Outil numérique (1+2D)/3D pour modéliser la diffusion de surface de la lumière d'une fibre creuse à couplage inhibé

Numerical (1+2D)/3D tool to model the surface scattering of light in the inhibited coupling hollow fiber

• Auteur / Autrice : Kostiantyn Vasko
• Direction : Fetah Benabid, Frédéric Gérôme
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et ingénierie pour l'information
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Alain Reineix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Reineix, Gilles Renversez, Rodrigo Amezcua Correa, Luca Vincetti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Renversez, Rodrigo Amezcua Correa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Cristaux photoniques

Modèles mathématiques

Fibres optiques à cœur creux

Mots clés libres

Outil numérique

Diffusion de surface

Couplage inhibé

Fibres creuses

Modélisation

Numerical tool

Surface scattering

Inhibited coupling

Hollow core fibers

Modeling

Résumé

Ce travail présente le développement d’un outil numérique basé sur la méthode des éléments finis pour étudier et optimiser les performances des fibres creuses à cristal photonique (HCPCF). Divers mécanismes de perte dans ces fibres ont alors pu être analysés. En premier lieu, par une compréhension fine de l’influence des paramètres géométriques sur les pertes et par une approche basée sur une décomposition de Fourier azimutale, plusieurs structures innovantes de fibres creuses ont été proposées permettant d’aller au-delà de l’état de l’art actuel. En particulier, une fibre creuse à maille hybride guidant par couplage inhibé (CI) a été conçue puis fabriquée associant pour la première fois faible perte de confinement et guidage unimodal. Puis, les sources de pertes induites par la rugosité de surface au sein de ces fibres creuses ont été intégrées aux études en développant une approche numérique transverse à 2D et par des équations de tendance. Les calculs ont alors confirmé l’impact d’un nouveau procédé de fabrication par cisaillement mis en place durant l’étape de fabrication permettant de réduire d’un facteur trois l’amplitude du profil de surface des membranes silice. Ce résultat s’est traduit par la démonstration de pertes records des HCPCF-CI aux domaines des courtes longueurs d’onde du visible (< 1 dB/km) et de l’ultraviolet (< 50 dB/km) trouvées en bon accord avec les simulations. En parallèle, un second procédé nommé opto-thermique a débuté permettant pour la première fois d’obtenir un profil de rugosité non stochastique, résultat qui constitue une perspective forte de mes travaux. Enfin, des développements pour étendre ces analyses à l’axe de propagation (simulations 2D+1 puis 3D) ont débuté. En conclusion, l’ensemble de ces travaux a permis de contribuer à réaliser une nouvelle génération de fibres creuses qui à terme pourrait répondre aux défis aussi bien des domaines peu accessibles comme l’ultraviolet que des applications à fort impact sociétal telles que les télécommunications optiques de demain.

This work presents the development of a numerical tool based on finite element method to study and optimize the performances of photonic crystal hollow-core fibers (HCPCF). Various loss mechanisms in these fibers were analyzed. Firstly, through a detailed understanding of the influence of geometric parameters on losses and by an approach based on an azimuthal Fourier decomposition, several innovative hollow-core fiber designs have been proposed making it possible to go beyond the current state-of-the-art. In particular, a hybrid hollow-core fiber guiding by inhibited coupling (IC) was designed and then manufactured, combining for the first time ultra-low confinement loss and singlemode guidance. Then, the sources of losses induced by surface roughness within these hollow-core fibers were integrated into the studies by developing a transverse 2D numerical approach and scaling formula. The calculations then confirmed the impact of a new shear process implemented during the fabrication, making it possible to reduce the amplitude of the surface profile of the silica membranes by a factor of three. This results in the demonstration of record losses of HCPCF-CI in the short wavelengths of the visible (< 1 dB/km) and the ultraviolet (< 50 dB/km) found in good agreement with simulations. In parallel, a second process called opto-thermal began, making it possible for the first time to obtain a non-stochastic roughness profile, a result which constitutes a strong perspective of my work. Finally, developments to extend these analyzes to the propagation axis (2D+1 and 3D simulations) have begun. To conclude, all of this work has contributed to the realization of a new generation of hollow-core fibers which could ultimately meet the challenges of both the still inaccessible ultraviolet domain and applications with a strong societal impact such as the optical telecommunications of tomorrow.