Interactions Brillouin et Kerr dans de nouvelles fibres optiques adaptées à des applications dans l'infrarouge proche et moyen

Brillouin and Kerr interactions in specialty optical fibers for near and mid-infrared applications

• Auteur / Autrice : Koffi Deroh
• Direction : Thibaut Sylvestre, Jean-Charles Beugnot, Hervé Maillotte, Bertrand Kibler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 04/12/2019
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies / FEMTO-ST
• Jury : Président / Présidente : Alexandre Kudlinski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thibaut Sylvestre, Jean-Charles Beugnot, Hervé Maillotte, Bertrand Kibler, Alexandre Kudlinski, Sylvain Girard, Thierry Chartier, Birgit Stiller
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Girard, Thierry Chartier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibres optiques

Effet Kerr

Effet Brillouin

Mots clés libres

Diffusion Brillouin

Effet Kerr optique

Fibres optiques infrarouges

Laser Brillouin

Peignes de fréquences optiques

Capteurs à fibtre optique

Stimulated Brillouin scattering

Optical Kerr effect

Infrared optical fibers

Brillouin lasers

Optical frequency comb

Optical sensing

Résumé

Durant la dernière décennie, on constate une forte évolution de la couverture spectrale des sources lasers cohérentes compactes vers l’infrarouge moyen, notamment pour des applications de spectroscopie et de bio-photonique. Cette thèse s’inscrit dans ce développement par l’étude de fibres optiques spéciales conçues spécialement pour une transition entre les gammes spectrales du proche infrarouge et de l’infrarouge moyen, plus particulièrement pour les longueurs d’ondes autour de 2 µm. Ces fibres en verres de tellurites ou de silice fortement dopée à l’oxyde de germanium présentent des caractéristiques non-linéaires avantageuses pour le développement de systèmes lasers ou de conversion de fréquences, en utilisant les processus de diffusion Brillouin et d’effet Kerr. Nos mesures expérimentales révèlent une efficacité Brillouin bien meilleure (jusqu’à 67 fois supérieure) que dans une fibre standard des télécommunications optiques. Nous démontrons la possibilité de développer des lasers Brillouin à fibre optique avec des largeurs de raie spectrale et des seuils de l’ordre de quelques dizaines de kilohertz et centaines de mW, respectivement. Ces cavités lasers Brillouin peuvent aussi générer des peignes de fréquences optiques par mélanges à quatre-ondes multiples. Ces sources spectrales hybrides de type Brillouin-Kerr ont la particularité d’être symétriques, stables et accordables en fréquence. Enfin, les fibres optiques en silice fortement dopée présentent une sensibilité réduite de la fréquence caractéristique Brillouin aux contraintes mécanique et en température. En effet, un fort dopage à 98 mol % permet d’obtenir une fréquence élastique insensible à la température aux longueurs d’ondes de 1,55 et 2 µm. Ce pouvoir athermique se révèle fondamental pour la discrimination des effets de température et de contrainte mécanique dans le domaine des capteurs à fibre optique.

During the last decade, it is worth to mention the significant evolution of the spectral coverage of compact coherent laser sources towards the mid-infrared, in particular stimulated by spectroscopy and bio-photonic applications. The present thesis is part of this development through the investigation of specialty optical fibers designed to bridge the gap between the near-infrared and mid-infrared regions, especially for wavelengths around 2 μm. These fibers based on tellurite glasses or heavily germanium-doped silica fibers exhibit advantageous nonlinear characteristics for the development of laser systems or frequency conversion devices, by using the stimulated Brillouin scattering and Kerr effect. Our experimental measurements reveal a significant increase of Brillouin efficiency (up to 67 times higher) when compared to standard telecom silica fibers. We demonstrate the possibility of developing Brillouin fiber lasers with linewidths and thresholds about few tens of kilohertz and hundreds of mW, respectively. Such Brillouin laser cavities can also generate optical frequency combs by multiple four-wave mixing. The resulting spectral sources are shown to be symmetrical, stable and frequency-tunable. Finally, we show that the highly doped silica fibers have the distinctive feature of reduced sensitivity of the Brillouin shift to the mechanical tensile strain and temperature. In particular, the high 98 mol % doping level makes possible to obtain a temperature-insensitive elastic frequency at wavelengths of 1.55 and 2 μm. This athermal behavior is fundamental to discriminate the effects of temperature and mechanical strain in the field of fiber sensors.