en forme et caractériser des matériaux vitreux infrarouges fortement non linéaires et développer des fibres optiques innovantes pour la génération de sources laser large bande dans l'infrarouge moyen.Nous avons depuis plusieurs années acquis une très bonne expertise du sujet en travaillant sur différents types de verres (fluorures, phosphates, oxydes lourds, chalcogénures). Les résultats obtenus récemment avec des fibres chalcogénures microstructurées nous ont permis de lever un verrou technologique en terme de pertes optiques ainsi qu'en terme de gestion de la dispersion. La réalisation de sources supercontinuum dans le moyen infrarouge entre 1 et 6 µm à l'aide de ces fibres est à portée de main.Il s'agira donc de développer plus précisément des verres de sulfures et des verres d'oxydes lourds (type tellurite). Ces verres présentent des non linéarités de 10 à 100 fois supérieures à celle de la silice et sont transparents dans l'infrarouge sur fibre jusqu'à au moins 5-6 µm. Un soin particulier sera apporté à la qualité optique de ces verres, par la mise en œuvre de diverses techniques de purification (synthèse en atmosphère contrôlée, distillations, etc), de façon à éliminer toute pollution extrinsèque du matériau.Des préformes présentant une structuration particulière seront ensuite fabriquées, à l'aide d'une technique mise au point par notre équipe au laboratoire ICB. Cette technique innovante permet de s'affranchir de l'excès de perte généralement observé lors de l'utilisation d'autres procédés. Ces préformes seront alors étirées en fibres optiques à l'aide d'une tour de fibrage, conduisant ainsi à des fibres optiques microstructurées, encore appelées fibres à cristaux photoniques. La micro-structuration permet d'une part le contrôle de la dispersion chromatique du guide d'onde et d'autre part une forte augmentation de ses propriétés non linéaires. Il s'agit donc ici de combiner la forte non linéarité intrinsèque des matériaux à celle induite par cette géométrie spécifique. Les fibres microstructurées seront caractérisées optiquement : transmission, atténuation, dispersion chromatique. L'objectif est d'atteindre des atténuations de l'ordre de 0.5 dB/m avec un zéro dispersion entre 1.5 et 2µm, de façon à pouvoir pomper efficacement ces fibres en régime de dispersion anormale à l'aide des sources picoseconde ou femtoseconde actuellement disponibles. Les propriétés non linéaires des guides seront étudiées : auto modulation de phase, diffusion Raman, instabilité modulationnelle, génération de solitons et finalement la génération d'un supercontinuum. L'obtention de supercontinuum dans ces fibres permettrait d'atteindre des sources laser entièrement fibrées larges bandes accordables dans le moyen infrarouge jusqu'à au moins 5 µm, où ce type de source n'existe pas encore.Plusieurs groupes dans le monde cherchent à atteindre cet objectif (USA, Angleterre, Russie, Australie, Japon, Brésil…) en travaillant sur différents types de matériaux vitreux. Précisons que la France est actuellement très bien placée dans cette compétition. Les applications potentielles sont nombreuses : caractérisations de dispositifs optiques ou d'éléments optiques dans le moyen infrarouge, analyses spectroscopiques par détection des résonnances fondamentales d'espèces chimiques avec des retombées en médecine, biologie, analyse atmosphérique, et dans le domaine militaire, puisque ces sources permettraient d'accéder aisément aux caractéristiques spectrales de nombreuses molécules ainsi qu'à la bande II de transparence atmosphérique.Ce sujet de thèse est donc interdisciplinaire, au carrefour de la chimie des matériaux et de l'optique. Les travaux se dérouleront dans le cadre de collaborations nationales (ANR)et dans un cadre international (programme Sakura avec le Japon, Canada, Brésil).


  • Résumé

    The proposed PHD study is to investigate, synthesize, format and infrared characterization of glassy materials highly nonlinear optical fibers and develop innovative generation broadband laser sources in the mid infrared.We have several years acquired a very good subject matter expertise by working on different types of glasses (fluorides, phosphates, oxides heavy chalcogenides). Recent results with chalcogenide microstructured fibers allowed us to lift a technological obstacle in terms of optical losses and in terms of dispersion management. Achieving supercontinuum sources in the mid-infrared between 1 and 6 microns using these fibers.It will therefore be developed specifically for sulfide glasses and heavy oxide glasses (tellurite type). These glasses are non-linearities from 10 to 100 times that of silica and are transparent in the infrared fiber to at least 5-6 microns. Particular care will be provided for the optical quality of these glasses, for the implementation of various purification techniques (synthesis in a controlled atmosphere, distillation, etc.), so as to eliminate any contamination of extrinsic material.Preforms with a particular structure will then be made, using a technique developed by our laboratory ICB. This innovative technology eliminates the excess of loss generally observed when using other methods. These preforms are then drawn into fiber using a drawing tower, thus resulting in microstructured optical fibers, also called photonic crystal fibers. The micro-structure allows one hand control of the chromatic dispersion of the waveguide and the other a sharp increase of its nonlinear properties. So this is here to combine the strong intrinsic nonlinearity of materials to that induced by this specific geometry.Microstructured fibers will be characterized optically: transmission, attenuation, chromatic dispersion. The objective is to achieve attenuation of about 0.5 dB / m with a zero dispersion between 1.5 and 2μm, so you can pump effectively these fibers in anomalous dispersion regime using picosecond or femtosecond sources currently available. The nonlinear properties of the guides will be studied: self phase modulation, Raman scattering, modulation instability, soliton generation and finally the generation of a supercontinuum. Obtaining supercontinuum in these fibers would achieve fully fibered laser sources tunable broadband mid-infrared to at least 5 mm, where this type of source does not exist yet.Several groups around the world seek to achieve this goal (United States, England, Russia, Australia, Japan, Brazil ...) working on different types of glassy materials. Note that France is now very well placed in this competition. Potential applications are numerous: characterization of optical devices or optical elements in the middle infrared, spectroscopic analyzes by detecting fundamental resonances of chemical species with benefits in medicine, biology, atmospheric testing, and in the military field, since these sources would allow easy access to the spectral characteristics of many molecules as well as band II of atmospheric transparency.This thesis is interdisciplinary, at the crossroads of materials chemistry and optics. Work will take place through national collaborations (ANR) and in an international setting (Sakura program with Japan, Canada, Brazil).