Nouveaux systèmes de contrôle de la polarisation de la lumière par

Université de Bourgogne
Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne
Ecole Doctorale Carnot
THESE
pour obtenir le grade de
Docteur en Physique de l’Université de Bourgogne
par
Philippe MORIN
Nouveaux systèmes de contrôle de la polarisation de la
lumière par effets non linéaires dans les fibres optiques
Directeurs de thèse:
Guy Millot
Julien Fatome
Thèse soutenue le 16 juillet 2013 devant le jury composé de:
Thierry Chartier
Maître de Conférences, ENSSAT Lannion
Rapporteur
Alain Dereux
Professeur, Université de Bourgogne
Examinateur
Didier Erasme
Professeur, Telecom ParisTech
Examinateur
Julien Fatome
Ingénieur de Recherche, CNRS – Université de Bourgogne
Co-Directeur
Guy Millot
Professeur, Université de Bourgogne
Directeur
Luc Thévenaz
Professeur, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
Rapporteur

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Remerciements
Remerciements
Tout d’abord, je remercie les membres du jury qui ont accepté de lire cette thèse avec attention et
rigueur. Merci à Mrs Alain Dereux, Didier Erasme, Thierry Chartier et Luc Thévenaz.
Je souhaite également associer l’ensemble du personnel du Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de
Bourgogne (ICB) et plus particulièrement Sandra Klein et Claire Priou qui ont participé directement
ou indirectement au bon déroulement de cette thèse. Je veux remercier Gilles Bertrand pour son
soutien lors de l’organisation de la première journée de la photonique.
En premier lieu, je remercie Guy Millot pour m’avoir accordé sa confiance au cours des différents de
stage de Master puis durant ces années de thèse. Un grand merci aussi à Julien Fatome pour sa
disponibilité exceptionnelle à répondre à mes multiples questions au cours de ces quatre années. Je le
remercie de sa confiance et de sa patience et je lui souhaite beaucoup de réussite pour son projet ERC.
La recherche scientifique est un travail d’équipe. Je n’oublie pas Stéphane Pitois et je lui souhaite
bonne chance dans l’obtention de son diplôme de Docteur en médecine. J’espère qu’il m’acceptera
comme patient. Je n’oublie pas Christophe Finot pour sa disponibilité mais aussi pour son soutien à
l’association des thésards de Physique et de Chimie de Bourgogne (ATCPB). Pour sa précieuse aide
dans la rédaction de la partie théorique de cette thèse, un grand merci à H.-R. Jauslin. Dans le cadre
du projet attraction de polarisation, je remercie les collègues ‘théoriciens’ à savoir Dominique Sugny,
Antonio Piccozi, Elie Assémat, Stefan Wabnitz et Viktor Kozlov, pour lequel j’ai une pensée
sincère.
Pour leur soutien sans faille au cours de cette période, je remercie Benoit Barviau et Kamal
Hammani (et Aurélie). Je n’oublie pas Claire Michel-Morani. Aujourd’hui Maître de conférences,
je leur souhaite beaucoup de réussite dans leurs carrières respectives et leurs futurs doctorants auront
beaucoup de chance de les avoir comme encadrant. Pour son aide précieuse dans le domaine de la
programmation et sur MATLAB, un grand merci à Pierre Béjot. Grâce à lui, la waitbar n’a plus de
secret pour moi mais je le rassure, j’ai retenu beaucoup d’autres choses.
Quand un gars du Nord rencontre un gars des Vosges. Hollywood aurait pu faire un tel film. Au cours
de cette période, j’ai rencontré un gars du Nord nommé Charles-Henri Hage qui m’a bluffé par son
adaptation rapide au domaine de l’optique non linéaire mais qui s’est être une formidable éminence
grise dans le cadre de l’organisation de nos différentes journées scientifiques. Je n’oublie pas le co-
locataire du bureau D223, Franck Billard. Je n’oublie pas Caroline Lecaplain, la supportrice des
Dragons de Rouen et à qui je souhaite le meilleur pour son post-doc en Suisse.
Un grand merci à Bertrand Kibler. Derrière ce nom ce cache un homme aussi bien à l’aise dans un
laboratoire que sur une piste de karting. Comment ne pas parler du club franc-comtois dont le mot
d’ordre est “bonne humeur”. Donc, un grand merci à Jean-Luc Blanchet, Michaël Delqué et Pierre
Tinguy. Je n’oublie pas Birgit Stiller et Thilbaut Sylvestre pour leur accueil formidable à l’Institut
FEMTO-ST lors de nos expériences communes. En parlant de franc-comtois, un grand merci Vincent
Tissot pour sa disponibilité sans faille et son formidable travail sur le prototype de l’attracteur de
polarisation. Je n’oublie pas Christophe Aquilina A cette occasion, je remercie Stéphane Pernot et
Bernard Sinardet du service informatique-électronique pour leur précieuse aide à la conception du
prototype mais également pour m’avoir accepté au café du matin. Je n’oublie pas Bruno Lavorel avec
qui le débat sur les performances des voitures essences ou diesels est toujours passionnant. Je voudrais

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Remerciements
associer à cette réussite des personnes qui ont été des enseignements dans un premier temps puis des
collègues de travail par la suite. Un grand merci donc à Frédéric Chaussard, Edouard Hertz,
Olivier Musset et Olivier Faucher.
J’ai une pensée pour les personnes qui ont résidé au bureau D219 pendant ces quatre années. Il y a
Rodolphe Sarrouf à qui je souhaite le meilleur pour le futur, Michaël Claudon qui a réalisé un
travail titanesque sur le site internet de l’ATCPB, Ibrahim El-Mansouri, Julien Houzet (‘The All-
Star’), et Pierre-Yves Bony (‘The Replacement’). Je n’oublie pas Bastien Varlot et nos discussions
sur la Formule 1 et/ou le tennis. Un grand merci à Benoit Frisquet, Jérémy Picot-Clementé (alias
Marcel Cerdan) ou encore Florent Flavier. Ces personnes sont connues sous le nom de … Kilber
Boys.
J’aimerai également remercier les différentes personnes que j’ai rencontrées durant cette période :
Anne Boucon, Vincent Boudon, Aurélien Coillet, Claire Millot, Souad Chouli, Philippe Grelu,
Grégory Gadret, Ina Savelli, Coraline Fortier, …
Dans le cadre de l’ATCPB, je n’oublie pas Claire Sorriano, Sandy Tricoit, Stéphanie Bruyère,
Gilles Plusquellec, Jean-Baptiste Coudert, Antoine Marion, Fabienne Peltier, Mylène Bonnaud,
Camille Nalet, Loïc Stefan. Pour les galettes des Rois, les futurs membres du bureau peuvent sans
problème me contacter. J’espère que l’âme de l’association perdura encore très longtemps.
Je voudrai terminer ces remerciements en ayant une pensée toute particulière à ma famille qui m’a
toujours soutenu tout au long de mes études. Autant dire ce que cela n’a pas été simple.
Je m’excuse pour les personnes que j’ai pu oublier

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Table des matières
Table des matières
REMERCIEMENTS ................................................................................................................. I
TABLE DES MATIERES .................................................................................................... III
INTRODUCTION .................................................................................................................... 1
GENERALITES ....................................................................................................................... 5
1. Propagation de la lumière dans les fibres optiques ................................................................................... 5
1.1. Caractéristiques géométriques et dimensionnelles .............................................................................. 5
1.2. Les pertes ............................................................................................................................................... 6
1.3. Dispersion .............................................................................................................................................. 6
1.3.1. Dispersion chromatique ................................................................................................................ 6
1.3.2. Dispersion du guide d’onde .......................................................................................................... 7
1.3.3. Dispersion totale ........................................................................................................................... 7
2. Non linéarité dans les fibres......................................................................................................................... 8
2.1. Equation de propagation ....................................................................................................................... 8
2.2. Les effets non linéaires .......................................................................................................................... 9
2.2.1. Effet Kerr optique ......................................................................................................................... 9
2.3. Equation non linéaire de Schrödinger ................................................................................................. 10
3. La polarisation ............................................................................................................................................ 11
3.1. L’ellipse de polarisation ....................................................................................................................... 11
3.2. Principaux états de polarisation .......................................................................................................... 12
3.2.1. Polarisation linéaire .................................................................................................................... 12
3.2.2. Polarisation circulaire ................................................................................................................. 13
3.3. Les paramètres de Stokes .................................................................................................................... 13
3.4. Sphère de Poincaré .............................................................................................................................. 15
3.5. Degré de polarisation .......................................................................................................................... 16
3.6. Brouilleur de polarisation .................................................................................................................... 16
3.6.1. Brouilleur de polarisation à simple étage ................................................................................... 16
3.6.2. Brouilleur de polarisation à plusieurs étages .............................................................................. 17
4. Dispersion modale de polarisation ............................................................................................................ 18
5. Généralités sur les systèmes de communication optiques ....................................................................... 19
5.1. L’émetteur ........................................................................................................................................... 20
5.1.1. Format Non Retour-à-Zéro ......................................................................................................... 20
5.1.2. Format Retour-à-Zéro ................................................................................................................. 20
5.2. Le récepteur......................................................................................................................................... 20
5.2.1. Diagramme de l’œil ..................................................................................................................... 20
5.3. Taux d’erreur binaire ........................................................................................................................... 21