Ondes scélérates optiques

Effets non linéaires
Me3.0
ONDES SCELERATES OPTIQUES
Kamal Hammani1, Christophe Finot1, Stéphane Pitois1, John M. Dudley2 et Guy Millot1
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Institut Carnot Bourgogne, UMR 5209 CNRS-Université de Bourgogne, Dijon
Institut FEMTO-ST, UMR 6174 CNRS-Université de Franche-Comté, Besançon
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RESUME
Nous montrons que les systèmes fibrés présentent des caractéristiques remarquables
pour la génération et le contrôle d'impulsions rares et intenses similaires aux vagues
scélérates océaniques. En particulier, l'amplificateur Raman faiblement dispersif
pompé par une onde incohérente a permis de mettre en évidence l'apparition d'ondes
scélérates optiques. Un bon accord théorie - expérience est observé.
MOTS-CLEFS : Ondes scélérates ; amplification Raman ; optique incohérente.
1. INTRODUCTION
Les phénomènes extrêmes ont un impact si fort sur la société que de nombreux chercheurs les
étudient dans des domaines aussi variés que la géophysique, la biologie, la science du climat ou
bien encore l'économie. En hydrodynamique, un exemple saisissant est connu sous le nom de vague
scélérate : cet événement dont la rareté n’a d’égal que la violence, peut anéantir des navires ou des
plateformes pétrolières. Les scientifiques aimeraient donc bien comprendre les mécanismes de
formation de ces phénomènes extrêmes et rares, et surtout prédire leur apparition.
La nature intrinsèquement rare de ces ondes océaniques complique foncièrement leur étude,
limitant radicalement les occasions naturelles d’observation. Il est donc du plus grand intérêt de
disposer d’un système de laboratoire pouvant reproduire des comportements statistiques similaires
mais à une échelle de temps beaucoup plus brève.
C’est dans ce contexte qu’il a été proposé de mettre à profit l’analogie existant entre les
mondes de l’hydrodynamique et de l’optique. La fibre optique constitue alors un milieu de
propagation idéal capable de simuler l’interaction complexe entre les effets dispersifs et nonlinéaires. Ainsi, les années 80 avaient déjà jeté un pont entre ces deux mondes en démontrant la
propagation d’un soliton, analogue optique du mascaret hydrodynamique.
Nous rappellerons tout d’abord dans cette contribution les travaux récents menés dans le
cadre de la génération de supercontinuums optiques avant de décrire un nouveau système fibré
permettant d’observer des statistiques optiques extrêmes : un amplificateur Raman.
2. GENERATION DANS UN SYSTEME SUPERCONTINUUM
La génération de supercontinuum optique est un sujet qui a stimulé de nombreuses
recherches, aussi bien théoriques qu’appliquées. L’utilisation de fibres microstructurées a contribué
à améliorer significativement les performances, permettant l’injection d’impulsions intenses à une
longueur d’onde voisine du zéro de dispersion. La combinaison entre non-linéarité exacerbée et
dispersion anormale est alors propice à l’obtention de spectres s’étalant sur plus d’une décade. La
fission des impulsions initiales couplée à des effets d’instabilité et à l’auto-décalage fréquentiel
Raman sont parmi les mécanismes à l’origine d’un tel élargissement spectral.
Dans ce contexte, il a été montré que toute fluctuation initiale peut se retrouver
considérablement amplifiée et provoquer l’apparition d’évènements extrêmes. L’équivalent
hydrodynamique de l’instabitilité modulationnelle étant l’instabilité de Benjamin-Feir, il est donc
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possible d’établir un lien avec les vagues scélérates, d’où l’appellation d’ondes scélérates optiques.
Les statistiques enregistrées expérimentalement, appuyées par des études numériques ont confirmé
l’existence de structures lumineuses intenses ayant une probabilité d’apparition extrêmement faible
[1-3]. Il a été également proposé d’isoler ces impulsions par un filtrage adéquat aux hautes
longueurs d’ondes.
3. GENERATION DANS UN AMPLIFICATEUR RAMAN A FIBRE
Si l’étude dans un système supercontinuum en régime anormal est un succès, il reste essentiel
d’élargir ces travaux à d’autres systèmes optiques afin de mieux déterminer l’origine des ces
comportements et de montrer leur universalité. Nous avons donc mené à bien la première étude,
non-basée sur la génération d’un supercontinuum, utilisant l’amplification Raman à partir d’une
pompe partiellement cohérente [4,5]. Nous avons alors pu observer l’émergence de structures rares
et puissantes en utilisant exclusivement du matériel usuel adapté aux télécommunications optiques.
Une partie de notre étude est illustrée Fig. 1a. Des impulsions picosecondes générées par un
laser modelocké sont amplifiées dans une fibre hautement non-linéaire. Le pompage Raman est
basé sur un laser Raman générant une onde continue partiellement cohérente. En sortie de
l’amplificateur, nous pouvons observer sur le diagramme de l’œil de très larges fluctuations de la
puissance crête des impulsions. La distribution de probabilité correspondante (Fig. 1b) est assez
bien reproduite par un ajustement exponentiel en échelle semi-log ce qui en échelle log-log nous
donnerait une droite typique des processus à valeurs extrêmes.
FIG. 1 :
(a) Montage expérimental et diagrammes de l’œil de l’impulsion à l’entrée et en sortie.
(b) Probabilité des puissances crêtes (ligne continu) avec ajustement exponentiel (pointillés).
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Nous avons pu clairement identifier l’origine de ces ondes scélérates Raman comme étant le
transfert exponentiel des fluctuations d’intensité de la pompe vers le signal amplifié. Ce transfert est
exacerbé par le pompage copropagatif utilisé et la faible dispersion des vitesses de groupe de la
fibre. Nos résultats expérimentaux sont reproduits numériquement à partir d’un système d’équations
de Schrödinger non-linéaires couplées.
CONCLUSION
Nous montrons que les fibres optiques constituent un banc d’essais formidable pour la
compréhension des mécanismes qui régissent les vagues scélérates. Nous avons mis en évidence
expérimentalement l’apparition d’évènements optiques extrêmes de type « onde scélérate » dans un
amplificateur Raman à fibre à dispersion normale. Nous avons pu vérifier que leur distribution de
probabilité est caractéristique des phénomènes extrêmes. L’étude temporelle a été complétée par
une analyse spectrale, le tout confirmé par des résultats numériques. Ainsi ces avancées théoriques
et expérimentales nous permettent d’espérer une meilleure compréhension et un meilleur contrôle
des phénomènes scélérats. L’optique, où les expériences sont plus faciles à réaliser, permettra
d’apprendre beaucoup plus sur ces phénomènes rares dans des domaines où les expériences de
laboratoires sont plus difficiles à mettre en oeuvre.
REFERENCES
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
D.R. Solli, et al., Nature, 2007, vol 450, p. 1054.
J.M. Dudley, et al., Opt. Express, 2008, vol 16, p. 3644-3651.
A. Mussot, et al. in Journées Nationales d'Optique Guidée (JNOG). 2008.
K. Hammani, et al. in Journées Nationales d'Optique Guidée (JNOG). 2008.
K. Hammani, et al., Opt. Express, 2008.
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