EP2174171A1 - Fibre optique microstructuree hybride permettant un guidage par bandes interdites photoniques et par reflexion totale interne et optimisee pour des applications non lineaires - Google Patents

Fibre optique microstructuree hybride permettant un guidage par bandes interdites photoniques et par reflexion totale interne et optimisee pour des applications non lineaires

Info

Publication number
EP2174171A1
EP2174171A1 EP08837519A EP08837519A EP2174171A1 EP 2174171 A1 EP2174171 A1 EP 2174171A1 EP 08837519 A EP08837519 A EP 08837519A EP 08837519 A EP08837519 A EP 08837519A EP 2174171 A1 EP2174171 A1 EP 2174171A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
inclusions
optical fiber
microstructured optical
fiber according
refractive index
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08837519A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Yves Quiquempois
Géraud Bouwmans
Mathias Perrin
Aurélie Betourne
Marc Douay
Karen Delplace
Antoine Le Rouge
Laurent Bigot
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Lille 1 Sciences et Technologies
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Lille 1 Sciences et Technologies
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite Lille 1 Sciences et Technologies filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority to EP08837519A priority Critical patent/EP2174171A1/fr
Publication of EP2174171A1 publication Critical patent/EP2174171A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre
    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02342—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes characterised by cladding features, i.e. light confining region
    • G02B6/02347—Longitudinal structures arranged to form a regular periodic lattice, e.g. triangular, square, honeycomb unit cell repeated throughout cladding
    • G02B6/02352—Complex periodic lattices or multiple interpenetrating periodic lattices, e.g. unit cell having more than two materials, partially internally coated holes, for multiple bandgaps
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/365—Non-linear optics in an optical waveguide structure
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre
    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02342—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes characterised by cladding features, i.e. light confining region
    • G02B6/02371—Cross section of longitudinal structures is non-circular
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre
    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02342—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes characterised by cladding features, i.e. light confining region
    • G02B6/0238—Longitudinal structures having higher refractive index than background material, e.g. high index solid rods
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre
    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02385—Comprising liquid, e.g. fluid filled holes
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
    • G02F1/377—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure
    • G02F1/383—Non-linear optics for second-harmonic generation in an optical waveguide structure of the optical fibre type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2202/00—Materials and properties
    • G02F2202/32—Photonic crystals

Definitions

  • the present invention relates to a hybrid microstructured optical fiber for guiding light by both a photonic bandgap mechanism and a total internal reflection mechanism.
  • This hybrid microstructured optical fiber has a new transverse section, which makes it particularly suitable for non-linear applications, such as, for example, but not exclusively, frequency doubling (w + w -> 2w), frequency trimming (w + w + w -> 3w), the generation of twin photons (2w -> w + w), the generation of triplet photons (3w -> w + w + w), etc ...
  • This optical fiber can advantageously be used in many technical fields, such as, for example, high-power "all-fiber” lasers, the securing of telecommunications networks by quantum cryptography, the generation of new frequencies by non-linear effects in various technical fields, and for example in the field of telecommunications or in the biomedical field.
  • microstructured fibers also known as photonic crystal fibers (PCF) or photonic bandgap fibers. fibers "or" PBGF ").
  • these microstructured fibers comprise a core ("core”) surrounded by a sheath ("cladding"), which is made of a base material (“background material”) most often silica, and which comprises a transverse network of longitudinal inclusions having refractive indices different from the refractive index of the base material of the sheath.
  • the refractive index of the base material of the optical fiber varies with wavelength (dispersion).
  • the microstructured fibers advantageously make it possible, by virtue of the presence of said inclusions of different refractive index, to modify this dispersion considerably.
  • a first type of inclusions used consists of inclusions having a refractive index higher than the refractive index of the base material.
  • a first type of inclusions of higher refractive index may consist of germanium oxide (GeO 2 ) doped silica inclusions.
  • a second type of inclusions used consists of inclusions having a refractive index lower than the refractive index of the base material.
  • a second type of inclusions of lower refractive index may consist of cavities or holes filled with a fluid (gas or liquid), and the more often filled with air.
  • the sheath may comprise only inclusions of high refractive index, or only inclusions of low refractive index, or a mixture of the two types of inclusions.
  • the inclusions may be arranged in the form of a periodic network or may be randomly distributed, or distributed in a configuration comprising both periodic and non-periodic regions.
  • the microstructured optical fibers allow a propagation of the light along the longitudinal axis of the fiber, by a total internal reflection guide or a guide by photonic forbidden bands.
  • microstructured fibers described in the aforementioned publications can not be used for nonlinear applications, such as, for example, frequency doubling (w + w -> 2w), frequency trimming (w + w + w -> 3w) , the generation of twin photons (2w -> w + w), the generation of triplet photons (3w -> w + w + w), etc.
  • crystals are used nonlinear. These nonlinear crystals have several disadvantages. In such crystals, the optical wave is not guided, so that the nonlinear interaction lengths are of the order of a few centimeters against a few meters for the optical fibers.
  • This microstructured optical fiber of the invention has the following technical characteristics, known and described in the aforementioned publication "Doped photonic bandgap fibers for short- waveIe ⁇ gth non linear devices » Vo! 28, N 0 IO, p 783 (2003), OPTICS LETTERS, Jesper and Anders Laegsgaard Bjarklev.
  • It comprises a core surrounded by a sheath, the sheath comprising a base material of refractive index (ni) and a plurality of inclusions of at least two different types, a first type of refractive index inclusions ( n2) greater than the refractive index (ni) of the sheath material, and a second type of inclusions with index (n3) less than the refractive index (ni) of the base material, said fiber permitting a Photonic bandgap guidance of a fundamental mode of light
  • the inclusions of the sheath are arranged and dimensioned so as to allow a total internal reflection guidance (RTI) of a fundamental mode of light, centered on a wavelength ⁇ R ⁇ , and guiding a fundamental mode of light in the first photonic forbidden band (BG1), centered on a wavelength ⁇ BG i which is less than that ATRTI of the fundamental mode guided by total internal reflection (RTI).
  • RTI total internal reflection guidance
  • microstructured optical fiber of the invention may also include other additional and optional technical features mentioned in the appended claims.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a microstructured optical fiber according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is an enlargement of a region of the cross-section of Figure 1;
  • FIG. 3 is a curve showing the variation of the refractive index difference ( ⁇ ) of the pure silica at two wavelengths ⁇ / 2 and ⁇ , for pump wavelength ⁇ between 0.3 ⁇ m and 3 ⁇ m, the refractive index of the silica according to Sellmeier's law;
  • FIG. 4 is a curve representing the variation of the refractive index difference ( ⁇ ) of the pure silica at two wavelengths ⁇ / 3 and ⁇ , for pump wavelengths ⁇ between 0.3 ⁇ m and 3 ⁇ m, the refractive index of the silica according to Sellmeier's law;
  • FIG. 3 is a curve showing the variation of the refractive index difference ( ⁇ ) of the pure silica at two wavelengths ⁇ / 2 and ⁇ , for pump wavelength ⁇ between 0.3 ⁇ m and 3 ⁇ m, the refractive index of the silica according to Sellmeier's law;
  • FIG. 5 is a diagram of the photonic forbidden bands of an optical fiber comprising the same network of inclusions of high refractive index as the fiber of FIG. 1, but without defects at the center and without inclusion of a weak index (holes of air), the index of the silica being assumed to be constant and equal to 1.45;
  • FIG. 6 is a diagram of photonic forbidden bands of an optical fiber comprising the same network of inclusions as the fiber of FIG. 1, but without defects in the center, the ratio d 3 / ⁇ of the inclusions of index n 3 of a network of 0.04, the index of the silica being assumed to be constant and equal to 1.45;
  • FIG. 7 is a diagram of photonic forbidden bands of an optical fiber comprising the same network of inclusions as the fiber of FIG.
  • FIG. 8 is a diagram showing the effective index variation, as a function of the wavelength (in ⁇ m), of the fundamental modes in the first photonic forbidden band (BG1) and in the total internal reflection band (RTI). of a microstructured optical fiber according to FIG. 1, and characterized by a pitch ⁇ of inclusions network equal to 0.798 ⁇ m and by a ratio d 3 / ⁇ of inclusions of index n 3 equal to 0.1518, the index of the silica varies according to Sellmeier's law; FIG.
  • FIG. 8 is a diagram showing the effective index variation, as a function of the wavelength (in ⁇ m), of the fundamental modes in the first photonic forbidden band (BG1) and in the total internal reflection band (RTI) of a microstructured optical fiber according to FIG. 1, and characterized by a pitch ⁇ of inclusions network equal to 1.386 ⁇ m and by a ratio d 3 / ⁇ of inclusions with index n 3 equal to 0.1518, the index silica varying according to Sellmeier's law;
  • FIG. 10 is a diagram showing the effective index variation, as a function of the wavelength (in ⁇ m), of the fundamental modes in the first photonic forbidden band (BG1) and in the total internal reflection band (RTI). of a microstructured optical fiber according to FIG.
  • FIG. 11 is a diagram showing the effective index variation, as a function of the wavelength (in ⁇ m), of the fundamental modes in the first photonic forbidden band (BG1) and in the total internal reflection band (RTI) of a microstructured optical fiber according to FIG.
  • FIG. 12 is a diagram showing the effective index variation, as a function of the wavelength (in ⁇ m), of the fundamental modes in the first photonic forbidden band (BG1) and in the total internal reflection band (RTI). of a microstructured optical fiber according to FIG. 1, and characterized by a pitch ⁇ of inclusions network equal to 0.92 ⁇ m and by a ratio d 3 / ⁇ of inclusions of index n 3 equal to 0.1518, the index the silica varies according to the law of Selimeier;
  • FIG. 13 is a curve representing the evolution (in ⁇ m) of the grating pitch ⁇ of an optical fiber according to FIG. 1, as a function of a pump length ⁇ RT ⁇ between 0.6 ⁇ m and 2 ⁇ m, for obtain a doubling of frequency from this pump wavelength, the index of the silica varying according to the Selimeier law;
  • FIG. 14 is a curve representing the evolution (in ⁇ m) of the grating pitch ⁇ of an optical fiber according to FIG. 1, as a function of a pump length ⁇ R ⁇ between 1 ⁇ m and 2 ⁇ m, to obtain a frequency tripling from this pump wavelength, the index of the silica varying according to the Selimeier law;
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of a microstructured optical fiber according to a second variant embodiment of the invention.
  • FIG. 16 is an enlargement of a region of the cross section of Figure 15.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of a microstructured optical fiber according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 18 is a diagram showing the effective index variation, as a function of the wavelength (in ⁇ m), of the fundamental modes in the first photonic forbidden band (BG1) and in the total internal reflection band (RTI). ) of a microstructured optical fiber according to FIG. 17, and characterized by a pitch ⁇ of inclusions network equal to 1.79 ⁇ m and by a ratio ds / ⁇ of inclusions with index n 3 equal to 0.4, the index silica varying according to Selimeier's law;
  • FIG. 19 is a diagram showing the effective index variation, as a function of the wavelength (in ⁇ m), of the fundamental modes in the first photonic forbidden band (BG1) and in the total internal reflection band (RTI).
  • FIG. 20 is a diagram showing the effective index variation, as a function of the wavelength (in ⁇ m), of the fundamental modes in the first photonic forbidden band (BG1) and in the total internal reflection band (RTI). of a microstructured optical fiber according to FIG.
  • FIG. 21 is a curve representing the evolution (in ⁇ m) of the grating pitch ⁇ of an optical fiber according to FIG. 17, as a function of a pump length between 0.8 ⁇ m and 3 ⁇ m, to obtain a doubling of frequency from this pump wavelength, the silica index varying according to Sellmeier's law;
  • Figure 22 a cross-sectional view of a microstructured optical fiber according to a fourth embodiment of the invention.
  • FIG. 23 is a diagram showing the effective index variation, as a function of the wavelength (in ⁇ m), of the fundamental modes in the first photonic forbidden band (BG1) and in the total internal reflection band (RTI) of a microstructured optical fiber according to FIG. 22, and characterized by a pitch ⁇ of inclusions network equal to 1, 22 ⁇ m and by a ratio d 3 / ⁇ of inclusions of index n 3 equal to 0.32, the index silica varying according to Sellmeier's law;
  • FIG. 24 is a diagram showing the effective index variation, as a function of the wavelength (in ⁇ m), of the fundamental modes in the first photonic forbidden band (BG 1) and in the total internal reflection band (RT!) of a microstructured optical fiber according to FIG. 22, and characterized by an inclusion network pitch ⁇ of 1.42 ⁇ m and by a ratio d ⁇ of inclusions of index n 3 equal to 0.32, the silica index varying according to Sellmeier's law;
  • FIG. 25 is a diagram showing the effective index variation, as a function of wavelength (in ⁇ m), of the fundamental modes in the first photonic forbidden band (BG1) and in the total internal reflection band (RTI). ) of a microstructured optical fiber according to FIG. 22, and characterized by a pitch ⁇ of inclusions network equal to 1.86 ⁇ m and by a ratio d 3 / ⁇ of inclusions of index n 3 equal to 0.32, the silica index varying according to Sellmeier's law,
  • FIG. 26 is a curve representing the evolution (in ⁇ m) of the grating pitch ⁇ of an optical fiber according to FIG. 22, as a function of a pump length between 0.8 ⁇ m and 2.5 ⁇ m, to obtain a frequency doubling from this pump wavelength, the silica index varying according to Sellmeier's law;
  • a preferred embodiment of the hybrid microstructured optical fiber of the invention comprises a sheath 1 which is made of a base material ("background") of refractive index (ni), in which is realized a periodic network of inclusions 2, 3 which extend over the entire length of the fiber. In the center of the fiber, this network of inclusions 2, 3 has a central defect 4 (absence of inclusions) forming the core of the optical fiber.
  • the inclusions 2 are characterized by a refractive index n2 which is greater than the refractive index and the material of the sheath.
  • the inclusions 3 are characterized by a refractive index n3 which is lower than the refractive index and the base material of the sheath 1.
  • the core 4 of the fiber is made of the same material as the base material of the sheath 1, and thus has a refractive index n4 identical to the refractive index and the sheath. . This is however not limiting of the invention; in another variant, the core 4 could have a refractive index n4 different from the refractive index and the base material of the sheath.
  • the refractive index n2 of the inclusions 2 is preferably greater than the index of refraction n4 of the core 4.
  • the refractive index n4 corresponds to the refractive index of said material.
  • the refractive index of the heart will be a mean index.
  • index of refraction n4" denotes the refractive index of the material constituting the core 4 in the case of a homogeneous core, or the average refractive index of the core 4 in the case of a non-homogeneous heart 4.
  • the sheath 1 is for example silica.
  • the inclusions 2 consist of longitudinal plots of silica doped with germanium oxide (GeO 2 ). Inclusions 3 are longitudinal air holes.
  • the invention is not limited to this particular type of inclusions.
  • the inclusions 2 of higher refractive index could consist of phosphorus doped silica, or glasses of tellurium, chalcogenide, ...
  • the air holes 3 can be replaced by longitudinal cavities filled with a fluid (liquid or gas different from air) having a refractive index lower than the index of refraction (ni) of the base material of the sheath 1 (such as, for example, water, ethanol).
  • the air holes 3 may be replaced by longitudinal solid pads made of a material having a refractive index lower than the refractive index and the base material of the sheath 1, for example fluorine-doped silica, Titanium oxide doped silica (TiO 2 ).
  • silica is a material particularly suitable for producing the sheath 1, the invention is however not limited to this material alone.
  • the base material of the cladding of the optical fiber could consist of chalcogenide glasses, tellurium glasses or any other glass having negligible absorption in the spectral regions considered by the invention.
  • an optical fiber according to the invention may comprise more than two different types of embodiments. inclusions.
  • the longitudinal inclusions 2 have a circular cross section of diameter d 2
  • the longitudinal inclusions 3 have a circular cross section of diameter d 3 .
  • the invention is not limited to these particular forms, the inclusions 2 and 3 may have in cross section forms totally different from those illustrated in Figure 1.
  • the inclusions 2 (or 3) of the same index of refraction are not necessarily identical and may have different cross-sectional dimensions and / or shapes.
  • the inclusion network 2,3 is periodic and is more particularly honeycomb type.
  • this periodic network is characterized by a network pitch ⁇ , also commonly referred to as "pitch", and corresponding in this example to the distance between the centers of two adjacent inclusions 2.
  • the inclusions 2 are arranged in the form of concentric hexagonal rings (three crowns in the illustrated example), and each inclusion 2 is surrounded by six inclusions 3 regularly distributed over its periphery, with the exception of inclusions 2 of the central crown.
  • the core 4 of the optical fiber (default in the periodic network) is obtained by removing in the center of this periodic network a central inclusion 2 and its six peripheral inclusions 3.
  • the inclusions of the central ring surrounding the core 4 consist of inclusions 2 of high refractive index n2, all the inclusions 3 of low refractive index n3 being located outside this central ring by report to the heart.
  • the light that propagates in the core 4 sees inclusions of refractive index greater than the refractive index n4 of the core 4, which contributes to obtaining a total internal reflection guidance.
  • the central ring surrounding the core was constituted by inclusions 3 of low refractive index n3 (n3 ⁇ n4), such a mode of propagation by total internal reflection would be difficult.
  • the core 4 is homogeneous and made of the same material as the base material of the sheath.
  • defects that may be non-periodic and of very small size relative to the pitch ⁇ of the grating, such as micrometric air holes, provided that the refractive index n2 of the inclusions 2 of the central ring surrounding the core 4 is greater than the refractive index n4 of the core 4.
  • the implementation of a periodic network of inclusions in particular of the honeycomb type, is particularly suitable for producing a microstructured optical fiber of the invention
  • the invention is not limited to this type of configuration of the inclusions, but more generally extends to any distribution of inclusions in cross section (periodic distribution, non-periodic, or comprising both periodic regions and non-periodic regions) making it possible to obtain the technical characteristics of the claim 1.
  • FIGS. 3 and 4 have been calculated considering that the refractive index of silica follows Sellmeier's law (IH Malitson, "Interspecimen Comparison of the Refractive Index of Fused Silica", JOSA 55, 1205 (1965)). These FIGS. 3 and 4 show that with a homogeneous material of index n i, the refractive index differential ( ⁇ ) is never zero, but goes through a minimum. It follows that the refractive indices n ⁇ and n ⁇ / z at the two wavelengths ⁇ and ⁇ / 2 are never equal, and that the refractive indices n ⁇ and r ⁇ ⁇ / 3 at the two lengths of waves ⁇ and ⁇ / 3 are never equal. Thus, with a homogeneous material of index ni, it is not possible to have a phase index agreement between two wavelengths [(FIG. 3 - ⁇ and ⁇ / 2); ( Figure 4 - ⁇ and ⁇ / 3)].
  • the inclusions 2 and 3 are dimensioned and arranged in such a way that said fiber makes it possible to guide a fundamental (quasi-Gaussian) mode of the light by photonic forbidden bands, and to guide a fundamental mode (quasi-Gaussian type) of the light by total internal reflection, according to the same direction of propagation (longitudinal direction of the fiber), the fundamental mode guided in the first photonic forbidden band (BG1) and the mode fundamental guided by total internal reflection being respectively centered on different wavelengths ⁇ Gi and ⁇ R ⁇ .
  • BG1 photonic forbidden band
  • the optical fiber of the invention allows a phase index agreement at these two wavelengths ( ⁇ R ⁇ i, ⁇ d ) between the fundamental mode guided in the first forbidden band (BG1) and the fundamental mode guided by total internal reflection, and in particular at two lengths ( ⁇ RTI, ABGI) double or triple.
  • the curves of FIGS. 5 to 7 were obtained using the MIT Photonic-bands (MPB) software.
  • MPB MIT Photonic-bands
  • This software uses the plane wave development method to calculate the structure of photonic band gaps in a periodic structure.
  • the index of the silica is assumed to be constant and equal to 1.45 for the diagrams of FIGS. 5 to 7.
  • ⁇ n is the refractive index difference between the high-index inclusions 2, and that of the ni-silica. It is further considered that neither follows Sellmeier's law (IH Malitson, "Interspecimen Comparison of the Refractive Index of Fused Silica", JOSA 55, 1205 (1965)). For the calculations, ⁇ n was a constant of 32.10 "3 .
  • d2 is the diameter of the inclusions 2
  • FIGS. 5 to 7 The diagrams of photonic forbidden bands of FIGS. 5 to 7 have been calculated for an optical fiber comprising the transverse structure of FIG. 1, but without central defects 4 in the periodic network of inclusions.
  • BG1, BG2, BG3, the photonic forbidden bands
  • FIGS. 5 to 7 In addition to these FIGS. 5 to 7, in addition to the photonic forbidden bands (BG1, BG2, BG3,...), There is shown (curve referenced nfsm) the variation of the average effective index of the cladding of the optical fiber (FIG. that is to say, the average index that would have the homogeneous material corresponding to the microstructured material of the sheath, which is characterized by a periodic grating of inclusions of refractive index n3 and n2) as a function of the length of d normalized wave ( ⁇ / ⁇ ). The calculation is made assuming further that the silica index is constant and assumed equal to 1.45.
  • the calculations were made for a network comprising both high index inclusions 2 (germanium doped silica) and low index inclusions 3 (air holes), and for a diameter ratio d 3 inclusions of index n3 on the pitch ⁇ equal to 0.04.
  • the nfsm curve remains above 1.45 (refractive index of pure silica), which demonstrates that it is not possible with such a fiber to guide a fundamental mode of light by total internal reflection, the radius inclusions of index n3 being too weak to significantly lower the average refractive index nfsm.
  • nfsm passes below 1.45 (refractive index of pure silica), which demonstrates that it is possible with such a fiber to guide a fundamental mode of light, not only by prohibited soundtracks, but also by total internal reflection, the ratio O 3 ZA inclusions of refractive index n3 is sufficiently large, and in particular large enough that the average effective index (nfsm) of the sheath 1 is less than the refractive index and of the base material of the sheath 1, at least for a range wavelength greater than the wavelength ⁇ s G i of the fundamental mode guided in the first photonic forbidden band (BG1). r 8 - 12 - phase index agreement
  • the referenced left curve (Mode BG1) represents the effective index variation (n), as a function of the wavelength (in ⁇ m), of the fundamental mode (of the quasi-Gaussian type). guided in the first photonic band gap (BG1);
  • the right-hand referenced curve (RTI mode) represents the effective index variation (n), as a function of the wavelength (in ⁇ m), of the fundamental mode (of quasi-Gaussian type) guided in the heart by total reflection internal (RTI).
  • inclusions 2 of high refractive index are responsible for the appearance of a guiding mechanism along the longitudinal axis of the fiber of a fundamental mode of light in forbidden bands.
  • photonics, and inclusions 3 of low refractive index are responsible for the appearance of a guiding mechanism along the longitudinal axis of the fiber of a fundamental mode of light by total internal reflection.
  • This phase index agreement allows to use the optical fiber for a mixture at at least three waves, granted in phase, with at least two of these waves having respective wavelengths ⁇ BG I e t ARTI. It is thus possible advantageously to use the optical fiber to generate, with a high optical efficiency, a fundamental mode centered on a wavelength ABGI from a fundamental mode centered on a wavelength ⁇ R ⁇ of the upper pump.
  • phase index matching can advantageously be obtained for a wave mixture with frequency doubling or tripling at the following wavelengths:
  • the curves of FIGS. 13 and 14 show the evolution of the pitch ⁇ of the inclusion network 2, 3 as a function of the pump wavelength ARTI, in order to obtain respectively a frequency doubling or a frequency tripling, starting from this ARTI pump wavelength.
  • These curves of FIGS. 13 and 14 show that it is also possible to obtain a phase index matching with frequency doubling or frequency trimming for other values of the pitch ⁇ of the inclusion network 2, 3. the same is true with respect to the frequency tripling, or more generally the generation of a frequency which is an integer multiple of the pump frequency.
  • FIGS. 15 and 16 show another variant embodiment of an optical fiber of the invention in which the inclusions with index (n3) have a cross section in the shape of an equilateral triangle of width (s), inscribed in a circle (fictitious) of diameter d3.
  • the invention is not limited to a microstructured optical fiber as described with reference to the appended figures and which could be used only for frequency doubling or frequency tripling by non-linear effects. More generally, the inclusions (2, 3) of the cladding of the microstructured optical fiber of the invention can be arranged to allow mixing with (m) waves by non-linear effects, m being an integer greater than or equal to 3, the inclusions of the cladding of the optical fiber of the invention being such that the fundamental mode guided in the first forbidden band (BG1) and the fundamental mode guided by total internal reflection (RTI) cumulatively respect the conditions (a) and (b) ) below: m being an integer greater than or equal to 3, and ⁇ AI being the value of the effective index of the fundamental mode propagating in the optical fiber at the wavelength ⁇ j .
  • BG1 first forbidden band
  • RTI total internal reflection
  • At least one wavelength ( ⁇ R ⁇ ) belongs to the fundamental mode guided by total internal reflection (RTI).
  • at least one wavelength ( ⁇ B G I) belongs to the fundamental mode guided in the first forbidden band (BG 1).
  • the conditions (a) and (b) described above respectively correspond to the photon energy conservation condition and the wave vector conservation condition, with the following sign conventions: wavelength is considered negative when the photon is annihilated and positive when the photon is created by the wave mixing mechanism.
  • FIGS. 17 and 22 show two other embodiments of a fiber of the invention comprising inclusions 2, 3 forming a periodic pitch network ⁇ .
  • inclusions 2 and 3 are identical in size and shape and differ only in their respective refractive indices n2 and n3.
  • the core 4 is surrounded by a hexagonal central crown constituted by inclusions 2 of high refractive index n2, the inclusions 3 of reliable refractive index n3 being all located at outside this central crown.
  • the inclusions 2 of high refractive index n2 are, for example, inclusions of germanium doped silica and the inclusions 3 of low refractive index n3 are, for example, air holes.
  • the inclusions 2 and 3 are of different sizes and form a square periodic network. More particularly, the core 4 is surrounded by a square central crown consisting of inclusions 2 of high refractive index n2, the inclusions 3 of low refractive index n3 being all located outside this central crown.
  • the inclusions 2 of high refractive index n2 are, for example, inclusions of germanium doped silica and the inclusions 3 of low refractive index n3 are, for example, air holes.
  • RTI total internal reflection
  • BG1 first photonic forbidden band

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)
  • Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)

Abstract

La fibre optique microstructurée comporte un cœur (4) entouré par une gaine (1); la gaine (1) comprend un matériau de base d'indice de réfraction (ni) et une pluralité d'inclusions d'au moins deux types différents, un premier type d'inclusions (2) d'indice de réfraction n2 (n2 >n1), et un deuxième type d'inclusions (3) d'indice de réfraction n3 (n3<n1). Les inclusions (2, 3) sont agencées et dimensionnée de manière à obtenir un guidage par réflexion totale interne (RTI) d'un mode fondamental de la lumière, centré sur une longueur d'onde λRTι, et un guidage d'un mode fondamental de la lumière dans la première bande interdite photonique (BG1), centré sur une longueur d'onde λBG1qui est différente de celle λRτι du mode fondamental guidé par réflexion totale interne (RTI).

Description

FIBRE OPTIQUE MICROSTRUCTUREE HYBRIDE PERMETTANT UN GUIDAGE PAR BANDES INTERDITES PHOTONIQUES ET PAR
REFLEXION TOTALE INTERNE ET OPTIMISEE POUR DES
APPLICATIONS NON LINEAIRES
Domaine technique
La présente invention concerne une fibre optique microstructurée hybride permettant un guidage de la lumière à la fois par un mécanisme de bandes interdites photoniques et par un mécanisme de réflexion totale interne. Cette fibre optique microstructurée hybride présente une section transverse nouvelle, qui la rend particulièrement adaptée pour des applications non linéaires, telles que par exemple, mais non exclusivement, le doublage de fréquence (w+w -> 2w), le triplage de fréquence ( w+w+w -> 3w) , Ia génération de photons jumeaux ( 2w -> w +w) , la génération de photons triplets ( 3w -> w+w+w) , etc ... Cette fibre optique peut avantageusement être utilisée dans de nombreux domaines techniques, tels que par exemple, les lasers de fortes puissance « tout fibre », la sécurisation des réseaux de télécommunication par cryptographie quantique, la génération de nouvelles fréquences par effets non-linéaires dans des domaines techniques variés, et par exemple dans le domaine des télécommunications ou dans le domaine biomédical.
Art antérieur
Les recherches récentes dans le domaine des fibres optiques ont conduit au développement d'un nouveau type de fibres dites microstructurées, et également désignées fibres à cristaux photoniques («photonic crystal fibres » - PCF), ou fibres à bandes interdites photoniques (« photonic bandgap fibres » ou « PBGF »).
D'une manière générale, ces fibres microstructurées comportent un cœur (« core ») entouré d'une gaine («cladding »), qui est réalisée dans un matériau de base (« background material ») le plus souvent en silice, et qui comprend un réseau transverse d'inclusions longitudinales présentant des indices de réfraction différents de l'indice de réfraction du matériau de base de la gaine.
L'indice de réfraction du matériau de base de la fibre optique (par exemple Ia silice) varie en fonction de longueur d'onde (dispersion). A la différence des fibres optiques à saut d'indice, les fibres microstructurées permettent avantageusement, grâce à la présence desdites inclusions d'indice de réfraction différents, de modifier fortement cette dispersion.
Un premier type d'inclusions mis en œuvre est constitué par des inclusions présentant un indice de réfraction plus élevé que l'indice de réfraction du matériau de base. Par exemple, mais non exclusivement, lorsque Ie matériau de base est en silice, un premier type d'inclusions d'indice de réfraction plus élevé peut être constitué par des inclusions de silice dopée à l'oxyde de germanium (GeO2).
Un deuxième type d'inclusions mis en œuvre est constitué par des inclusions présentant un indice de réfraction plus faible que l'indice de réfraction du matériau de base. Par exemple, mais non exclusivement, lorsque Ie matériau de base est en silice, un deuxième type d'inclusions d'indice de réfraction plus faible peut être constitué par des cavités ou trous remplis d'un fluide (gaz ou liquide), et le plus souvent remplis d'air.
Selon le cas, la gaine peut comporter uniquement des inclusions d'indice de réfraction élevé, ou uniquement des inclusions d'indice de réfraction faible, ou un mélange des deux types d'inclusions.
Selon le cas, les inclusions peuvent être agencées sous la forme d'un réseau périodique ou être distribuées aléatoirement, ou être distribuées selon une configuration comportant à la fois des régions périodiques et des régions non périodiques.
En fonction de leur structure transverse, les fibres optiques microstructurées permettent une propagation de la lumière suivant l'axe longitudinal de la fibre, par un guidage par réflexion totale interne ou par un guidage par bandes interdites photoniques.
En 2003 Jesper Laegsgaard et Anders Bjarklev ont décrit dans la publication « Doped photonic bandgap fibers for short-wavelength non ϋnear devices », Vo! 28, N°10, p 783 (2003), OPTICS LETTERS, une fibre optique microstructurée comportant des plots de silice dopée oxyde de germanium et des trous d'air, et présentant un zéro de dispersion dans le visible. La fibre optique microstructurée décrite dans cette publication permet un guidage de la lumière uniquement par bandes interdites photoniques, et ne permet pas un guidage de la lumière par réflexion totale interne, du fait de la présence des six trous d'air centraux.
En 2006, Arismar Cerqueira et al ont décrit dans la publication intitulée « Hybrid photonic crystal fiber », Vol 14, N°2 p 926 ( 2006), OPTiCS EXPRESS, une fibre optique microstructurée qui comprend des trous d'air et des plots de silice dopée germanium insérés dans un matériau de base en silice non dopée, et dont la structure transverse permet de guider la lumière à la fois par un mécanisme de bandes photoniques interdites dans une première direction, et par réflexion totale interne dans une seconde direction perpendiculaire à ladite première direction. Dans cette structure de fibre, et pour une même longueur d'onde, Ie mode est guidé à la fois par bandes interdites photoniques et par réflexion totale.
Les fibres microstructurées décrites dans les publications précitées ne peuvent pas être utilisées pour des applications non linéaires, telles que par exemple le doublage de fréquence (w+w -> 2w), le triplage de fréquence ( w+w+w -> 3w) , la génération de photons jumeaux ( 2w -> w +w), la génération de photons triplets ( 3w -> w+w+w) , etc ... A ce jour, dans ces applications optiques non linéaires, on utilise des cristaux non linéaires. Or ces cristaux non linéaires présentent plusieurs inconvénients. Dans de tels cristaux, l'onde optique n'est pas guidée, si bien que les longueurs d'interaction nonlinéaires sont de l'ordre de quelques centimètres contre quelques mètres pour les fibres optiques. En outre l'insertion de composants massifs mettant en œuvre ces cristaux non linéaires conduit inévitablement à des pertes et à des problèmes d'alignement, et donc à des dispositif fragiles et coûteux. Une autre étude publiée par A. Efimov, AJ. Tayior, F.G Omenetto, J. C. Knight, WJ. Wadsworth and P. StJ. Russel dans la publication intitulée « Phase matched third harmonies génération in microstructured fibers », 6 Octobre 2003, Vol11 No 20 p 2567 - OPTICS EXPRESS, décrit une solution pour obtenir un triplage de fréquence avec un accord d'indice de phase. La solution consiste à réaliser un accord de phase entre le mode fondamental qui se propage par réflexion totale interne dans la fibre optique microstructurée et des modes transverses d'ordre supérieur, notamment de troisième harmonique. Toutefois, les résultats obtenus dans cette étude ne sont pas vraiment satisfaisants, car la structure transverse du mode de troisième harmonique présente de multiples lobes, ce qui est préjudiciable au rendement et à l'exploitation de cette solution.
Objectifs de l'invention
Un objectif visé par l'invention est de proposer une nouvelle fibre optique microstructurée qui peut avantageusement être utilisée en remplacement des cristaux non linéaires dans des applications optiques non linéaires telles que par exemple la génération de photons jumeaux (2w -^ w +w avec w = 2πc/λ, c étant la vitesse de Ia lumière dans le vide, ou plus généralement Wi -> W2 + W3), la génération de photons triplets (3w -> w+w+w ou plus généralement w-|-> W2 + W3 + W4), ou telles que par exemple la génération de fréquences par effet non linéaire, et en particulier le mélange à 3 ondes (wi +w2 -> W3 ) ou plus particulièrement le doublage de fréquence (w+w -> 2w), le mélange à 4 ondes (W1 + W2 + W3 -> W4, W1 + W2 -> W3 + W4) ou plus particulièrement le triplage de fréquence (w+w+w -> 3w).
Résumé de l'invention
Cet objectif est atteint par la fibre optique microstructurée définie dans la revendication 1.
Cette fibre optique microstructurée de l'invention présente les caractéristiques techniques suivantes, connues et décrites dans la publication précitée « Doped photonic bandgap fibers for short- waveîeπgth non linear devices », Vo! 28, N0IO, p 783 (2003), OPTICS LETTERS, Jesper Laegsgaard et Anders Bjarklev. Elle comporte un cœur entouré par une gaine, la gaine comprenant un matériau de base d'indice de réfraction (ni) et une pluralité d'inclusions d'au moins deux types différents, un premier type d'inclusions d'indice de réfraction (n2) supérieur à l'indice de réfraction (ni) du matériau de la gaine, et un deuxième type d'inclusions d'indice (n3) inférieur à l'indice de réfraction (ni) du matériau de base, ladite fibre permettant un guidage par bandes interdites photoniques d'un mode fondamental de la lumière
De manière caractéristique selon l'invention, les inclusions de la gaine sont agencées et dimensionnées de manière à permettre un guidage par réflexion totale interne (RTI) d'un mode fondamental de la lumière, centré sur une longueur d'onde λRτι, et un guidage d'un mode fondamental de la lumière dans la première bande interdite photonique (BG1), centré sur une longueur d'onde λBGi qui est inférieure à celle ÀRTI du mode fondamental guidé par réflexion totale interne (RTI).
La fibre optique microstructurée de l'invention peut également comporter d'autres caractéristiques techniques additionnelles et facultatives mentionnées dans les revendications annexées.
Brève description des dessins
Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement et de manière plus complète à la lecture de la description détaillée ci-après d'une variante préférée de réalisation d'une fibre optique microstructurée de l'invention, laquelle description détaillée est donnée à titre d'exemple non limitatif et non exhaustif de l'invention, et en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- Ia figure 1 est une vue en coupe transversale d'une fibre optique microstructurée conforme à une première variante de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est un agrandissement d'une région de la coupe transversale de la figure 1 ; !a figure 3 est une courbe représentant la variation du différentiel (Δ) d'indice de réfraction de la silice pure à deux longueurs d'onde λ/2 et λ, pour des longueurs d'onde de pompe λ entre 0,3 μm et 3 μm, l'indice de réfraction de la silice suivant la loi de Sellmeier ; la figure 4 est une courbe représentant la variation du différentiel (Δ) d'indice de réfraction de la silice pure à deux longueurs d'onde λ/3 et λ, pour des longueurs d'onde de pompe λ entre 0,3 μm et 3 μm, l'indice de réfraction de la silice suivant la loi de Sellmeier ; la figure 5 est un diagramme des bandes interdites photoniques d'une fibre optique comportant le même réseau d'inclusions d'indice de réfraction élevé que la fibre de la figure 1 , mais sans défaut au centre et sans inclusion d'indice faible (trous d'air), l'indice de la silice étant supposé constant et égal à 1 ,45 ; la figure 6 est un diagramme de bandes interdites photoniques d'une fibre optique comportant le même réseau d'inclusions que la fibre de la figure 1, mais sans défaut au centre, le rapport d3/Λ des inclusions d'indice n3 du réseau valant 0,04 , l'indice de la silice étant supposé constant et égal à 1 ,45 ; la figure 7 est un diagramme de bandes interdites photoniques d'une fibre optique comportant Ie même réseau d'inclusions que la fibre de la figure 1 , mais sans défaut au centre, le rapport d3/Λ des inclusions d'indice n3 valant 0,1518, l'indice de la silice étant supposé constant et égal à 1 ,45 ; la figure 8 est un diagramme montrant Ia variation d'indice effectif, en fonction de Ia longueur d'onde (en μm), des modes fondamentaux dans la première bande interdite photonique (BG1) et dans la bande en réflexion totale interne (RTI) d'une fibre optique microstructurée conforme à la figure 1 , et caractérisée par un pas Λ de réseau d'inclusions valant 0,798μm et par un rapport d3/Λ des inclusions d'indice n3 valant 0,1518, l'indice de la silice variant selon Ia loi de Sellmeier ; Ia figure 8 est un diagramme montrant la variation d'indice effectif, en fonction de la longueur d'onde (en μm), des modes fondamentaux dans la première bande interdite photonique (BG1) et dans la bande en réflexion totale interne (RTI) d'une fibre optique microstructurée conforme à Ia figure 1 , et caractérisée par un pas Λ de réseau d'inclusions valant 1 ,386μm et par un rapport d3/Λ des inclusions d'indice n3 valant 0,1518, l'indice de la silice variant selon la loi de Sellmeier ; la figure 10 est un diagramme montrant la variation d'indice effectif, en fonction de la longueur d'onde (en μm), des modes fondamentaux dans la première bande interdite photonique (BG1) et dans la bande en réflexion totale interne (RTI) d'une fibre optique microstructurée conforme à la figure 1 , et caractérisée par un pas Λ de réseau d'inclusions valant 1 ,785μm, et par un rapport d3/Λ des inclusions d'indice n3 valant 0,1518, l'indice de la silice variant selon la loi de Sellmeier ; la figure 11 est un diagramme montrant la variation d'indice effectif, en fonction de la longueur d'onde (en μm), des modes fondamentaux dans la première bande interdite photonique (BG1) et dans la bande en réflexion totale interne (RTI) d'une fibre optique microstructurée conforme à la figure 1 , et caractérisée par un pas Λ de réseau d'inclusions valant 0,585μm et par un rapport d3/Λ des inclusions d'indice n3 valant 0,1518, l'indice de la silice variant selon Ia loi de Sellmeier ;
Ia figure 12 est un diagramme montrant la variation d'indice effectif, en fonction de la longueur d'onde (en μm), des modes fondamentaux dans Ia première bande interdite photonique (BG1) et dans la bande en réflexion totale interne (RTI) d'une fibre optique microstructurée conforme à la figure 1 , et caractérisée par un pas Λ de réseau d'inclusions valant 0,92μm et par un rapport d3/Λ des inclusions d'indice n3 valant 0,1518, l'indice de Ia silice variant selon la loi de Selimeier ;
- la figure 13 est une courbe représentant l'évolution (en μm) du pas de réseau Λ d'une fibre optique conforme à la figure 1 , en fonction d'une longueur de pompe λRTι entre 0,6μm et 2μm, pour obtenir un doublage de fréquence à partir de cette longueur d'onde de pompe, l'indice de la silice variant selon la loi de Selimeier ;
- la figure 14 est une courbe représentant l'évolution (en μm) du pas de réseau Λ d'une fibre optique conforme à la figure 1 , en fonction d'une longueur de pompe λRτι entre 1 μm et 2μm, pour obtenir un triplage de fréquence à partir de cette longueur d'onde de pompe, l'indice de la silice variant selon la loi de Selimeier ;
- la figure 15 est une vue en coupe transversale d'une fibre optique microstructurée conforme à une deuxième variante de réalisation de l'invention ;
- la figure 16 est un agrandissement d'une région de la coupe transversale de la figure 15.
- la figure 17 une vue en coupe transversale d'une fibre optique microstructurée conforme à une troisième variante de réalisation de l'invention ;
- la figure 18 est un diagramme montrant la variation d'indice effectif, en fonction de Ia longueur d'onde (en μm), des modes fondamentaux dans la première bande interdite photonique (BG1) et dans la bande en réflexion totale interne (RTI) d'une fibre optique microstructurée conforme à la figure 17, et caractérisée par un pas Λ de réseau d'inclusions valant 1 ,79μm et par un rapport ds/Λ des inclusions d'indice n3 valant 0,4, l'indice de Ia silice variant selon la loi de Selimeier ;
- la figure 19 est un diagramme montrant la variation d'indice effectif, en fonction de la longueur d'onde (en μm), des modes fondamentaux dans la première bande interdite photonique (BG1) et dans la bande en réflexion totale interne (RTI) d'une fibre optique microstructurée conforme à Ia figure 17, et caractérisée par un pas Λ de réseau d'inclusions valant 2,06μm et par un rapport d3/Λ des inclusions d'indice n3 valant 0,4, l'indice de la silice variant selon la loi de Sellmeier ; la figure 20 est un diagramme montrant la variation d'indice effectif, en fonction de la longueur d'onde (en μm), des modes fondamentaux dans la première bande interdite photonique (BG1) et dans la bande en réflexion totale interne (RTI) d'une fibre optique microstructurée conforme à la figure 17, et caractérisée par un pas Λ de réseau d'inclusions valant 2,67μm et par un rapport d3/Λ des inclusions d'indice n3 valant 0,4, l'indice de la silice variant selon la loi de Sellmeier ; la figure 21 est une courbe représentant l'évolution (en μm) du pas de réseau Λ d'une fibre optique conforme à la figure 17, en fonction d'une longueur de pompe entre 0,8μm et 3μm, pour obtenir un doublage de fréquence à partir de cette longueur d'onde de pompe, l'indice de la silice variant selon la loi de Sellmeier ; la figure 22 une vue en coupe transversale d'une fibre optique microstructurée conforme à une quatrième variante de réalisation de l'invention ; la figure 23 est un diagramme montrant la variation d'indice effectif, en fonction de la longueur d'onde (en μm), des modes fondamentaux dans Ia première bande interdite photonique (BG1) et dans la bande en réflexion totale interne (RTI) d'une fibre optique microstructurée conforme à la figure 22, et caractérisée par un pas Λ de réseau d'inclusions valant 1 ,22μm et par un rapport d3/Λ des inclusions d'indice n3 valant 0,32, l'indice de la silice variant selon la loi de Sellmeier ; la figure 24 est un diagramme montrant la variation d'indice effectif, en fonction de la longueur d'onde (en μm), des modes fondamentaux dans la première bande interdite photonique (BG 1) et dans la bande en réflexion totale interne (RT!) d'une fibre optique microstructurée conforme à la figure 22, et caractérisée par un pas Λ de réseau d'inclusions valant 1 ,42μm et par un rapport d^Λ des inclusions d'indice n3 valant 0,32, l'indice de la silice variant selon la loi de Sellmeier ;
- Ia figure 25 est un diagramme montrant la variation d'indice effectif, en fonction de la longueur d'onde (en μm), des modes fondamentaux dans Ia première bande interdite photonique (BG1) et dans Ia bande en réflexion totale interne (RTI) d'une fibre optique microstructurée conforme à la figure 22, et caractérisée par un pas Λ de réseau d'inclusions valant 1,86μm et par un rapport d3/Λ des inclusions d'indice n3 valant 0,32, l'indice de la silice variant selon Ia loi de Sellmeier,
- la figure 26 est une courbe représentant l'évolution (en μm) du pas de réseau Λ d'une fibre optique conforme à la figure 22, en fonction d'une longueur de pompe entre 0,8μm et 2,5μm, pour obtenir un doublage de fréquence à partir de cette longueur d'onde de pompe, l'indice de Ia silice variant selon la loi de Sellmeier ;
Description détaillée
En référence à la figure 1 , une variante préférée de réalisation la fibre optique microstructurée hybride de l'invention comporte une gaine 1 qui est réalisée dans un matériau de base (« background ») d'indice de réfraction (ni), dans lequel est réalisé un réseau périodique d'inclusions 2, 3 qui s'étendent sur toute la longueur de la fibre. Au centre de la fibre, ce réseau d'inclusions 2, 3 présente un défaut central 4 (absence d'inclusions), formant Ie cœur de la fibre optique.
D'une manière générale, les inclusions 2 sont caractérisées par un indice de réfraction n2 qui est supérieur à l'indice de réfraction ni du matériau de la gaine. Les inclusions 3 sont caractérisées par un indice de réfraction n3 qui est inférieur à l'indice de réfraction ni du matériau de base de la gaine 1. Dans les variantes illustrées sur les figures, le cœur 4 de la fibre est réalisé dans le même matériau que le matériau de base de la gaine 1 , et présente un ainsi un indice de réfraction n4 identique à l'indice de réfraction ni de la gaine. Ceci n'est toutefois pas limitatif de l'invention ; dans une autre variante, le cœur 4 pourrait avoir un indice de réfraction n4 différent de l'indice de réfraction ni du matériau de base de la gaine. Dans tous les cas, on veillera à ce que l'indice de réfraction n2 des inclusions 2 soit de préférence supérieur à l'indice de réfraction n4 du cœur 4. Lorsque le cœur 4 est réalisé dans un matériau homogène, son indice de réfraction n4 correspond à l'indice de réfraction dudit matériau. Si le cœur 4 est non homogène, l'indice de réfraction du cœur sera un indice moyen. Ainsi, dans le présent texte on désigne par les termes « indice de réfraction n4», l'indice de réfraction du matériau constitutif du cœur 4 dans le cas d'un cœur homogène, ou l'indice de réfraction moyen du cœur 4 dans le cas d'un cœur 4 non homogène.
Plus particulièrement, la gaine 1 est par exemple en silice. Les inclusions 2 sont constituées par des plots longitudinaux de silice dopée oxyde de germanium (GeO2). Les inclusions 3 sont des trous d'air longitudinaux.
L'invention n'est pas limitée à ce type particulier d'inclusions. Par exemple, et de manière non exhaustive, les inclusions 2 d'indice de réfraction plus élevé pourraient être constituées par de la silice dopée phosphore, ou par des verres de tellure, de chalcogenure,... Les trous d'air 3 peuvent être remplacés par des cavités longitudinales remplies d'un fluide (liquide ou gaz différent de l'air) présentant un indice de réfraction inférieur à l'indice de réfraction (ni) du matériau de base de la gaine 1 (comme par exemple de l'eau, de l'éthanol). Les trous d'air 3 peuvent être remplacés par des plots solides longitudinaux réalisés dans un matériau présentant un indice de réfraction inférieur à l'indice de réfraction ni du matériau de base de la gaine 1 comme par exemple de la silice dopée Fluor, de la silice dopée oxyde de Titane (TiO2). Bien que pour la mise en œuvre de l'invention, !a silice soit un matériau particulièrement approprié pour réaliser la gaine 1 , l'invention n'est toutefois pas limitée à ce seul matériau. Par exemple, le matériau de base de la gaine de la fibre optique pourrait être constitué par des verres chalcogénures, des verres de tellure ou tout autre verre possédant une absorption négligeable dans les zones spectrales considérées par l'invention.
L'invention n'est pas limitée à la mise en œuvre uniquement de deux types différents d'inclusions 2 et 3, mais dans d'autres variantes de réalisation, une fibre optique conforme à l'invention peut comporter plus de deux types différents d'inclusions.
Sur les figures 1 et 2, les inclusions longitudinales 2 présentent une section transversale circulaire de diamètre d2, et les inclusions longitudinales 3 présentent une section transversale circulaire de diamètre d3. L'invention n'est pas limitée à ces seules formes particulières, les inclusions 2 et 3 pouvant avoir en section transversale des formes totalement différentes de celles illustrées sur la figure 1. En outre, les inclusions 2 (ou 3) de même indice de réfraction ne sont pas nécessairement identiques et peuvent présenter en section transversale des dimensions et/ou des formes différentes.
Dans l'exemple particulier illustré sur la figure 1 , et de manière non limitative de l'invention, le réseau d'inclusions 2,3 est périodique et est plus particulièrement de type nid d'abeille (« honeycomb»). En référence à la figure 2, ce réseau périodique est caractérisé par un pas de réseau Λ, également communément désigné « pitch », et correspondant dans cet exemple à Ia distance entre les centres de deux inclusions 2 adjacentes.
Plus particulièrement dans ce réseau d'inclusions de type nid d'abeille, les inclusions 2 sont agencées sous forme de couronnes hexagonales concentriques (trois couronnes dans l'exemple illustré), et chaque inclusion 2 est entourée de six inclusions 3 régulièrement réparties sur sa périphérie, à l'exception des inclusions 2 de Ia couronne centrale. Le cœur 4 de la fibre optique (défaut dans le réseau périodique) est obtenu en retirant au centre de ce réseau périodique une inclusion centrale 2 et ses six inclusions périphériques 3.
On notera que les inclusions de la couronne centrale qui entoure le cœur 4 sont constituées par des inclusions 2 d'indice de réfraction élevé n2, toutes les inclusions 3 d'indice de réfraction faible n3 étant situées à l'extérieur de cette couronne centrale par rapport au coeur. Ainsi, la lumière qui se propage dans le cœur 4 voit des inclusions d'indice de réfraction supérieure à l'indice de réfraction n4 du cœur 4, ce qui contribue à l'obtention d'un guidage par réflexion totale interne. A l'inverse, si dans un tel réseau périodique, la couronne centrale entourant le cœur était constituée par des inclusions 3 d'indice de réfraction faible n3 (n3<n4), un tel mode de propagation par réflexion totale interne serait difficilement possible.
Dans l'exemple de la figure 1 , le cœur 4 est homogène et constitué du même matériau que le matériau de base de Ia gaine. Dans le cadre de l'invention, il est possible d'introduire dans Ie cœur 4 des défauts pouvant être non périodiques et de très petite dimension par rapport notamment au pas Λ du réseau, tel que des trous d'air micrométriques, à condition que l'indice de réfraction n2 des inclusions 2 de la couronne centrale entourant le cœur 4 soit supérieur à l'indice de réfraction n4 du cœur 4.
Bien que Ia mise en œuvre d'un réseau périodique d'inclusions, notamment de type nid d'abeille, soit particulièrement adaptée pour réaliser une fibre optique microstructurée de l'invention, l'invention n'est pas limitée à ce seul type de configuration des inclusions, mais s'étend plus généralement à toute distribution d'inclusions en section transversale (distribution périodique, non périodique, ou comportant à la fois des régions périodiques et des régions non périodiques) permettant d'obtenir les caractéristiques techniques de la revendication 1.
Dans Ia suite de la description, et par soucis de clarté et de simplification de l'exposé de l'invention, les considérations techniques s'appliquent à une fibre optique microstructurée présentant la section transversale des figures 1 et 2, avec une gaine 1 en silice, des inclusions 2 en silice dopée oxyde de germanium (GeO2), et des inclusions 3 constituées par des trous d'air. Il est toutefois à la portée immédiate et dans les compétences normales de l'homme du métier d'adapter et de transposer ces considérations techniques pour réaliser une fibre optique répondant à l'invention et présentant une structure transverse différente.
Les figures 3 et 4 ont été calculées en considérant que l'indice de réfraction de la silice suit la loi de Sellmeier (I. H. Malitson, "Interspecimen Comparison of the Refractive Index of Fused Silica", JOSA 55, 1205 (1965)). Ces figures 3 et 4 montrent qu'avec un matériau homogène d'indice ni , le différentiel (Δ) d'indice de réfraction n'est jamais nul, mais passe par un minimum. Il en résulte que les indices de réfraction nλ et n\ /z aux deux longueurs d'ondes λ et λ/2 ne sont jamais égaux, et que les indices de réfraction n\ et r\\ /3 aux deux longueurs d'ondes λ et λ/3 ne sont jamais égaux. Ainsi, avec un matériau homogène d'indice ni , il n'est pas possible d'avoir un accord d'indice de phase entre deux longueurs d'onde [(figure 3 - λ et λ/2) ; ( figure 4 - λ et λ/3)].
Dans la fibre optique de l'invention, les inclusions 2 et 3 sont dimensionnées et agencées de telle sorte que ladite fibre permet un guidage d'un mode fondamental (de type quasi-gaussien) de Ia lumière par bande interdites photoniques, et un guidage d'un mode fondamental (de type quasi-gaussien) de la lumière par réflexion totale interne, suivant la même direction de propagation (direction longitudinale de la fibre), le mode fondamental guidé dans la première bande interdite photonique (BG1) et le mode fondamental guidé par réflexion totale interne étant centrés respectivement sur des longueurs d'onde λβGi et λRτι différentes.
De plus particulièrement, selon une caractéristique facultative et additionnelle, la fibre optique de l'invention permet un accord d'indice de phase à ces deux longueurs d'onde (λRγi ; λβd) entre le mode fondamental guidé dans la première bande interdite (BG1) et le mode fondamental guidé par réflexion totale interne, et en particulier à deux longueurs (ΛRTI ; ABGI) double ou triple.
Dans une fibre optique présentant la structure particulière de Ia figure 1, l'apparition de ces deux modes de guidage de la lumière dépend notamment du diamètre (d3) des inclusions d'indice n3. Ceci sera mieux compris à la lumière des figures 5 à 12 qui vont à présent être détaillées.
Les courbes des figures 5 à 7 on été obtenues à l'aide du logiciel MIT Photonic-bands (MPB). Ce logiciel utilise la méthode de développement en ondes planes pour calculer la structure de bandes interdites photoniques dans une structure périodique. L'indice de la silice est supposé constant et égal à 1 ,45 pour les diagrammes des figures 5 à 7.
Ref : Steven G. Johnson and J. D. Joannopoulos, « Block-iterative frequency-domain methods for Maxwell's équations in a planewave basis (http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?URl=OPEX~8-3-173) », Optics Express 8 (3) 173-190 (2001).
Les résultats des courbes des figures 8 à 12 ont été obtenus par une méthode de calcul vectoriel d'éléments finis mise en œuvre au moyen du logiciel COMSOL multiphysics ™ (version 3.3a). Cette méthode de calcul consiste à résoudre l'équation d'HelmhoItz dans une section transverse de la fibre pour une longueur d'onde donnée, et à en déduire l'indice effectif du mode fondamental en fonction de la longueur d'onde.
Dans ces calculs, pour les inclusions 3 d'indice faible (trous d'air), l'indice de réfraction de ces inclusions était égal à 1. Pour les inclusions 2 d'indice élevé, les calculs ont été effectués en modélisant l'indice de réfraction de chaque inclusion 2 d'indice élevé par la loi parabolique suivante : + nl
Où r est la distance depuis le centre de l'inclusion, R est le rayon de l'inclusion, Δn est la différence d'indice de réfraction entre les inclusions 2 d'indice élevé, et celui de la silice ni . On considère en outre que ni suit la loi de Sellmeier (I. H. Malitson, "Interspecimen Comparison of the Refractive Index of Fused Silica", JOSA 55, 1205 (1965)). Pour les calculs, Δn était une constante valant 32.10"3.
Les courbes des figures 5 à 12 ont en outre été calculées pour des fibres optiques dont le réseau d'inclusions présente les caractéristiques géométriques suivantes (communes aux figures 5 à 12) : d2/Λ = 0,725, où :
- d2 est le diamètre des inclusions 2,
- Λ est la distance entre deux centres d'inclusions 2 (pas du réseau). Figures 5 à 7 - Influence du ratio d3/Λ sur l'apparition du mode de guidage par réflexion totale interne
Les diagrammes de bandes interdites photoniques des figures 5 à 7 ont été calculés pour une fibre optique comportant la structure transverse de la figure 1, mais sans défaut central 4 dans le réseau périodique d'inclusions. En outre sur ces figures 5 à 7, en plus des bandes interdites photoniques (BG1 , BG2, BG3,...), on a représenté (courbe référencée nfsm) la variation d'indice effectif moyen de Ia gaine de la fibre optique (c'est-à-dire l'indice moyen qu'aurait le matériau homogène correspondant au matériau microstructuré de la gaine, qui est caractérisée par un réseau périodique d'inclusions d'indice de réfraction n3 et n2) en fonction de la longueur d'onde normalisée (λ/Λ ). Le calcul est réalisé en supposant de plus que l'indice de Ia silice est constant et supposé égal à 1,45.
Plus particulièrement, pour la figure 5, les calculs ont été effectués pour un réseau comportant uniquement des inclusions 2 d'indice élevé (silice dopée germanium) et ne comportant pas de trous d'air 3. La courbe nfsm reste au dessus de 1 ,45 (indice de réfraction de la silice pure), ce qui démontre qu'il n'est pas possible avec une telle fibre de guider un mode fondamental de la lumière par réflexion total interne.
Pour la figure 6, les calculs ont été effectués pour un réseau comportant à la fois des inclusions 2 d'indice élevé (silice dopée germanium) et des inclusions 3 d'indice faible (trous d'air), et pour un rapport du diamètre d3 des inclusions d'indice n3 sur le pas Λ valant 0,04. La courbe nfsm reste au dessus de 1,45 (indice de réfraction de la silice pure), ce qui démontre qu'il n'est pas possible avec une telle fibre de guider un mode fondamental de la lumière par réflexion totale interne, le rayon des inclusions d'indice n3 étant trop faible pour abaisser de façon significative l'indice de réfraction moyen nfsm.
Pour la figure 7, les calculs ont été effectués pour un réseau comportant à la fois des inclusions 2 d'indice élevé (silice dopée germanium) et des inclusions 3 d'indice faible (trous d'air), et pour un rapport du diamètre des inclusions d'indice de réfraction n3 sur le pas du réseau Λ valant 0,1518. La courbe nfsm passe au dessous de 1,45 (indice de réfraction de la silice pure), ce qui démontre qu'il est possible avec une telle fibre de guider un mode fondamental de la lumière, non seulement par bandes phoniques interdites, mais également par réflexion totale interne, le rapport O3ZA des inclusions d'indice de réfraction n3 étant suffisamment important, et en particulier suffisamment important pour que l'indice effectif moyen (nfsm) de la gaine 1 soit inférieur à l'indice de réfraction ni du matériau de base de la gaine 1 , au moins pour une plage ûe longueur d'onde supérieure à la longueur d'onde λsGi du mode fondamental guidé dans la première bande interdite photonique (BG1). riqures 8 à 12 - accord d'indice de phase
L'évolution de l'indice effectif (n) du mode fondamental dans la jremière bande photonique interdite (BG1) et dans la bande en réflexion totale interne (RT!) pour une fibre optique conforme aux figures 1 et 2 (avec inclusions 2 en silice dopée germanium et inclusion 3 formées par des trous d'air) a été calculée pour différentes valeurs du pas (Λ) du réseau d'inclusions. Les résultats de ces calculs correspondent aux courbes des figures 8 à 12. L'indice de réfraction ni évolue selon la loi de Sellmeier. Les valeurs du pas (Λ) du réseau d'inclusions étaient les suivantes :
Figure 8 : Λ = 0,798μm Figure 9 : Λ = 1,386μm Figure 10 : Λ = 1,785μm Figure 11 : Λ = 0,588μm Figure 12 : Λ = 0,92μm
Sur ces figures 8 à 12, la courbe de gauche référencée (Mode BG1) représente la variation d'indice effectif (n), en fonction de la longueur d'onde (en μm), du mode fondamental (de type quasi-gaussien) guidé dans la première bande interdite photonique (BG1) ; la courbe de droite référencée (Mode RTI) représente la variation d'indice effectif (n), en fonction de la longueur d'onde (en μm), du mode fondamental (de type quasi-gaussien) guidé dans le cœur par réflexion totale interne (RTI).
Dans cette fibre optique microstructurée de l'invention, les inclusions 2 d'indice de réfraction élevé sont responsables de l'apparition d'un mécanisme de guidage suivant l'axe longitudinal de la fibre d'un mode fondamental de la lumière par bandes interdites photoniques, et les inclusions 3 d'indice de réfraction faible sont responsables de l'apparition d'un mécanisme de guidage suivant l'axe longitudinal de la fibre d'un mode fondamental de la lumière par réflexion totale interne.
Les courbes des figures 8 à 12, montrent que dans chaque cas il est possible avec cette fibre optique microstructurée d'avoir une égalité des indices effectifs (n) du mode fondamental :
(i) à deux longueurs d'ondes différentes ΛBGI et λRTι, et
(ii) pour une valeur de l'indice effectif (n) qui est inférieure à l'indice de réfraction du matériau de base de !a gaine 1. Il en résulte un accord d'indice de phase aux longueurs d'ondes ABGI et ΛRTI entre respectivement Ie mode fondamental guidé dans Ia première bande interdite (BG1) et le mode fondamental guidé par réflexion totale interne. On notera en outre sur les figures 8 à 12, que la différence entre lesdites longueurs d'onde ABGI et λRτι est telle que la longueur d'onde λRγι est située au-delà de la gamme de longueur d'ondes du mode fondamental guidé dans la première bande interdite (BG1).
Cet accord d'indice de phase permet d'utiliser la fibre optique pour un mélange à au moins trois ondes, accordées en phase, avec au moins deux de ces ondes possédant respectivement les longueurs d'ondes ΛBGI et ARTI . On peut ainsi utiliser avantageusement la fibre optique pour générer, avec un rendement optique élevé, un mode fondamental centré sur une longueur d'onde ABGI à partir d'un mode fondamental centré sur une longueur d'onde λRτι de pompe supérieure. Bien entendu, dans le cas par exemple du doublage de fréquence (respectivement du triplage de fréquence), de manière connue en soi par l'homme du métier on veillera à ce que Ia fibre optique vérifie en plus une susceptibilité χ(2) (respectivement χ(3)), qui peut être obtenue par une méthode dite de « poling » , tel que cela est enseigné par exemple dans : P. G. Kazansky, L. Dong et P. Russell « High second order nonlinearities in poled silicate fiber », Vol. 19, No 10, p 701 (1994) Optics Letters.
Plus particulièrement dans les exemples des figures 8 à 12, l'accord d'indice de phase peut avantageusement être obtenu pour un mélange d'ondes avec doublage ou triplage de fréquence aux longueurs d'onde suivantes :
Figure 8 : ΛBGI = 0,4μm et λRτι = 0,8μm (doublage de fréquence) Figure 9 : λBGi = 0,59μm et λRT[ = 1 ,18μm (doublage de fréquence) Figure 10 : λBGi = 0,75μm et λRTι = 1 ,5μm (doublage de fréquence) Figure 11 : ABGI = 0,354μm et λRTι = 1 ,064μm (triplage de fréquence) Figure 12 : λBci = 0,5μm et λRTi = 1 ,5μm (triplage de fréquence). Les exemples des figures 8 à 12 ne sont pas limitatifs et exhaustifs de l'invention. Plus généralement, les longueurs d'onde (AR-Π ; ΛBGI) correspondant à un accord d'indice de phase peuvent être un multiple entier l'une de l'autre (AR-Π = k. ΛBGI, k étant un entier supérieur ou égal à 2).
Les courbes des figures 13 et 14 montre l'évolution du pas Λ du réseau d'inclusions 2, 3 en fonction de la longueur d'onde de pompe ARTI, pour obtenir respectivement un doublage de fréquence ou un triplage de fréquence, à partir de cette longueur d'onde de pompe ARTI. Ces courbes des figures 13 et 14 montrent qu'il est possible d'obtenir également un accord d'indice de phase avec doublage de fréquence ou triplage de fréquence pour d'autres valeurs du pas Λ du réseau d'inclusions 2, 3. Il en est de même en ce qui concerne le triplage de fréquence, ou plus généralement la génération d'une fréquence qui est un multiple entier de la fréquence de pompe.
A titre d'exemple, on a représenté sur les figures 15 et 16, une autre variante de réalisation d'une fibre optique de l'invention dans laquelle les inclusions d'indice (n3) présentent une section transversale en forme de triangle équilatéral de largeur (s), inscrit dans un cercle (fictif) de diamètre d3.
L'invention n'est pas limitée à une fibre optique microstructurée telle que décrite en référence aux figures annexées et qui serait utilisable uniquement pour le doublage de fréquence ou le triplage de fréquence par effets non linéaires. Plus généralement, les inclusions (2, 3) de la gaine la fibre optique microstructurée de l'invention peuvent être agencées de manière à permettre un mélange à (m) ondes par effets non linéaires, m étant un entier supérieur ou égal à 3, les inclusions de la gaine de la fibre optique de l'invention étant telles que le mode fondamental guidé dans la première bande interdite (BG1) et le mode fondamental guidé par réflexion totale interne (RTI) respectent cumulativement les conditions (a) et (b) ci- après : m étant un entier supérieur ou égal à 3, et ΠAI étant la valeur de l'indice effectif du mode fondamental se propageant dans la fibre optique à la longueur d'ondes λj.
En outre conformément à l'invention, parmi les longueurs d'onde λj respectant les conditions (a) et (b), au moins une longueur d'onde (λRτι) appartient au mode fondamental guidé par réflexion totale interne (RTI), et au moins une longueur d'onde (ΛBGI) appartient au mode fondamental guidé dans la première bande interdite (BG 1).
Les conditions (a) et (b) décrites ci-dessus correspondent respectivement à la condition de conservation de l'énergie des photons et à la condition de conservation du vecteur d'onde, avec les conventions de signe suivantes : la longueur d'onde est considérée comme négative lorsque le photon est annihilé et positive lorsque le photon est créé par le mécanisme de mélange à m ondes.
Par exemple, dans le cas particulier d'un mélange à trois ondes avec création d'un photon à W3 (m = 3 et Wi + W2 -> w3), les conditions (a) et (b) précitées deviennent :
Par exemple, dans le cas particulier d'un mélange à quatre ondes avec création d'un photon à W4 (m=4 et Wi + W2 + W3 -> w4), les conditions (a) et (b) précitées deviennent :
+ — 1 = 0 Λ o
On a représenté sur les figures 17 et 22, deux autres variantes de réalisation d'une fibre de l'invention comportant des inclusions 2,3 formant un réseau périodique de pas (pitch) Λ.
Dans la variante de la figure 17, les inclusions 2 et 3 sont identiques en taille et en forme et diffèrent uniquement par leurs indices de réfraction respectifs n2 et n3. De manière similaire aux variantes des figures 1 et 15, le cœur 4 est entouré par une couronne centrale hexagonale constituée par des inclusions 2 d'indice de réfraction n2 élevé, les inclusions 3 d'indice de réfraction fiable n3 étant toutes situées à l'extérieur de cette couronne centrale. Les inclusions 2 d'indice de réfraction élevé n2 sont par exemple des inclusions de silice dopée germanium et les inclusions 3 d'indice de réfraction faible n3 sont par exemple des trous d'air.
Les courbes des figures 18 à 20 montrent l'évolution de l'indice de réfraction effectif (n) du mode fondamental dans la première bande photonique interdite (BG1) et guidé par réflexion totale interne (RTI) pour une fibre optique conforme à la figure 17 (avec inclusions 2 en silice dopée germanium et inclusion 3 formées par des trous d'air). Ces courbes ont été obtenues de la même manière que pour les courbes des figures 8 à 12 et avec les paramètres suivants : d2/Λ = d3/Λ = 0,4 Δn = 32.10-3 Figure 18 : Λ = 1 ,79μm Figure 19 : Λ = 2,06μm Figure 20 : Λ = 2,67μm
Les courbes des figures 18 à 21 montrent que pour différents pas Λ du réseau, il est possible de réaliser un mélange à trois ondes dégénérées accordées en phase, avec deux de ces ondes, qui possèdent des longueurs d'onde doubles λRτι et λBGi [λRτι = 2.λβGi], et qui appartiennent respectivement au mode fondamental guidé par réflexion totale interne (RTI) et au mode fondamental guidé dans la première bande interdite photonique (BG 1).
Dans la variante de la figure 22, les inclusions 2 et 3 sont de tailles différentes et forment un réseau périodique carré. Plus particulièrement, le cœur 4 est entouré par une couronne centrale carrée et constituée par des inclusions 2 d'indice de réfraction n2 élevé, les inclusions 3 d'indice de réfraction faible n3 étant toutes situées à l'extérieur de cette couronne centrale. Les inclusions 2 d'indice de réfraction élevé n2 sont par exemple des inclusions de silice dopée germanium et les inclusions 3 d'indice de réfraction faible n3 sont par exemple des trous d'air.
Les courbes des figures 23 à 25 montrent l'évolution de l'indice de réfraction effectif (n) du mode fondamental dans la première bande photonique interdite (BG1) et guidé par réflexion totale interne (RTI) pour une fibre optique conforme à la figure 22 (avec inclusions 2 en silice dopée germanium et inclusion 3 formées par des trous d'air). Ces courbes ont été obtenues de la même manière que pour les courbes des figures 8 à 12 et avec les paramètres suivants : d2/Λ = 0,72 ; d3/Λ = 0,32 Δn = 30.10"3 Figure 23 : Λ = 1 ,22μm Figure 24 : Λ = 1 ,42μm Figure 25 : Λ = 1 ,86μm
Les courbes des figures 22 à 26 montrent que pour différents pas Λ du réseau, il est possible de réaliser un mélange à trois ondes accordées en phase, avec deux de ces ondes, qui possèdent des longueurs d'onde doubles λRTi et λβd [λRτι = 2.λBGi], et qui appartiennent respectivement au mode fondamental guidé par réflexion totale interne (RTI) et au mode fondamental guidé dans la première bande interdite photonique (BG1). L'invention n'est pas limitée aux exemples particuliers de réalisation décrite en référence aux figures annexées. D'autres variantes de réalisation à la portée de l'homme du métier et couvertes par les revendications annexées peuvent être envisagées, sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDtCATiQNS
1. Fibre optique microstructurée comportant un cœur (4) entouré par une gaine (1), la gaine (1) comprenant un matériau de base d'indice de réfraction (ni) et une pluralité d'inclusions d'au moins deux types différents, un premier type d'inclusions (2) d'indice de réfraction (n2) supérieur à l'indice de réfraction (ni) du matériau de base, et un deuxième type d'inclusions (3) d'indice de réfraction (n3) inférieur à l'indice de réfraction (ni) du matériau de base, ladite fibre permettant un guidage par bandes interdites photoniques d'un mode fondamental de la lumière, caractérisée en ce que les inclusions (2, 3) de la gaine sont agencées et dimensionnées de manière à permettre un guidage par réflexion totale interne (RTI) d'un mode fondamental de la lumière, centré sur une longueur d'onde λκr\ , et un guidage d'un mode fondamental de la lumière dans la première bande interdite photonique (BG 1), centré sur une longueur d'onde λβd qui est inférieure à celle λRTi du mode fondamental guidé par réflexion totale interne (RTI).
2. Fibre optique microstructurée selon Ia revendication 2, caractérisée en ce que l'indice effectif moyen (nfsm) de la gaine (1) est inférieur à l'indice de réfraction (ni) du matériau de base de la gaine (1) au moins pour une plage de longueur d'onde supérieure à la longueur
3. Fibre optique microstructurée selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que Ie cœur (4) est entouré par une couronne centrale constituée du premier type d'inclusions (2), toutes les inclusions (3) du deuxième type étant situées à l'extérieur de cette couronne centrale.
4. Fibre optique microstructurée selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'indice de réfraction (n2) des inclusions (2) est supérieur à l'indice de réfraction (n4) du cœur (4).
5. Fibre optique microstructurée selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le cœur (4) de la fibre comprend le même matériau de base que la gaine (1).
6. Fibre optique microstructurée selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'indice de réfraction (n4) du cœur (4) est égal à l'indice de réfraction (ni) du matériau de base de la gaine
(1)-
7. Fibre optique microstructurée selon la revendication 6, caractérisée en ce que le cœur (4) de la fibre est constitué par le même matériau que le matériau de base de la gaine (1).
8. Fibre optique microstructurée selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les inclusions (2,3) sont agencées sous la forme d'un réseau périodique caractérisé par un pas constant (Λ).
9. Fibre optique microstructurée selon la revendication 8, caractérisée en ce que la dimension des inclusions (3) du deuxième type et le pas (Λ) du réseau d'inclusions sont choisis de telle sorte que l'indice effectif moyen (nfsm) de la gaine (1) est inférieur à l'indice de réfraction (ni) du matériau de base de la gaine (1) au moins pour une plage de longueur d'onde supérieure à la longueur d'onde
10. Fibre optique microstructurée selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les inclusions (2, 3) de la gaine sont agencées et dimensionnées de manière à permettre un mélange à m ondes (m > 3) accordées en phase, avec au moins deux de ces ondes possédant des longueurs d'onde différentes (ÀRTI , λBGi), et appartenant respectivement au mode fondamental guidé par réflexion totale interne (RTI) et au mode fondamental guidé dans la première bande interdite photonique (BG1).
11. Fibre optique microstructurée selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que le mode fondamental guidé dans la première bande interdite (BG1) et le mode fondamental guidé par réflexion totale interne (RTI) respectent cumulativement les conditions (a) et (b) suivantes :
(b) ∑^ = 0
m étant un entier supérieur ou égal à 3, et nλi étant la valeur de l'indice effectif du mode fondamental se propageant dans la fibre optique à la longueur d'ondes λj, et en ce que parmi les longueurs d'onde λj respectant les conditions (a) et (b), au moins une longueur d'onde (λRτι) appartient au mode fondamental guidé par réflexion totale interne (RTI), et au moins une longueur d'onde (ΛBGI) appartient au mode fondamental guidé dans la première bande interdite (BG1).
12. Fibre optique microstructurée selon l'une des revendications 1 à 11 , caractérisée en ce que les inclusions (2, 3) de la gaine sont agencées et dimensionnées de telle sorte que pour au moins deux longueurs d'onde différentes λRTι et λBGi appartenant respectivement au mode fondamental guidé par réflexion totale interne (RTI) et au mode fondamental guidé dans la première bande interdite photonique (BG1), les indices de réfraction effectifs de la fibre (nλRTι ; nλBGi) à ces deux longueurs d'onde λRT| et λBGi sont égaux et inférieurs à l'indice de réfraction (ni) du matériau de base de la gaine .
13. Fibre optique microstructurée selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que les deux longueurs d'onde λRTι et λBGi respectent la condition suivante :λRTι = k.λBGi, k étant un entier supérieur ou égal à 2.
14. Fibre optique microstructurée selon la revendication 13, caractérisée en ce que les deux longueurs d'onde λRτι et ΛBGI respectent la condition suivante : λRτι =2λBG-ι.
15. Fibre optique microstructurée selon la revendication 13, caractérisée en ce que les deux longueurs d'onde ΛRTI et ΛBGI respectent Ia condition suivante : ΛRTI = 3ΛBGI-
16. Fibre optique microstructurée selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisée en ce que la longueur d'onde ΛRTI du mode fondamental guidé par réflexion totale interne (RTI) est située en dehors de la gamme de longueur d'ondes du mode fondamental guidé dans la première bande interdite (BG1).
17. Fibre optique microstructurée selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisée en ce que le réseau d'inclusions (2,3) est hexagonal de type nid d'abeille.
18. Fibre optique microstructurée selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisée en ce que Ie réseau d'inclusions (2,3) forme un carré.
19. Fibre optique microstructurée selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisée en ce que le réseau d'inclusion (2,3) comporte au moins deux couronnes concentriques formées par des d'inclusions (2) du premier type, chaque inclusion (2) du premier type étant entourée par plusieurs inclusions (3) du deuxième type, à l'exception des inclusions (2) de premier type de la couronne centrale.
20. Fibre optique microstructurée selon l'une des revendications 1 à
19, caractérisée en ce que Ie matériau de base de Ia gaine est en silice et les inclusions (3) du deuxième type comportent des trous d'air.
21. Fibre optique microstructurée selon l'une des revendications 1 à
20, caractérisée en ce que le matériau de base de Ia gaine est en silice et les inclusions (2) du premier type comportent des inclusions en silice dopée.
22. Fibre optique microstructurée selon la revendication 21 , caractérisée en ce que les inclusions (2) du premier type comportent des inclusions en silice dopée germanium ou en silice dopée phosphore.
23. Fibre optique microstructurée selon l'une des revendications 1 à
22, caractérisée en ce que le matériau de base de la gaine est en silice et les inclusions (2) du premier comportent des inclusions en verre de tellure ou en verre de chalcogenure.
24. Fibre optique microstructurée selon l'une des revendications 1 à
23, caractérisée en ce que les inclusions (2) du premier type comportent des inclusions contenant un liquide ou gaz présentant un indice de réfraction (n2) supérieur à l'indice de réfraction (ni) du matériau de base de la gaine (1).
25. Fibre optique microstructurée selon l'une des revendications 1 à 24, caractérisée en ce que les inclusions (3) du deuxième type comportent des inclusions contenant un liquide ou gaz présentant un indice de réfraction (n3) inférieur à l'indice de réfraction (ni) du matériau de base de la gaine (1).
26. Utilisation d'une fibre optique microstructurée visée à l'une des revendications 1 à 25 pour la génération de fréquences par effets non linéaires, et notamment pour l'une des applications suivantes : génération de photons jumeaux, génération de photons triplets, générations de fréquences multiples, en particulier doublage de fréquence, triplage de fréquence.
EP08837519A 2007-07-26 2008-07-25 Fibre optique microstructuree hybride permettant un guidage par bandes interdites photoniques et par reflexion totale interne et optimisee pour des applications non lineaires Withdrawn EP2174171A1 (fr)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP08837519A EP2174171A1 (fr) 2007-07-26 2008-07-25 Fibre optique microstructuree hybride permettant un guidage par bandes interdites photoniques et par reflexion totale interne et optimisee pour des applications non lineaires

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP07370013A EP2020611A1 (fr) 2007-07-26 2007-07-26 Fibre optique microstructurée hybride permettant un guidage par bandes interdites photoniques et par reflexion totale interne et optimisée pour des applications non linéaires
PCT/FR2008/001111 WO2009047404A1 (fr) 2007-07-26 2008-07-25 Fibre optique microstructuree hybride permettant un guidage par bandes interdites photoniques et par reflexion totale interne et optimisee pour des applications non lineaires
EP08837519A EP2174171A1 (fr) 2007-07-26 2008-07-25 Fibre optique microstructuree hybride permettant un guidage par bandes interdites photoniques et par reflexion totale interne et optimisee pour des applications non lineaires

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2174171A1 true EP2174171A1 (fr) 2010-04-14

Family

ID=38820120

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP07370013A Withdrawn EP2020611A1 (fr) 2007-07-26 2007-07-26 Fibre optique microstructurée hybride permettant un guidage par bandes interdites photoniques et par reflexion totale interne et optimisée pour des applications non linéaires
EP08837519A Withdrawn EP2174171A1 (fr) 2007-07-26 2008-07-25 Fibre optique microstructuree hybride permettant un guidage par bandes interdites photoniques et par reflexion totale interne et optimisee pour des applications non lineaires

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP07370013A Withdrawn EP2020611A1 (fr) 2007-07-26 2007-07-26 Fibre optique microstructurée hybride permettant un guidage par bandes interdites photoniques et par reflexion totale interne et optimisée pour des applications non linéaires

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8442372B2 (fr)
EP (2) EP2020611A1 (fr)
JP (1) JP2010534860A (fr)
WO (1) WO2009047404A1 (fr)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3460543B1 (fr) * 2010-06-25 2021-07-21 NKT Photonics A/S Fibre optique monomode à grande zone centrale
EP2533081A1 (fr) * 2011-06-09 2012-12-12 Universite De Lille 1 Sciences Et Technologies Fibre de cristal photonique hybride
CN108398781B (zh) * 2018-03-12 2021-05-04 北京理工大学 一种模拟光纤激光自由空间相干合成能量分布的方法
US11105973B2 (en) 2019-01-11 2021-08-31 Schott Corporation Optically enhanced high resolution image guides
FR3102864B1 (fr) * 2019-10-31 2021-11-12 Univ Limoges Architecture pour guide d’ondes électromagnétiques
EP4116747A1 (fr) * 2021-07-08 2023-01-11 NKT Photonics A/S Fibre optique
CN116259241A (zh) * 2023-03-14 2023-06-13 京东方科技集团股份有限公司 一种显示面板及显示装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2009047404A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
EP2020611A1 (fr) 2009-02-04
US20100226614A1 (en) 2010-09-09
JP2010534860A (ja) 2010-11-11
WO2009047404A1 (fr) 2009-04-16
US8442372B2 (en) 2013-05-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2009047404A1 (fr) Fibre optique microstructuree hybride permettant un guidage par bandes interdites photoniques et par reflexion totale interne et optimisee pour des applications non lineaires
Porcel et al. Two-octave spanning supercontinuum generation in stoichiometric silicon nitride waveguides pumped at telecom wavelengths
FR2950443A1 (fr) Fibre optique pour la generation de frequence somme et son procede de fabrication
FR2832513A1 (fr) Structure a cristal photonique pour la conversion de mode
Sadgrove et al. Photonic crystal nanofiber using an external grating
CA2479986A1 (fr) Fabrication de guides d`onde optique par ablation laser
FR2949158A1 (fr) Fibre optique microstructuree et dispositif pour generer une lumiere blanche a large bande
FR2728697A1 (fr) Convertisseur de frequence a tres haute efficacite, en optique guidee
FR2573547A1 (fr) Source optique monomode et dispositif amplificateur optique accordables dans le proche infra-rouge et l&#39;application aux dispositifs amplificateurs selectifs et de regeneration
EP2491628A2 (fr) Systeme de generation d&#39;une lumiere polychromatique en regime continu par fibre optique microstructuree dopee.
EP2399163B1 (fr) Dispositif optique pour la génération d&#39;une lumière polychromatique
EP3911999B1 (fr) Transposition en frequence d&#39;un signal optique par melange de plusieurs ondes
EP4008041B1 (fr) Guide d&#39;ondes electromagnetiques
EP2440969B1 (fr) Procédé de génération d&#39;un spectre s&#39;étendant depuis le domaine infrarouge jusque dans le domaine ultraviolet et source laser polychromatique associée
Li et al. Manipulating leaky mode in silicon waveguides harnessing bound states in the continuum
WO2010026309A1 (fr) Dispositif laser a fibre de forte puissance moyenne
EP1869524B1 (fr) Dispositif de generation d&#39;une lumiere polychromatique a spectre continu par excitation a une longueur d&#39;onde
WO2023281010A1 (fr) Dispositif de couplage pour fibres optiques a cœur creux comprenant un element de couplage
EP2100175A2 (fr) Fibre optique dopee a symetrie spatiale brisee
EP1989590B1 (fr) Procede de generation d&#39;une source large bande spectrale par accord de phase incluant des modes de fuite
FR3133929A1 (fr) Guide d’onde multimode configuré pour générer une radiation monomode à partir d’une radiation monomode.
FR3138531A1 (fr) Fibre optique comportant un réseau de Bragg
FR2964471A1 (fr) Dispositif a cristal photonique planaire a dispersion controlee
WO2014206975A1 (fr) Composant optique à fibre

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20100105

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL BA MK RS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20100531

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: BIGOT, LAURENT

Inventor name: LE ROUGE, ANTOINE

Inventor name: DELPLACE, KAREN

Inventor name: DOUAY, MARC

Inventor name: BETOURNE, AURELIE

Inventor name: PERRIN, MATHIAS

Inventor name: BOUWMANS, GERAUD

Inventor name: QUIQUEMPOIS, YVES

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: BIGOT, LAURENT

Inventor name: LE ROUGE, ANTOINE

Inventor name: DELPLACE, KAREN

Inventor name: DOUAY, MARC

Inventor name: BETOURNE, AURELIE

Inventor name: PERRIN, MATHIAS

Inventor name: BOUWMANS, GERAUD

Inventor name: QUIQUEMPOIS, YVES

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: BIGOT, LAURENT

Inventor name: LE ROUGE, ANTOINE

Inventor name: DELPLACE, KAREN

Inventor name: DOUAY, MARC

Inventor name: BETOURNE, AURELIE

Inventor name: PERRIN, MATHIAS

Inventor name: BOUWMANS, GERAUD

Inventor name: QUIQUEMPOIS, YVES

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20130920

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20140131