université de montréal fabrication et applications des réseaux de

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
FABRICATION ET APPLICATIONS DES RÉSEAUX DE BRAGG ULTRA-LONGS
MATHIEU GAGNÉ
DÉPARTEMENT DE GÉNIE PHYSIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
THÈSE PRÉSENTÉE EN VUE DE L’OBTENTION
DU DIPLÔME DE PHILOSOPHIAE DOCTOR
(GÉNIE PHYSIQUE)
JUILLET 2015
© Mathieu Gagné, 2015.

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UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
Cette thèse intitulée:
FABRICATION ET APPLICATIONS DES RÉSEAUX DE BRAGG ULTRA-LONGS
présentée par : GAGNÉ Mathieu
en vue de l’obtention du diplôme de : Philosophiae doctor
a été dûment acceptée par le jury d’examen constitué de :
Mme SANTATO Clara, Doctorat, présidente
M. KASHYAP Raman, Ph. D., membre et directeur de recherche
M. PETER Yves-Alain, Doctorat, membre
M. PICHÉ Michel, Ph. D., membre externe

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REMERCIEMENTS
Je tiens d’abord à remercier mon directeur de recherche, le Professeur Raman Kashyap, qui m’a
guidé à travers la réalisation de ce projet de doctorat ainsi que de mon projet de maîtrise et sans
qui rien de tout cela n’eût été possible. Merci pour les nombreuses idées originales, les conseils et
l’optimisme constant m’ont été d’une aide précieuse dans la réalisation de ce projet.
Merci aussi à mes collègues Jérôme Lapointe, Elton Suares de Lima, Sébastien Loranger, Victor
Lambin Iezzi, Mohammad Diaad, Mamoun Wahbeh and Meenu Alhawat qui m’ont accompagné
au cours des années et avec qui j’ai eu de nombreuses discussions qui ont contribué à l’évolution
du projet.
Je tiens aussi à remercier le Conseil de Recherches en Sciences Naturelles et en génie du Canada
(CRSNG) pour leur appui financier à mes études à travers le programme de bourses Alexander
Graham Bell.
Finalement, merci à Emmanuelle Labrie pour l’encouragement quotidien à me surpasser.

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RÉSUMÉ
Cette thèse présente les principales réalisations accomplies dans le cadre du projet de doctorat.
Cette soumission par articles présente quatre publications effectuées au cours du projet de
recherche ayant comme thème central les réseaux de Bragg.
Réalisée pour la première fois en 1978, l’écriture par laser ultra-violet (UV) de réseaux de Bragg
à fibre est de nos jours une technique mature et répandue autant en industrie qu’en milieu
académique. Leur propriété de réfléchir la lumière se propageant au travers des fibres optiques a
mené à diverses applications en télécommunications, en lasers, ainsi qu’en divers capteurs de
température, force, pression et indice de réfraction. La technique établie de fabrication se base
généralement sur l’utilisation d’un masque de phase, élément relativement coûteux dont les
caractéristiques se répercuteront sur le réseau de Bragg obtenu lors de son balayage par rayon
UV. La fibre optique étant photosensible à ces longueurs d’onde, un motif périodique (le réseau
de Bragg) peut y être « écrit ». La longueur maximale, la période, sa variation à travers le réseau
(le chirp), le contraste d’indice et l’apodisation sont tous des caractéristiques qui pourront
dépendre du masque de phase utilisé.
Le premier objectif du projet de recherche est d’arriver à passer outre cette forte dépendance aux
caractéristiques du masque de phase dans l’écriture des réseaux de Bragg sans faire de
compromis sur la qualité des composants obtenus. Ce dernier aspect est ce qui démarque
particulièrement les techniques présentées par cette thèse des autres techniques présentées dans la
littérature. La démarche fondamentale pour obtenir des réseaux ultra-longs de profils arbitraires
consiste à substituer l’approche de balayer le laser UV à travers le masque de phase par une
approche où le faisceau est fixe et où la fibre se déplace au travers du faisceau. Pour obtenir un
motif périodique, les franges d’interférence elles-mêmes qui doivent se déplacer en tandem avec
la fibre. Pour ce faire, deux techniques sont utilisées : une ayant recours à des modulateurs de
phase électro-optiques placés dans chaque bras d’un interféromètre Talbot et l’autre utilisant un
masque de phase monté sur actionneur piézoélectrique. Une nouvelle approche utilisant un
déplacement fin de l’interféromètre est démontré pour la première fois comme étant essentielle à
l’obtention de réseaux de Bragg ultra-longs de haute qualité. Des réseaux de Bragg ultra-longs
(jusqu’à 1 mètre) de haute qualité (i.e. dont le spectre de transmission correspond aux prédictions
théoriques) sont obtenus pour la première fois.

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La possibilité d’obtenir des réseaux de Bragg ultra-longs, i.e. d’une longueur supérieur à 10 cm
(environ la longueur maximale d’un masque de phase), de haute qualité ouvre la porte à une vaste
gamme d’applications autrement impossibles avec la technologie de réseaux de Bragg courts. Les
réseaux de Bragg ultra-longs offrent des caractéristiques uniques telles qu’en autres : une très
haute réflectivité, une dispersion élevée sur mesure ainsi qu’une très faible largeur de bande. Ces
caractéristiques peuvent par exemple être utilisées pour faire du traitement de signal avancé, pour
des applications de propagation non-linéaire, pour obtenir des lasers à fibre à rétroaction répartie
et des compensateurs de dispersion pour les télécommunications ou pour des applications en
tomographie optique.
Le second objectif du projet est l’utilisation des réseaux de Bragg ultra-longs obtenus comme
cavité de lasers à fibre. Beaucoup de recherches ont été effectuées au cours des dernières années
sur ces lasers, particulièrement sur les lasers à rétroaction répartie qui confondent le milieu de
gain avec le réseau de Bragg. Une nouvelle approche de laser aléatoire à fibre est présentée.
Celle-ci se base sur l’insertion passive ou active de sauts de phase tout au long du réseau de
Bragg afin d’obtenir un phénomène appelé localisation de la lumière qui est l’équivalent optique
de la localisation d’Anderson. Ce phénomène ondulatoire complexe a la propriété unique de
rendre analogue à la réflexion d’un cristal photonique uniforme la diffusion aléatoire de la
lumière parmi les différents éléments d’un milieu désordonné. Étant communément réalisé à
l’intérieur de poudres fines dont les propriétés doivent respecter certaines contraintes, sa
réalisation unidimensionnelle est grandement simplifiée au long d’une fibre optique. Deux lasers
aléatoires à fibre ayant recours à la localisation de la lumière, l’un basé sur une fibre dopée à
l’erbium et l’autre la diffusion Raman, sont démontrés pour la première fois et comparés à des
lasers à rétroaction répartie traditionnels.