optique - Femto-ST

FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
LES ACTIVITES EN
«OPTIQUE»
Introduction
Ce livret comportant 20 fiches résume les
activités de recherche en Optique et
Photonique menées entre 2003 et 2006 au
sein des quatre équipes du Département
d’Optique P.M. Duffieux:
Equipe Nanométrologie et Microsystèmes
pour les Sciences du Vivant (NMSV) :
OP1. Mesure
de
position
subpixel
applications aux sciences du vivant
OP2. Microsystèmes pour la Fécondation In
Vitro
OP3. Bio-Lab on chip pour la détection de
gaz ou d’odeurs : le Bio-nez
OP4. Sonde optique pour la détection des
allergènes
OP5. Applications des continua de lumière
blanche en biologie : microscopie de
fluorescence et spectroscopie de
temps de vol
OP6. Spectro-tomographie
optique
de
cohérence :
développement
d’une
sonde optique miniaturisée pour le
diagnostic des lésions cutanées en
temps réel
Equipe Nano-Optique et Champ Proche
(NOCP) :
OP7. Etude de l’émission, de la détection et
de l’effet de pointe (linéaire + non
linéaire) obtenus avec une sonde
champ proche
OP8. Nano-émetteurs/collecteurs pour la
nano-optique
OP9. Nanostructures métalliques
OP10. Cristaux photoniques en niobate de
lithium
OP11. Fabrication et instrumentation pour la
nano-photonique
Equipe Optique Non Linéaire (ONL) :
OP12. Imagerie non linéaire et quantique
OP13. Solitons spatiaux et guides photoinduits
OP14. Amplification paramétrique sur fibre
optique pour les télécommunications à
haut débit
OP15. Sources laser à fibre de nouvelle
génération
Equipe Optoélectronique (OPTO) :
OP16. Composants photoniques
OP17. Dynamiques non linéaires
OP18. Optique ultrarapide
OP19. Cryptage par Chaos
OP20. Cryptage Quantique
Nous avons choisi, au niveau de FEMTO-ST,
d’organiser les différents livrets de manière à
permettre au lecteur de se forger une opinion
sur
la
composition
et
la
cohérence
scientifique
des
futurs
départements
souhaités pour la période quadriennale 20082011 (cf. le chapitre Prospective de FEMTOST dans le document de synthèse). Compte
tenu de ce choix, il convient de rajouter 3
fiches supplémentaires au bilan d’activités de
l’Equipe Nano-Optique et Champ Proche. Ces
fiches correspondent aux travaux menés en
micro-optique et en microsystèmes MOEMS :
MN3. Microcapteurs
opto-mécaniques
résonnants pour la métrologie in situ
de Microsystèmes
MN4. Métrologie hors plan des MEMS par
interférométrie de Twyman Green
MN5. Système de détection basée sur la
réinjection optique dans une cavité
VCSEL pour la microscopie à sonde
locale
La poursuite de ces activités étant en
cohérence et en synergie avec la charpente
pluridisciplinaire du Département Micro Nano
Sciences et Systèmes dont la création est
proposée, ces trois fiches sont donc
répertoriées au sein du livret préfigurant ce
futur Département.
Enfin, dans chaque fiche, la production
scientifique principale est référencée selon la
liste 2002-2005 donnée dans le bilan
quantitatif, ou fait état de quelques
publications
plus
récentes
ou
particulièrement significatives.
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
OP12 – Imagerie non linéaire et
quantique (dép. Optique, ONL)
Résumé
Objectif du projet :
Ce projet repose sur notre important savoirfaire en matière d’imagerie non linéaire, basé
sur notre maîtrise des aspects transverses
spatiaux et des caractéristiques spatiotemporelles
dans
les
interactions
paramétriques (amplification, conversions de
fréquence) sur cristaux quadratiques en
régime impulsionnel bref (ps à sub-ps).
L’objectif principal est d’appréhender les
caractéristiques liées au bruit spatial dans les
images,
particulièrement
au
niveau
quantique, et de démontrer des propriétés
spécifiquement
quantiques
dans
l’amplification ou la corrélation d’images ou
de structures spatiales transverses, afin d’en
tirer avantage dans les problèmes d’imagerie
à très faibles niveaux de flux.
Personnes impliquées :
Eric Lantz (PR, 50%), F. Devaux (PR, 80%),
A. Mosset (DOC, 100%), S. Brustlein (DOC,
100%), R. Passier (DOC, 50%)
Collaborations :
ENS Paris, Univ. Côme Italie, Univ. Boston USA,
Soutiens financiers :
STREP Européen FET-OPEN IST QUANTIM
ANR PNANO IRCOQ
BQR Université de Franche-Comté
Description des travaux et
résultats obtenus
Etude de la distribution statistique des
fluctuations spatiales de la fluorescence
paramétrique :
Cette étude vise à caractériser la distribution
statistique
des
photons
générés
par
conversion paramétrique basse spontanée,
encore appelée fluorescence paramétrique et
source de bruit dans les images amplifiées. Si
le résultat théorique est bien connu : une
distribution de Bose-Einstein caractéristique
d'un rayonnement de nature thermique, sa
caractérisation directe sur une image par
étude des fluctuations spatiales est un
résultat
nouveau.
Pour
obtenir
un
rayonnement comportant un seul mode
temporel, nous avons utilisé des impulsions
de durée inférieure à la picoseconde et un
filtre chromatique étroit. On obtient alors une
image comme sur la figure 1, avec un
contraste très proche de l'unité.
Fig.1 : Image
expérimentale
de la fluorescence
paramétrique
Pour comparer la distribution des pixels (à
l'intérieur du cercle de la figure 1) avec la
théorie, il est nécessaire de prendre en
compte la surface de ses pixels qui, bien que
très inférieure à la taille de la cellule de
résolution, n'est pas négligeable devant celle
ci, d'où un certain effet de moyennage. De
plus, la dispersion du cristal entraîne un
décalage entrée-sortie entre les impulsions
pompe et signal de fluorescence. Ce décalage
entraîne un allongement de l'impulsion de
fluorescence, d'autant plus important que le
gain est faible. Nous avons utilisé nos
programmes de simulation spatio-temporelle
pour caractériser la perte de contraste due à
cet allongement. En prenant en compte ces
deux
effets et le bruit de lecture de la
caméra CCD, on obtient un excellent accord
entre la distribution expérimentale et la
courbe théorique de Bose-Einstein (figure 2).
Fig. 2 :
histogramme
des pixels et
courbe
théorique
(pointillés)
On voit aussi sur la figure 1 une très forte
corrélation entre fluctuations opposées, de
part et d'autre du centre. Cette corrélation
est due à l'intrication des paires de photons
jumeaux signal-idler, et devrait se traduire
par une statistique sous-poissonienne sur la
différence signal-idler.
Méthode
des
fonctions
de
Green
appliquée
à
la
fluorescence
paramétrique :
Sur le plan théorique et de la simulation
numérique, nous avons mis au point en
collaboration avec le Laboratoire Kastler
Brossel (ENS Paris) une méthode, dite des
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
fonctions de Green, nous permettant de
calculer toutes les grandeurs statistiques
caractérisant la fluorescence paramétrique, y
compris les corrélations non classiques. Nous
avons comparé, avec l'aide de l'Université de
Côme, ces résultats à ceux obtenus à l'aide
d'une méthode stochastique reposant sur les
propriétés de la distribution de Wigner. Les
deux
méthodes
donnent
les
mêmes
résultats, dans la limite de la moyenne d'un
très grand nombre de réalisations pour la
méthode stochastique. La figure montre la
fonction de corrélation d'un pixel avec
l'image. On voit clairement que la corrélation
signal-idler est supérieure à la corrélation
signal-signal, ce qui caractérise le régime
spécifiquement quantique. On peut aussi
remarquer l'allongement dans la direction
verticale de la fonction de corrélation, dû au
fait que le faisceau pompe utilisé pour
générer la fluorescence dans les simulations
était fortement allongé dans le sens
horizontal, d'où une forte diffraction verticale
dans le plan de Fourier. Cet exemple montre
que la méthode permet de reproduire des
conditions expérimentales non idéales et
sans symétrie particulière, ce qui permet une
réelle comparaison simulation-expérience.
Covariance entre les fluctuations d'intensités mesurées
sur le pixel(x=22,y=18) et tous les autres pixels.
Gauche : méthode des fonctions de Green.
Droite : moyenne stochastique de 10000 tirs.
Démonstration
expérimentale
de
l'amplification
d'images
sans
bruit
spatial :
Le caractère sans bruit de l'amplification
paramétrique sensible à la phase a été
formalisé théoriquement tant pour les
aspects temporels que spatiaux de la lumière
et expérimentalement démontré du point de
vue temporel. Les résultats présentés
constituent
la
première
démonstration
expérimentale de l'amplification paramétrique
optique (OPA) sans bruit, où le bruit
considéré porte sur les fluctuations purement
spatiales dans une image unique. Cette
démonstration est établie à partir de la
distribution spatiale du nombre des photons
détectés sur un ensemble de pixels d'une
caméra CCD. Une image faible, limitée par le
bruit de photons dans son plan transverse,
est formée par l'illumination d'une mire avec
une onde plane impulsionnelle (∆t=1.2 ps
@527.50 nm). Ce signal est amplifié par une
onde pompe (∆t=0.9 ps @263.75 nm) dans
un cristal de BBO de type I taillé pour un
accord
de
phase
colinéaire
à
la
dégénérescence.
L'image
amplifiée
est
enregistrée sur une caméra CCD à haut
rendement quantique et faible bruit de
lecture.
Les deux configurations d'amplification,
sensible (PSA) et insensible (PIA) à la phase
sont étudiées. Le schéma PIA est réalisé avec
une interaction non-colinéaire et un filtrage
spatial du signal amplifié tandis que le
schéma PSA correspond à une interaction
complètement dégénérée. La figure de bruit
après détection est définie comme le rapport
entre le rapport signal sur bruit initial mesuré
sur des images non amplifiées et le rapport
signal sur bruit mesuré après amplification.
Les statistiques sont établies à partir des
fluctuations des photo-électrons mesurées
sur tous les pixels de la zone considérée.
Figure de bruit sensible à la phase
Figure de bruit insensible à la phase
La figure de bruit après détection est
pleinement caractérisée lorsque la surface de
la cellule de détection est supérieure ou égale
à celle de la cellule de résolution de l'OPA.
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
Cette dernière est déterminée par les
conditions expérimentales (grandissement,
largeur du spectre spatial de l'OPA, filtre
spatial), amenant à regrouper les pixels. La
valeur théorique de la figure de bruit dépend
du gain d'amplification et du rendement
quantique de la détection. Pour les deux
schémas
d'amplification,
les
valeurs
expérimentales sont en bon accord avec les
courbes théoriques respectives. Dans le cas
sensible à la phase, la figure de bruit après
détection tend vers le rendement quantique
du système pour un fort gain et une taille de
pixel
suffisante.
Ceci
signifie
que
l'amplification d'images peut supprimer la
dégradation du rapport signal sur bruit dû au
mauvais rendement quantique du détecteur.
Ce résultat, mis en exergue par la revue
Nature, constitue un des résultats
marquants du consortium du contrat
QUANTIM (9 laboratoires en Europe, Russie,
USA).
Amplification paramétrique d’images de
très faibles niveaux :
L'amplification paramétrique d'un signal ou
d'une image est toujours accompagnée de
l'amplification du bruit quantique (i.e. la
fluorescence paramétrique) avec un taux
moyen qui correspond, pour des gains
élevés, à un bruit d'entrée d'un photon par
mode spatio-temporel. C'est pourquoi il
semble difficile d'amplifier une image
comportant moins d'un photon par mode.
Cependant, nous avons montré qu'une image
issue d'un signal de fluorescence pouvait être
retrouvée avec un bon contraste après
amplification paramétrique même si le niveau
de cette image d'entrée est inférieur au
photon par mode. En effet si l'écart type du
bruit
introduit
par
la
fluorescence
paramétrique est inférieur au niveau moyen
du signal de fluorescence amplifié, alors, par
soustraction du niveau moyen du bruit, il est
possible de retrouver l’information utile dans
l’image avec un bon rapport signal sur bruit.
La fluorescence paramétrique est un bruit qui
obéit à une statistique thermique d’un point
de vue spatial, c'est-à-dire que l’écart type
NG , ou G est le gain
s’exprime comme
d’amplification et N le nombre de modes
temporels
détectés.
Pour
un
signal
présentant un nombre m de photon par mode
à l’entrée de l’amplificateur, ce signal amplifié
peut être extrait du bruit à la condition que
NmG > NG , soit m >
1
. Cela signifie
N
que le plus petit signal détectable en termes
de photons par mode décroît avec le nombre
de modes temporels détectés. Ce nombre N
dépend de la largeur des filtres interférentiels
utilisés pour la détection et du nombre de tirs
laser cumulés. Les figures 1 illustrent ce
résultat. La figure 1a correspond à l’image
d’un signal de fluorescence amplifié. Ce
signal est noyé dans le bruit apporté par
l’amplificateur. La figure 1b présente une
image du bruit seul. Enfin la soustraction
entre les images du signal bruité et du bruit
seul permet de retrouver l’information
spatiale portée par le signal de fluorescence
(figure 1c). D’autre part une comparaison
directe entre les niveaux de gris dans les
images 1c et 1b nous permet une mesure
directe du nombre moyen de photon par
mode
spatio-temporel
à
l’entrée
du
l’amplificateur. Pour l’image 1c, on mesure
m=0,15. comme N dépend du nombre de tirs
cumulés, la détection d'images avec 10-2
photon par mode peut être envisagée,
conduisant à la possibilité d'amplifier une
image de radiation de corps noir dans le
domaine optique.
Fig. 1a :Image
amplifiée et bruitée
d’un signal faible de
fluorescence.
Fig. 1b :Image du
bruit seul
(fluorescence
paramétrique).
Fig. 1c :Restitution
du signal image
après soustraction de
la fluorescence
paramétrique.
Amplification paramétrique sensible à la
phase de vortex optiques :
Nous présentons les premiers résultats
expérimentaux
de
l’amplification
paramétrique de vortex optiques dans une
configuration de gain sensible à la phase. Un
vortex optique est un type de faisceau
annulaire présentant la particularité d’avoir
une phase dans son plan transverse qui varie
de 0 à 2mπ en fonction de l’azimut θ. En
outre, chaque photon possède un moment
orbital. Ce moment orbital peut alors être
communiqué à des particules ce qui rend ces
faisceaux particulièrement intéressants pour
la manipulation de particules. Par ailleurs
l’utilisation de ce type de faisceau dans des
interactions non linéaires ouvre de nouvelles
perspectives.
Nous avons étudié, pour commencer, le
comportement de ce type de faisceau dans
une interaction quadratique d’amplification
paramétrique
dans
une
configuration
complètement dégénérée. Dans ce cas, le
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
gain d’amplification devient sensible à la
phase relative entre le vortex optique et le
faisceau pompe. Compte tenu du front
d’onde particulier du vortex cela conduit à
une amplification ou désamplification
du
signal et produit une structuration du vortex
amplifié
caractéristique
des
conditions
expérimentales.
Les
figures
ci-dessous
illustrent ces résultats pour différentes
valeurs du moment orbital porté par le
vortex optique et pour un accord de phase
colinéaire.
En perspective de ces travaux, nous allons
exploiter la structuration spatiale de ces
vortex afin de mettre en évidence l’existence
de corrélations spatiales sub-poissoniennes
dans un faisceau amplifié paramétriquement.
Production scientifique
7 publications dans des revues à comité de
lecture (O6, O37, O54, O83, O90, O121,
O160), 4 conférences invitées (O175, O182,
O184, O196) 5 actes de congrès, 1 autre
conférence, dont : O213, O222, O236, O267.
Publication significative :
Mosset A., Devaux F., Lantz E.,”Spatially noiseless
optical amplification of images”, Physical Review
Letters, 94, pp. 223603-4 (2005)
Ce résultat marquant a été souligné dans un
article « Crystal-clear images » dans la rubrique
"News and Views" du journal Nature n° 436,
p.472, Juillet 2005
OP13 – Solitons spatiaux et
guides photo-induits (dép.
Optique, ONL)
Résumé
Objectif du projet :
La réalisation de dispositifs purement
optiques dans lesquels la lumière est utilisée
pour guider et manipuler la lumière sans
avoir recours à la fabrication de guide
d'ondes fait l’objet d’intenses activités au
sein de la communauté internationale en
optique non linéaire. L’autocréation de tels
guides,
reconfigurables,
repose
sur
l'utilisation
du
concept
de
lumière
autoguidée, un principe essentiellement basé
sur la propagation de solitons spatiaux. Ces
faisceaux optiques résistent à la diffraction en
permettant une propagation invariante et
peuvent être ainsi considérés comme des
canaux porteurs d’information. Nos activités
liées à ce thème de recherche se scindent en
deux axes. Le premier, basé principalement
sur les solitons Kerr, s’attache à mettre en
évidence
de
nouveaux
concepts
fondamentaux de commutation, addition,
multiplexage et nettoyage de faisceaux
optiques alors que le second, qui s’appuie sur
les solitons photoréfractifs, a pour but
d’exploiter les guides photo-induits pour des
applications en optique intégrée 3-D.
Personnes impliquées :
M. Chauvet (MC, 80%), G. Fanjoux (MC,
100%), Eric Lantz (PR, 25%), F. Devaux (PR,
20%), T. Sylvestre (CR, 30%), H. Maillotte
(DR, 25%), V. Coda (DOC, 100%), M. Delqué
(DOC, 100%), R. Passier (DOC, 50%), F.
Pettazzi (DOC, 50%), C. Cambournac (DOC,
100%), G. Couton (DOC, 100%)
Collaborations :
LMOPS Metz, ENS Paris, POMA Angers, Univ.
« La Sapienza » Rome, ULB Bruxelles, Univ.
Mohammedia Maroc, Univ. Arkansas USA
Soutiens financiers :
STREP Européen FET-OPEN IST QUANTIM,
ACI Nanosciences COBIAN, Programme de
coopération internationale CNRS/DRI-NSF
(USA), Région Franche-Comté (2006).
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
Description des travaux et
résultats obtenus
Solitons spatiaux Kerr :
Nos travaux théoriques et expérimentaux, à
caractère
fondamental,
ont
pour
but
d’explorer de nouvelles instabilités en
dynamique non linéaire et d’améliorer ainsi
les connaissances sur la propagation non
linéaire de la lumière. Ces études se
décomposent en trois parties :
(A) La prise en compte du caractère vectoriel
de la lumière en propagation non linéaire,
qui nous a permis de démontrer
l’existence
de
nouvelles
structures
solitons et de nouvelles instabilités avec
des dynamiques riches, inaccessibles aux
solitons scalaires.
(B) L’impact
de
la
cohérence
spatiotemporelle et des corrélations de bruit sur
la stabilité des solitons et réseaux de
solitons spatiaux, générés par instabilité
de modulation.
(C) La recherche des limites de la génération
soliton dans les semi-conducteurs en
présence d’absorptions non linéaires.
(A)
Les solitons vectoriels diffèrent des
solitons scalaires par leur nature multicomposantes
(plusieurs
fréquences,
polarisations, ou modes) qui interagissent
entre elles et se guident mutuellement dans
le milieu non linéaire pour former une
solution stationnaire. La dynamique riche de
ces solitons composites est généralement
décrite par un système d’équations non
linéaires de Schrödinger (NLSE), couplées
soit de façon incohérente (modulation de
phase croisée, XPM), soit cohérente (mélange
à quatre ondes, FWM, ou diffusion Raman
stimulée SRS). Trois pistes ont été explorées
au sein de notre équipe concernant ces
solitons vectoriels.
Premièrement, nous avons étudié la stabilité
des états liés de solitons (ELS) spatiaux
vectoriels multimodes. Ces solitons se
composent d’une superposition d’enveloppes
à plusieurs lobes, de polarisations distinctes,
mutuellement piégées par XPM, permettant
d'atteindre un équilibre des interactions entre
les différents solitons élémentaires (lobes).
Nous avons démontré expérimentalement,
pour la première fois à notre connaissance,
l’existence de ces états liés vectoriels. De
plus, sous certaines conditions, nous avons
découvert qu’ils peuvent être sujets à une
nouvelle instabilité, de type brisure de
symétrie,
phénomène
suggérant
une
application directe à la commutation spatiale
sans seuil de puissance.
La figure 1 illustre cette instabilité pour un
état-lié de trois solitons. Son déclenchement
provient d’une très faible perturbation
asymétrique initialement présente dans le
faisceau incident, qui s’amplifie au cours de la
propagation. Pouvant s’amorcer à partir du
bruit,
la
nature
de
la
brisure
est
généralement aléatoire.
Figure 1 : Simulations numériques illustrant la
propagation d'un état-lié de 3 solitons et l’instabilité
de brisure de symétrie.
Nous avons alors étudié les propriétés
quantiques de ces solitons vectoriels et
notamment leur distance maximale de
propagation stable. Lorsque la limite est le
bruit quantique, les simulations montrent que
les solitons multimodes peuvent se propager
sur plus de 70 longueurs de diffraction avant
de se briser. Nous avons aussi montré la
compression du bruit quantique dans un
soliton bimodal vectoriel, liée à de fortes
anti-corrélations entre les deux composantes
du soliton.
Nous explorons actuellement deux méthodes
originales pour induire et contrôler cette
instabilité. La première consiste à perturber
l’état lié avant que la brisure spontanée n’ait
lieu (collision de l’état lié avec un soliton
secondaire), la seconde consiste à induire la
brisure par une perturbation contrôlée et
connue (asymétrie de départ dans les
profils). Après brisure de symétrie d’un état
lié de solitons, l’énergie reste confinée dans
un seul mode stationnaire et forme ce que
l’on appelle un soliton elliptique fondamental.
Ce soliton se caractérise par une rotation de
polarisation et une courbure d’ellipticité au
cours de la propagation. A l’aide d’un
système de mesure de l’état de polarisation,
nous
avons
mesuré
précisément
les
caractéristiques spécifiques de ce soliton.
Cette étude se poursuit actuellement sur la
caractérisation complète du soliton elliptique
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
en analysant l’évolution des paramètres de
Stokes sur la sphère de Poincaré, afin de
comprendre la dynamique spatio-temporelle
de polarisation.
Une seconde étude récente porte sur la
propagation de solitons spatiaux vectoriels
multicolores (SSM) en milieu Kerr générés
par diffusion Raman stimulée. Le but de ce
travail est de montrer que l’on peut générer
des SSM par cascade Raman lors de la
propagation
d’un
faisceau
initialement
monochromatique. L’étude numérique a
montré que le guidage mutuel des différentes
composantes spectrales générées par SRS
est atteint en régime de forte conversion
Raman, grâce à la XPM et au processus FWM
dont l’accord de phase est induit par le
déséquilibre
de
puissance
entre
les
composantes Raman Stokes et anti-Stokes.
Nous
avons
par
ailleurs
montré
expérimentalement l’existence de telles
entités
jusqu’à
quatre
composantes
spectrales. La grande originalité de ce
nouveau type de soliton réside dans le fait
que le nombre des composantes formant le
soliton, ainsi que leurs énergies respectives,
évoluent continuellement au cours de la
propagation, mais que l’entité globale
conserve une propagation solitonique.
En parallèle, nous avons poursuivi nos
recherches sur les réseaux de solitons
générés par instabilité de modulation (MI),
plus précisément, sur l’existence et la
stabilité des réseaux de solitons spatiaux en
régime partiellement cohérent. Notre but est
de déterminer le rôle de la cohérence spatiotemporelle, en comparant en particulier le
comportement des réseaux lorsque leur
génération démarre sur un faisceau laser
homogène (naturellement affecté d’un bruit
spatial déterministe, corrélé d’un tir à l’autre)
ou à partir d’un bruit réellement aléatoire
spatialement
et
temporellement.
Les
simulations spatio-temporelles que nous
avons développées prévoient l’existence d’un
degré de cohérence spatiale minimum pour
que l’instabilité de modulation s’établisse.
D’autre part, la stabilité des réseaux est
fonction de la cohérence temporelle pour un
temps de relaxation de l’effet Kerr donné.
Nos résultats expérimentaux en régime
picoseconde dans un guide plan de CS2
corroborent ces comportements (figure 2).
Nous montrons cependant qu’il n’est pas
possible de déstabiliser complètement un
réseau,
car
même
un
bruit
spatial
déterministe (ou une modulation) beaucoup
(B)
plus faible que le niveau des fluctuations
spatio-temporelles aléatoires est capable
d’imposer sa « régularité », par corrélation
temporelle le long de l’impulsion, et donc une
position spatiale transverse moyenne fixe du
réseau de solitons.
Figure 2 : Réseau de solitons sortant du guide
plan Kerr (a) en lumière cohérente, (b) en
lumière partiellement cohérente.
(C)
Parallèlement
à
ces
études
fondamentales effectuées dans du CS2, nous
avons exploré les limites de formation des
solitons spatiaux Kerr dans des guides plans
semi-conducteurs AlGaAs dans la plage
spectrale des télécommunications optiques.
Ces limites sont fonction de la durée
d’impulsion, de sa longueur d’onde, de
l’énergie injectée, et résultent des actions
combinées de la dispersion chromatique, de
l’effet Kerr et de la dispersion des absorptions
non linéaires à 2 et 3 photons. Nos résultats
théoriques et expérimentaux montrent qu’un
soliton scalaire fondamental peut se propager
sur plus de 17 longueurs de diffraction
lorsqu’il est à la longueur d’onde moitié du
gap
du
matériau,
définie
par
la
stoechiométrie du guide. En dehors de cette
situation, les processus d’absorptions non
linéaires
deviennent
importants
et
contribuent
notamment
à
fractionner
l’énergie des solitons d’ordres supérieurs en
lobes transversalement décalés.
Solitons spatiaux photoréfractifs et
guides photo-induits :
Parallèlement aux travaux exploratoires sur
les solitons spatiaux dans les milieux de Kerr,
un axe de recherche reposant sur les solitons
spatiaux
photoréfractifs
est
également
développé.
L’effet
photoréfractif
consiste
en
une
modification de l’indice de réfraction d’un
matériau sous l’influence d’un éclairement
inhomogène de faible intensité. Cet effet naît
d’une
photo-ionisation
suivie
d’un
déplacement de charges qui, au final, donne
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
naissance à un champ de charge d’espace
modifiant l’indice par effet électro-optique.
Figure 3 : concept des circuits intégrés 3-D.
Le but ultime est ici de pouvoir induire des
microet/ou
nanostructures
fixes
ou
accordables
au
cœur
de
matériaux
diélectriques. L’intérêt de telles structures est
de tirer parti des 3 dimensions (3-D)
spatiales, ce qui autorise l’étude de
phénomènes et fonctions plus élaborés que
dans les structures bidimensionnelles (2-D)
classiques. De plus, la fabrication de
composants compacts ayant un potentiel
d’application dans des domaines très divers
tels que les télécommunications optiques, la
physique des lasers, ou encore les capteurs
peut être envisagée. Dans ce contexte, notre
objectif est notamment de réaliser des
circuits optiques intégrés 3-D (fig. 3). Les
guides constituant ces circuits 3-D ne sont
pas réalisables avec les techniques intégrés
planaires conventionnelles (diffusion ionique,
échange
protonique,
…)
qui
donnent
naissance à des guides fixes situés à la
surface d’un substrat. Par contre, les solitons
spatiaux photoréfractifs offrent un moyen
efficace et peu onéreux pour les photoinduire.
Ainsi, nos travaux se concentrent en
particulier sur le développement de guides
« fixes » ou «quasi-fixes » générés au cœur
du niobate de lithium (LiNbO3), matériau
ferroélectrique réputé pour sa grande qualité
photonique et son utilisation répandue en
optoélectronique.
En
parallèle
nous
collaborons avec le laboratoire LMOPS de
Metz sur l’étude de guides rapidement
reconfigurables dans le semiconducteur InP.
Les solitons noirs photovoltaïques (PV), qui
permettent de s’affranchir de l’application
d’un champ électrique, ont fait l’objet de nos
premiers travaux. En effet, grâce à l’effet PV
défocalisant développé par le LiNbO3, le
champ électrique photo-généré peut se
substituer au champ habituellement appliqué.
Pour un soliton 1-D, la figure d’illumination
est constituée d’un éclairement homogène
comportant une bande noire en son centre
(fig. 4a), formée par réflexion sur un miroir à
saut de phase (λ/4). Après propagation dans
le cristal de LiNbO3 la bande sombre
s’autofocalise lors de la mise en place de
l’effet photoréfractif et donne naissance à un
soliton noir PV (fig. 4b). Dans l’expérience
considérée le soliton 1-D laisse place à un
guide monomode photo-induit de 3 µm de
large (fig. 4c).
50 µm
(a
(b)
(c
Figure 4 : Image du faisceau en sortie du cristal de
LiNbO3, en régime linéaire (a),
en régime soliton (b) et test du guide induit (c).
La dynamique temporelle de formation des
solitons noirs PV dans le LiNbO3 a été
modélisée et analysée expérimentalement.
Nous avons ainsi mis en évidence que, si les
solitons PV existent en régime quasi-établi
dans le LiNbO3, le régime stationnaire ne
peut être atteint car le temps de réponse
d’obscurité caractérisant le déplacement des
charges dans le diélectrique est de l’ordre de
l’année.
En augmentant la largeur de la bande sombre
au sein du faisceau homogène servant à
induire le soliton noir, nous avons également
montré la possibilité de créer des solitons
sombres multiples. Le nombre de solitons
générés dépend des caractéristiques de la
bande sombre initiale telles que sa taille ou la
présence ou non d’un saut de phase. Cette
démonstration
permet
d’envisager
la
réalisation de guides multiples, coupleurs ou
multiplexeurs reconfigurables, très confinés
au cœur du matériau.
En terme d’applications, la nécessité de
générer des guides 2-D nous a ensuite
amené à associer
les solitons noirs
photovoltaïques 1-D avec des guides plans
LiNbO3 :Ti. Ainsi, des guides rubans 2-D,
auto-induits et reconfigurables ont ainsi été
démontrés. Par ailleurs, des travaux sont
actuellement en cours afin de générer des
guides 2-D au cœur du matériau à l’aide de
solitons noirs 2-D appelés solitons vortex.
Pour induire optiquement une circuiterie
optique 3-D, comme présentée figure 3,
l’utilisation de solitons brillants 2-D est
préférable. Une condition nécessaire à leur
formation est d’utiliser un effet non linéaire
focalisant. Dans ce but nous avons montré
qu’un champ électrique externe appliqué
suivant l’axe c du LiNbO3 peut convertir
l’effet photoréfractif initialement défocalisant
en un effet focalisant. Par la suite les
premiers solitons brillants 2-D ont pu être
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
démontrés dans le LiNbO3. Ces résultats,
acquis en collaboration avec l’université « La
Sapienza » à Rome, ont ouvert la voie à la
réalisation de dispositifs 3-D constitués de
guides circulaires monomodes de bonne
qualité, figeables ou adaptatifs. Ainsi des
guides courbes ou encore des guides à faibles
pertes comportant des virages à angles droits
avec des rayons de courbure nuls (fig. 5) ont
été fabriqués.
Eopt
Figure 5 : photo-induction de guides
comprenant des virages à angle droit à l’aide
d’un soliton brillant dans LiNbO3.
Conclusion et perspectives
Les recherches sur les solitons Kerr
pourraient avoir des retombées dans les
domaines du guidage reconfigurable et de la
commutation spatiale rapides, l’addition
cohérente ou le nettoyage de faisceaux
lumineux, ainsi que la génération de nombres
aléatoires.
D’autre
part,
les
solitons
brillants
photoréfractifs constituent une technique
simple pour la fabrication de structures 3-D,
évitant la technologie lourde et les étapes
complexes de fabrication de guides ou de
structures
photoniques.
Nos
travaux
s’orientent maintenant vers la conception de
circuits 3-D passifs ou actifs tels que des
routeurs 1 vers N ou des composants de
conversion de fréquences, ainsi que la
réalisation de microstructures optiquement
commandables.
Production scientifique
15 publications dans des revues à comité de
lecture (O7, O8, O9, O10, O13, O58, O64,
O65, O82, O87, O108, O111, O137, O138,
O154), 4 conférences invitées (O170, O171,
O180, O197), 29 actes de congrès, dont :
O211, O216, O217, O246, O288, O289,
O336, O337.
Cyril Cambournac a reçu le Prix St-Gobain
Jeune Chercheur 2003 de la Société
Française de Physique pour sa thèse sur
les solitons Kerr.
OP14 – Amplification paramétrique
sur fibre optique pour les
télécommunications à haut débit
(dép. Optique, ONL)
Résumé
Objectif du projet :
L’amplification paramétrique dans les fibres
optiques est apparue récemment comme une
technique
simple
et
prometteuse
d’amplification pour les télécommunications
optiques. Elle présente en effet des
potentialités intéressantes pour les systèmes
de transmission multiplexées en longueur
d’onde : souplesse spectrale et grande
largeur de bande, puissances de saturation
élevées, conversion simultanée en longueur
d’onde, possibilités de traitement ou de
régénération tout-optiques et, sous certaines
conditions, aptitude à procurer des facteurs
de bruit très faibles, proches de la limite
quantique. Cet axe de recherche vise à
proposer de nouvelles solutions pouvant
répondre
aux
besoins
prioritaires
d’accroissement des bandes passantes dans
les transmissions multiplexées en longueur
d’onde.
Personnes impliquées :
H. Maillotte (DR, 25%), T. Sylvestre (CR,
30%),E. Lantz (PR, 25%), A. Vedadi (DOC,
90%), A. Mussot (DOC, 80%), L. Provino
(DOC, 50%).
Collaborations :
Alcatel-Lucent R&I Marcoussis.
LPUB Dijon, EPFL Lausanne, Suisse,
Univ. Alcala Madrid Espagne.
Soutiens financiers :
Contrat Alcatel UTP 6.02.
Région de Franche-Comté,
fonds propres FEMTO-ST
COST Européen FIDES (depuis 2006)
Contrat CEA/CESTA (obtenu en 2006)
Description des travaux
Dans une première phase, l’objectif a été de
démontrer
théoriquement
la
possibilité
d’obtenir directement des bandes de gain
paramétrique de largeur double à quintuple
de celle des amplificateurs erbium avec des
profils spectraux contrôlés, en particulier un
gain plat sur toute la bande d’amplification.
Nous avons cherché par conséquent à
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
Figure 1 - Diagrammes d’œil électriques du signal NRZ à l’entrée (a) et à la sortie (b) du FOPA. Signal NRZ amplifié (trait
plein) et phase de pompe correspondante (pointillés), en sortie du filtre optique (Fabry-Pérot, bande passante 4D) (c) et
du filtre électrique (d) (Butterworth du second ordre, bande passante 0,8D et détecteur quadratique parfait).
concevoir
des
architectures
simplifiées
basées sur l’utilisation de fibres non linéaires
(fibres germanium à faible aire effective,
fibres photoniques, ...). L’idée est de
n’utiliser qu’une seule onde de pompe dans
un arrangement multi-sections de fibres
ayant différentes longueurs d’onde de
dispersion nulle. L’optimisation du système
(nombre de tronçons, longueur, dispersion de
vitesse de groupe, ordre d'arrangement) a
permis de générer une bande de gain plat
autour de 1550 nm, d’oscillation résiduelle
inférieure à 0,3 dB, soit de 100 nm de large
pour une puissance pompe P0 de seulement
500 mW, soit de 200 nm pour P0 = 5W.
Nous avons ensuite engagé une convention
avec le groupe de transmissions sousmarines et terrestres du centre de recherche
d’Alcatel. Le but de ce contrat était d’étudier
d’un point de vue « systèmes » le potentiel et
les principales limitations des amplificateurs
paramétriques à fibre optique.
Nous avons commencé par étudier différents
formats de modulation de phase afin de
s’affranchir de la diffusion Brillouin stimulée
parasite, susceptible d’être engendrée dans
ces
amplificateurs.
L’évaluation
des
performances, avec des signaux optiques
monochromatiques ou modulés en intensité,
a montré que la modulation de phase de la
pompe induit des variations instantanées de
gains pénalisantes pour des applications en
télécommunications. Afin d’illustrer cet effet,
nous avons simulé l’amplification de signaux
WDM, de format NRZ à 10 GBits/s, par une
pompe modulée en phase par une séquence
pseudo-aléatoire à 3 GHz. Les figures 1a et
1b
représentent
respectivement
les
diagrammes d’œil d’entrée et de sortie dans
le cas le plus défavorable d’un signal situé à
3THz de la pompe, fréquence pour laquelle
les variations instantanées du gain spectral
sont les plus fortes. La fermeture très
marquée de l’œil est causée par la
modulation de phase de pompe. Cette
dégradation est mise en évidence sur les
figures 1c et 1d où sont représentés quelques
bits de la séquence NRZ amplifiée ainsi que la
modulation
de
phase
de
pompe
correspondante, à la sortie du filtre optique
(c) et du filtre électrique (d) servant à la
détection. A chaque saut de phase, le signal
NRZ subit soit une augmentation, soit une
diminution de gain, et devient ainsi fortement
altéré après amplification. Suite à la mise en
évidence expérimentale à Alcatel, nous avons
proposé et démontré théoriquement quelques
solutions pour neutraliser cet effet en
utilisant, par exemple, deux pompes en
opposition de phase.
Une autre partie du contrat a porté sur une
étude complète de la figure de bruit optique
et électrique de ces amplificateurs. Un intérêt
potentiel des amplificateurs paramétriques à
fibre optique vient du fait que leur figure de
bruit (NF) peut être très faible, de l’ordre de
3 dB en configuration insensible à la phase.
Cette limite provient de l'amplification du
bruit quantique au pied du signal et du
transfert de la fluorescence paramétrique de
l'idler généré sur le signal. Cependant, nous
mettons en évidence dans cette étude que
des sources de bruits supplémentaires,
dégradant le signal bien avant le régime de
saturation de l'amplificateur, sont dues aux
configurations de pompe utilisées dans le
domaine
des
télécommunications
pour
supprimer la rétrodiffusion Brillouin stimulée:
ces dégradations additionnelles proviennent,
d’une part du bruit d'intensité de la pompe
(RIN+ASE) et d’autre part, de la distorsion
temporelle de gain associée à sa modulation
de phase. Comme le gain paramétrique
dépend de la phase et de l’intensité de la
pompe,
ces
bruits
additionnels
sont
transférés sur le signal et le dégradent
d’autant plus que ce dernier est initialement
intense.
Nous
avons
développé
des
simulations
numériques
complètes
qui
montrent que ces deux sources de bruit sont
généralement les plus importantes et
dégradent fortement la NF, au-dessus de la
limite quantique. En outre, ces dégradations
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
sont typiquement dans le domaine des
radiofréquences ;
elles
rendent
donc
impérative une mesure électrique pour
quantifier correctement la figure de bruit d’un
FOPA, plutôt que l’usuelle mesure optique.
de la fibre amplificatrice sur le gain
d’amplification. Cette étude a débouché sur
une méthode originale de cartographie de la
longueur de dispersion nulle des fibres
optiques
avec
une
grande
résolution
longitudinale.
Conclusion et perspectives
Différence entre les figures de bruit mesurées
optiquement et électriquement (symboles) et
simulées (traits continus) en fonction du rapport
signal à bruit de la pompe en entrée d’amplificateur,
pour trois puissances du signal d’entrée.
La figure ci-dessus montre en effet
l’importante différence entre ces deux
méthodes : la mesure optique de NF,
effectuée à l’analyseur de spectre optique,
permet de montrer qu’un filtrage spectral de
l’ASE générée autour du spectre de pompe
est nécessaire pour obtenir une NF optique
minimale. En revanche, elle ne peut pas
détecter les bruits basses fréquences
(associés au transfert de RIN, d'ASE
résiduelle non filtrée au pied de la pompe, et
à la modulation temporelle de gain), alors
que la mesure électrique les prend en compte
correctement. Nos simulations sont en accord
quantitatif avec les mesures expérimentales
faites à Alcatel. Ces résultats nouveaux
montrent la nécessité, pour le développement
pratique des amplificateurs paramétriques,
de mettre au point des pompes possédant un
excellent rapport signal à bruit (OSNRp > 65
dB).
Par ailleurs, nous avons étudié l’amplification
de signaux multiplexés en longueur d’onde
(WDM) et nous avons montré qu’un
positionnement particulier du peigne WDM
par rapport à la pompe permettait de
minimiser la diaphonie induite entre canaux
par mélange à quatre ondes. Cette technique
originale a fait l’objet d’un dépôt de brevet
international avec Alcatel.
Une autre partie de cette collaboration a
concerné
l’impact
des
fluctuations
longitudinales de la dispersion chromatique
Les perspectives de nos travaux portent sur
la réalisation d’un nouveau modulateur de
phase, en collaboration avec la société
Photline Technologies, dédié aux futurs
amplificateurs paramétriques transparents,
i.e., sans dégradation des signaux par la
modulation
temporelle
de
gain.
En
collaboration avec l’Ecole Polytechnique
Fédérale de Lausanne, nous travaillons
actuellement sur une technique de mesure
distribuée du gain paramétrique le long de
l’amplificateur, qui devrait déboucher sur une
cartographie encore plus performante de la
dispersion des fibres. Par ailleurs, dans le
cadre du projet transverse MUPHI de FEMTOST, une technique originale de suppression
passive de l’effet Brillouin est également
envisagée, en créant une bande interdite
hypersonore dans le coeur de la fibre, en
collaboration avec l’équipe « Acoustique et
Microsonique » du LPMO (Thèse de JeanCharles Beugnot).
Production scientifique
6 publications dans des revues à comité de
lecture (O11, O12, O81, O91, O92, O126),
10 actes de congrès, dont : O214, O265,
O269, O286, O315, O367.
Publications récentes :
B. Auguié, A. Mussot, A. Boucon, E. Lantz, T
Sylvestre,
“Ultra-low
chromatic
dispersion
measurement of optical fibers with a tunable cw
fiber laser,” IEEE Photon. Technol. Lett. Vol. 18,
pp-22-24 (2006).
A. Vedadi, A. Mussot, E. Lantz, H. Maillotte, T.
Sylvestre, " Theoretical study of gain distortions in
two-pump fiber optical parametric amplifiers ",
Opt. Commun. Vol. 267 , pp. 244-252 (2006).
A. Mussot, E. Lantz, T. Sylvestre, H. Maillotte, A.
Durécu-Legrand, C. Simmoneau, D. Bayart, “Zerodispersion wavelength mapping of a highly
nonlinear fiber using parametric gain” IEEE
Photon. Technol. Lett. Vol. 18, No. 1, pp-22-24
(2006).
1 Brevet (Alcatel) :
A. Durécu, C. Simonneau, A. Mussot, T. Sylvestre,
E. Lantz, and H. Maillotte, « Fiber optical
parametric amplifier and method for amplification
of optical signals », European Patent, Applications
Number: 04 292 051.2, October 11, 2004.
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
OP15 – Sources laser à fibre de
nouvelle génération (dép. Optique,
ONL)
Résumé
Objectif du projet :
Partie 1 - Génération de supercontinuum
dans les fibres optiques - valorisation et
applications : Nous avons démontré en
2002 une configuration physique originale
permettant de générer des supercontinuum
spectraux intenses, sur presque deux
octaves, à partir d’un microlaser Nd :YAG
sub-nanoseconde et d’une fibre DSF standard
des télécommunications optiques, en lieu et
place des sources femtosecondes massives et
des fibres microstructurées habituellement
utilisées pour ce type d’application. En vue
d’adapter ces sources de type « laser blanc »
aux spécificités des diverses applications
potentielles et de les transférer dans
l’industrie,
nous
avons
poursuivi
leur
développement.
Partie 2 - Lasers fibrés à cascade Raman
continu et à synchronisation de modes :
Les lasers Raman à fibre ont été
spécifiquement développés en tant que
sources compactes puissantes et de longueur
d’onde ajustable pour répondre à la demande
forte de l’industrie des télécommunications.
Ces lasers sont typiquement des résonateurs
Fabry-Pérot fibrés, imbriqués à l’aide de
réseaux de Bragg et alimentés par une onde
puissante et continue autour de 1100 nm.
Par cascade Raman, cette onde est convertie
sur une ou plusieurs longueurs d’onde dans
la gamme 1200-1600 nm. Ces lasers sont
particulièrement
bien
adaptés
pour
l’amplification optique distribuée dans les
lignes de transmissions WDM. Cependant, ils
présentent encore une grande instabilité à
faible puissance d’émission, ce qui dégrade la
figure de bruit des amplificateurs.
Personnes impliquées :
T. Sylvestre (CR, 30%), H. Maillotte (DR,
25%), A. Boucon (DOC, 100%), J.C. Beugnot
(DOC, 40%), A. Mussot (DOC, 20%), A.
Vedadi (DOC, 10%), L. Provino (DOC, 25%).
Collaborations :
Université d’Auckland Nouvelle Zélande,
Université Alcalá, Madrid Espagne,
Université Libre de Bruxelles,
Alcatel-Lucent R&I Marcoussis,
LPUB Dijon, Laserlabs Etampes
Soutiens financiers :
ACI Jeune Chercheur, Alcatel, Région de
Franche-Comté, Coopération Marsden Fund
France – Nouvelle Zélande, Laserlabs, COST
Européen FIDES (depuis 2006).
Description des travaux et
résultats obtenus
Partie 1 – supercontinuum : En jouant sur
les paramètres expérimentaux et le type de
fibre conventionnelle utilisé, les spectres
générés peuvent être adaptés aux divers
besoins d’utilisation (plage et étendue
spectrales, homogénéité du spectre, flux et
luminance de sortie) : nous avons pu par
exemple obtenir un spectre relativement plat
sur une largeur plus faible, 350 nm environ,
qui permet ainsi un accroissement d’un
facteur 10 de la luminance de sortie du
supercontinuum.
Exemple de
supercontinuum
dans le spectre
visible
De fait, ces sources conjuguent des
propriétés des lasers (source ponctuelle,
cohérence spatiale, directivité, intensité) avec
celles de la lumière blanche (étendue
spectrale, faible cohérence temporelle). Ce
nouveau type de « laser blanc » possède
donc des propriétés inédites, en termes de
luminance et de densité spectrale de
puissance,
qui
peuvent
procurer
une
amélioration substantielle du rapport signalà-bruit dans toute application fondée sur
l’utilisation
de
spectres
larges
mais
nécessitant une forte localisation spatiale.
Ces sources ont ainsi connu un fort attrait et
nous avons contribué à leur implantation
dans plusieurs expériences faites à FEMTOST (équipe NOCP : microscope champ proche
sans artéfacts cohérents, spectroscopie de
nanostructures plasmoniques et de cristaux
photoniques ; équipe NMSV : colorimétrie,
interférométrie lumière blanche, microscopie
confocale à codage chromatique de hauteur,
tomographie de cohérence ; CREST Belfort :
vélocimétrie laser 3-D arc en ciel).
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
Grâce à nos efforts de communication,
vulgarisation (revues « Pour la Science »,
« Sciences et Avenir » et salon « Micronora
2004 » notamment) valorisation et recherche
de partenariats, nos sources ont également
suscité plusieurs contacts industriels. En
particulier, nous avons monté un partenariat
avec la Société Laserlabs avec laquelle un
transfert de technologie a été établi et qui a
donné lieu à l’élaboration du prototype
compact montré ci-dessous, récompensé par
le Photon d’Or du Salon OPTO 2005.
Partie
artie 2 - Laser Raman : En collaboration
avec Alcatel et l’Université Libre de Bruxelles,
nous
avons
étudié
théoriquement
et
expérimentalement le rôle de la dispersion
chromatique dans la dynamique des lasers
Raman. Dans ce but, la dispersion de la fibre
de cavité a été ajustée afin d’obtenir un
régime
radicalement
différent
du
fonctionnement usuel, en mettant à profit le
mélange à quatre ondes pour inhiber le seuil
abrupt du laser et stabiliser ainsi l’émission à
faible puissance. Le laser réalisé à Alcatel est
représenté sur la figure 1. Il s’agit d’un laser
à 5 ordres émettant à deux longueurs d’onde
λS4=1351 nm et λS5=1427 nm, constitué
d’une cavité de 400 m de long dans laquelle
est injectée une onde pompe à 1117 nm.
Pour évaluer le rôle du mélange à quatre
ondes, nous avons procédé à deux séries de
simulations ne différant que par la dispersion
de la cavité, que nous avons comparées
ensuite
à
deux
séries
de
mesures
expérimentales.
La
figure
2
montre
l’évolution de la puissance des deux lasers.
Pour le laser classique (figure 2a), l’ordre S5
présente un seuil très abrupt alors que S4 est
fortement atténué. Pour le laser à faible
dispersion, ou assisté par mélange à quatre
ondes, la figure 2b montre que l’ordre S4
n’est plus atténué lorsque S5 est généré. De
plus, S5 apparaît pour une puissance de
pompe plus faible et avec une pente de
croissance réduite.
Comme illustré sur la figure 2c, nos
simulations s’accordent remarquablement
bien avec les mesures expérimentales. Les
ordres S4 et S5 du laser présentent une
croissance exponentielle, ce qui permet une
bien meilleure stabilité à faible puissance de
pompe.
Ce nouveau laser à fibre est très intéressant
pour le pompage du second ordre dans les
systèmes de télécommunications WDM. Il a
fait ainsi l’objet d’un brevet international.
Conclusion et perspectives
L’utilisation d’un microlaser et d’une fibre
conventionnelle est de fait le dispositif le plus
simple à notre connaissance permettant de
générer un supercontinuum de grande
brillance, typiquement 500 à 5000 fois celle
de
n’importe
quelle
source
blanche
thermique. En raison de leur simplicité et de
leur stabilité, des capacités de déport, de la
Figure 1 : Schéma du laser à fibre à cascade Raman à deux longueurs d’onde.
Figure 2 : Évolution de la puissance de sortie du laser Raman, (a) classique, (b) assisté par mélange à quatre ondes,
(c) expérimental.
FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
compatibilité avec la connectique classique et
du faible coût, les configurations développées
semblent intéressantes pour de nombreux
domaines
d’applications
: métrologie,
contrôle industriel, spectroscopie locale,
éclairage, visualisation, projection laser,
microscopies,
biologie
cellulaire
et
biomédical, automobile, spectacle …
Par ailleurs, nous avons abordé récemment le
développement d’une nouvelle génération de
sources supercontinuum, en régime continu
et à base de lasers à fibre. Ces sources
présentent l’avantage d’être entièrement
fibrées, donc encore plus stables et faciles à
mettre en œuvre. De plus, le régime continu
permet d’atteindre des densités spectrales de
puissance mille fois supérieures au régime
impulsionnel : par combinaison de processus
Raman et instabilité de modulation, nous
venons de démonter un supercontinuum
délivrant typiquement 2,5 mW/nm sur plus
de 800 nm d’étendue spectrale dans la
gamme
spectrale
d’intérêt
pour
les
télécommunication optiques.
La suite du travail sur les lasers Raman à
fibre a pour but de démontrer la possibilité
de les verrouiller en phase efficacement et
leur permettre d’atteindre des cadences
supérieures à 100-GHz avec de fortes
puissances moyennes (> 500 mW). Nous
venons récemment d’obtenir des résultats
très encourageants validant un concept de
blocage de modes passif, par mélange à
quatre ondes dissipatif intra-cavité, qui
permet de transformer un laser Raman en
une source impulsionnelle puissante et
stable.
Production scientifique
9 publications dans des revues à comité de
lecture (O41, O44, O45, O57, O89, O91,
O97, O98, O125), 13 actes de congrès, 1
autre conférence, dont : O230, O277, O361,
O399.
Publications et Conférences récentes :
T. Sylvestre, A. Vedadi, H. Maillotte, F.
Vanholsbeeck,
S.
Coen
"
Supercontinuum
generation
using
continuous-wave
multiwavelength
pumping
and
dispersion
management,” Optics Letters, Vol. 31, pp. 20362038 (2006).
J. Schroeder, S.Coen, F. Vanholsbeeck, T.
Sylvestre, “Ultra-high-repetition rate passivelymodelocked Raman fiber laser” CLEO’2006, paper
CthC4 (May 20-24, 2006, Los Angeles, USA).
1 Brevet (Alcatel) :
Catherine Martinelli, Florence Leplingard, Thibaut
Sylvestre, Frederique Vanholsbeeck, and Philippe
Emplit, « Cascaded Raman laser », International
Patent, Applications Number: 02 360 221.2, July
23, 2002.
1 enveloppe Soleau :
H. Maillotte, A. Mussot, T. Sylvestre, « Sources de
supercontinuum spectral de grande brillance de type
“laser blanc” utilisant des microlasers de pompage
impulsionnels et des fibres optiques standards, non
microstructurées », enveloppe Soleau n°248139
déposée le 26 Décembre 2005.
Une licence de communication de savoirfaire : n°L06107, pour l’industrialisation et la
commercialisation par la Société
sources de supercontinuum.
Laserlabs
des
Prototype compact Photon d’Or du produit
le plus innovant du Salon OPTO 2005,
Paris.