Fibres optiques microstructurées chalcogénures fortement non

L’UNIVERSITÉ DE BOURGOGNE
ICB – Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne
Département OMR équipe SLCO
UMR 5209 CNRS - DIJON - FRANCE
THÈSE
Pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université de Bourgogne
Discipline : Physique-Chimie
Par
Mohammed EL AMRAOUI
22 Novembre 2010
Fibres Optiques Microstructurées Chalcogénures
Fortement Non Linéaires à base de As
2
S
3
: vers de
Nouvelles Sources Supercontinuum Infrarouges
Directeur de thèse
Frédéric SMEKTALA
Jury :
FARGIN Evelyne Professeur, I.C.M.C.B, Université de Bordeaux Rapporteur
MESSADDEQ Younes Professeur, C.O.P.L, Université Laval (Canada) Rapporteur
MILLOT Guy Professeur, ICB, Université de Bourgogne Examinateur
CHARTIER Thierry Maître de conférence, LANNION Examinateur
MAILLOTTE Hervé Directeur de recherche, FEMTO-ST Examinateur
SMEKTALA Fréderic Professeur, ICB, Université de Bourgogne Directeur

Remerciements.
Ce travail de thèse a été réalisé en collaboration avec l’Institut de Chimie d’Araraquara au Brésil,
‘UNESP’, dans le cadre du programme de coopération CNRS/FAPESP. Je remercie vivement le
Pr Ribeiro et M. César Polachini, respectivement directeur du laboratoire de chimie et ingénieur
de l’équipe, de m’avoir accueilli au sein de leur laboratoire pour le fibrage de mes verres pendant
mes multiples séjours brésiliens durant ces trois années.
Je tiens également à remercier l’ensemble des membres du jury. Je suis très reconnaissant envers
Mme Fargin et Mr Messaddeq pour avoir accepté d'être les rapporteurs de mon travail. Je tiens à
exprimer ma gratitude à Guy Millot, Professeur à l'Institut Carnot de Bourgogne, Hervé Maillotte,
Directeur de Recherche à FEMTO-ST et Thierry Chartier, Maître de conférence à LANNION
pour avoir accepté d’examiner cette thèse. J’adresse mes sincères remerciements à Fréderic
Smektala, Professeur à l'Institut Carnot de Bourgogne pour avoir dirigé ces travaux pendant ces
trois années.
J’exprime également ma gratitude à Gilles Renversez, Professeur à l’Institut Fresnel à Marseille
pour les différentes simulations qu’il a réalisées pour nous.
Je remercie l’ensemble des collègues physiciens de notre équipe qui ont participé à ce travail
pluridisciplinaire, notamment Julien Fatome, Coraline Fortier et Grégory Gadret, qui par leur
enthousiasme et leur dynamisme ont contribué à l’aboutissement de ce travail. J’adresse
également mes remerciements à Bertrand Kibler, pour ses calculs numériques concernant nos
FOM.
J'adresse aussi ma reconnaissance à Jean-Charles Jules qui m’a accompagné depuis le début,
pour ses conseils, sa bonne humeur, sa disponibilité et pour tout ce qu’il m’a apporté pendant
ces trois ans. Je remercie également le Professeur Igor Skripatchev pour toute l'aide et les
conseils qu’il m’a offert durant mes séjours au Brésil.
Je tiens aussi à remercier le Pr Yasutake Ohishi du Toyota Technological Institute au Japon et
Guillaume Canat, Ingénieur de Recherche à l’ONERA pour leurs collaborations concernant le
pompage optique de nos FOM.
Je tiens à remercier également Olivier Bidault pour tous ces moments inoubliables passés autour
d’un café ou dans le bureau de Jean-Charles. Un grand merci également à notre secrétaire Sandra
Klein qui m’a rendu un grand nombre de services. Elle a su garder son sourire à chaque fois que

je la dérangeais. Je remercie également Sophie Salaün, Pierre Mathey, Frédéric Désévédavy. Un
grand merci à notre technicien Yves Didelot pour ses multiples interventions dans le découpage et
le polissage du verre.
Enfin je voudrais particulièrement adresser mes remerciements à toutes les personnes que j'ai
côtoyées en France et au Brésil. Honneur aux filles : Sandra, Silvia, Pauline, Emeline, Tamara,
Inna et bien d’autres que je ne peux pas malheureusement toutes citées car je réécrirais un
manuscrit. Quant aux garçons, il s’agit de mes amis Salah, Danilo, Yanick, El Mahdi, Hernane,
Damien, Housseine et tous ceux qui m’ont apporté un soutien de près ou de loin.
Ce travail est une occasion privilégiée pour moi d’exprimer ma tendresse et à mes parents, mes
frères, ma sœur qui sont toujours là pour moi.
Ce travail de thèse m’a permis d’acquérir des connaissances scientifiques, notamment grâce à des
discussions avec des personnes aussi disponibles que compétentes. Je mets tout particulièrement
en avant l’aspect humain des rencontres réalisées dans le cadre de mes activités d'enseignement
et de recherche qui sont à l'origine du plaisir que j'ai eu à réaliser ce travail.

Introduction générale ....................................................................... 1
Chapitre I :
Le matériau : des lois de Snell-Descartes aux effets non
linéaires optiques
I. Un peu d’historique .......................................................................................................... 5
II. Polarisation induite par une onde électromagnétique : approximation linéaire ........... ..8
II.1. Origine de la polarisation d’un matériau ................................................................ 8
II.2. Susceptibilité diélectrique ..................................................................................... 10
II.3. Indice de réfraction ............................................................................................... 12
II.4. Dispersion chromatique et absorption .................................................................. 13
II.5. Réflexion et réfraction .......................................................................................... 15
III. Les effets optiques non-linéaires ................................................................................. 17
III.1. Effets non-linéaires d’ordre 2 .............................................................................. 20
III.2. Effets non linéaires d’ordre 3 .............................................................................. 21
IV. Conclusion .................................................................................................................. 22
V. Références .................................................................................................................... 23

Chapitre II :
La fibre optique : de la fibre optique conventionnelle
à la fibre optique microstructurée
I. Bref historique ............................................................................................................ 26
II. Fibres optiques conventionnelles ............................................................................... 28
II.1. Principe de guidage et mécanisme de réflexion totale interne RTI .................. 28
II.2. Mode de propagation d’une fibre optique ........................................................ 29
II.3. Profil géométrique d’une fibre optique conventionnelle .................................. 31
II.4. Dégradation du signal au cours de la propagation ............................................ 33
II.4.1. Pertes dans les fibres optiques ............................................................... 34
II.4.1.1. Pertes par absorption ................................................................ 34
II.4.1.2. Pertes par diffusion ................................................................... 34
II.4.1.2.1. Diffusion Rayleigh .................................................... 35
II.4.1.2.2. Diffusion de Mie ........................................................ 35
II.4.1.3. Pertes par rayonnement............................................................. 35
II.4.1.4. Atténuation totale dans une fibre optique ................................. 36
II.4.1.5. Pertes par couplage ................................................................... 37
II.4.2. Dispersion ............................................................................................. 38
II.4.2.1. Dispersion d’une fibre monomode ........................................... 39
II.4.2.2. Dispersion d’une fibre multimode ............................................ 40
III. Fibres optiques microstructurées FOM .................................................................... 42
III.1. Présentation ..................................................................................................... 42
III.2. Structure des FOM (Fibres Optiques Microstructurées) ................................. 44
III.2.1. FOM à cœur creux (guidage par Bande Interdite Photonique) ........... 45
III.2.2. FOM à cœur plein (guidage par Réflexion Totale Interne) ................. 48
III.3. Propriétés optiques des FOM .......................................................................... 49
III.3.1. Longueur d’onde de coupure ............................................................... 50
III.3.2. Dispersion chromatique ....................................................................... 51
III.3.3. Propriétés non linéaires ....................................................................... 52
III.3.3.1. Effet Kerr optique .................................................................... 53
III.3.3.1.1.Auto-modulation de phase ........................................ 53
III.3.3.1.2. Modulation de phase croisée ou Intermodulation
de phase ...................................................................................... 55
III.3.3.1.3. Mélange à quatre ondes ............................................ 55
III.3.3.2. Diffusion Raman ..................................................................... 56
III.3.3.3. Diffusion Brillouin .................................................................. 57
III.3.3.4. Le Supercontinuum ................................................................. 58
III.3.3.5. Amélioration de la non-linéarité des fibres ............................. 59
III.3.3.6. Applications des fibres optiques ............................................. 61
III.3.3.6.1. FOM à cœur creux ................................................... 61
III.3.3.6.2. FOM à cœur plein .................................................... 61