FR3138532A1 - Fibre optique, dispositif d’amélioration des propriétés non linéaires d’une fibre optique et procédé d’amélioration des propriétés non linéaires d’une fibre optique - Google Patents

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Maxime JONARD
Maggy COLAS
Jean-René DUCLERE
Julie CORNETTE
Claire LEFORT
Alessandro Tonello
Tigran Mansuryan
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Limoges
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Limoges
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Abstract

Fibre optique (F) multimode comprenant un cœur (FC) dans un premier matériau (M1) et une gaine (FG) entourant ledit cœur dans un deuxième matériau (M2), un premier profil transverse (P1) d’une température fictive dudit cœur présentant une première variation entre un centre (C) du cœur et un bord du cœur, dite première variation , comprise entre A% et B% / supérieure à X% / inférieure à Y%. Figure pour l’abrégé : Fig. 3B

Description

Fibre optique, dispositif d’amélioration des propriétés non linéaires d’une fibre optique et procédé d’amélioration des propriétés non linéaires d’une fibre optique
La présente invention concerne le domaine des fibres optiques pour la conversion non linéaire et plus particulièrement les fibres optiques pour la conversion non linéaire dans lesquelles est inscrit un réseau longitudinal périodique de non linéarité.
Il est connu de réaliser de la génération de seconde harmonique dans des cristaux présentant une non linéarité d’ordre 2 (ou susceptibilité) notée . Afin d’obtenir une efficacité de conversion élevée, il est nécessaire d’obtenir un accord de phase entre la longueur d’onde fondamentale et la seconde harmonique lors de leur propagation dans le milieu non linéaire.
Lepolingpériodique dans les cristaux est une technique permettant d'obtenir un quasi accord de phase des conversions non linéaires dans ces cristaux (P. A. Franken and J. F. Ward, “Optical harmonics and nonlinear phenomena”, Rev. Mod. Phys. 35, 23 (1963)). Elle implique un processus qui génère une inversion périodique de l'orientation du domaine dans un cristal non linéaire de sorte que le signe du coefficient non linéaire change également.
Il est également connu de réaliser dupolingdit optique dans des fibres comprenant un cœur dans un matériau vitreux centrosymétrique (Stolen, R. H., & Tom, H. W. K. (1987). Self-organized phase-matched harmonic generation in optical fibers. Optics letters, 12(8), 585-587). En effet, à l’état initial, ces matériaux centrosymétriques ne permettent pas la génération d’une seconde harmonique. Lepolingoptique consiste à inscrire, dans la fibre optique, une non-linéarité d'ordre deux de manière périodique longitudinalement par voie optique. Cette inscription est créée artificiellement par le battement d'une fréquence fondamentale avec sa seconde harmonique, induisant un champ électrique statique qui brise la centrosymétrie du matériau du cœur du matériau. Il est alors possible de générer la seconde harmonique en régime de quasi-accord de phase grâce au réseau longitudinal périodique de non linéarité d’ordre deux .
La figure 1 illustre schématiquement un dispositif 10 de l'art antérieur, adapté pour effectuer unpolingoptique d'une fibre optique 1. Une source laser 2 impulsionnelle est adaptée pour générer un faisceau 3 à une fréquence fondamentale . Ce faisceau est doublé en fréquence à l'aide d'un cristal non linéaire 4 par génération de seconde harmonique. Le faisceau 5 en sortie du cristal 4 comprend donc deux fréquences : la fréquence fondamentale et la seconde harmonique à la fréquence . Ce faisceau 5 est injecté dans la fibre optique 5 qui présente un cœur à gradient d'indice dans un matériau vitreux, par exemple en silice dopé en germanium.
Pour des puissances du faisceau 5 d’environ 1 MW à la première fréquence et de 100 W à la seconde harmonique, une injection du faisceau 4 dans la fibre optique 5 d'une durée typique de plusieurs dizaines de minutes permet une inscription périodique longitudinale d’une non linéarité d’ordre deux . Cette étape d’inscription est appelée «polingoptique ». Ce réseau persiste un certain temps dans la fibre après coupure du faisceau 4 et permet un quasi-accord de phase pour une génération de la seconde harmonique lorsqu’un faisceau additionnel à la première fréquence est injecté dans la fibre optique, formant un faisceau 6 à la fréquence
Il faut noter qu’il est connu d’effectuer cepolingpar d’autres méthodes que celle de la . Notamment, il est connu de réaliser cepolingpar effet thermique ou par effet électrique en modifiant localement et périodiquement longitudinalement les conditions d’accord de phase d’une conversion non linéaire.
Il reste cependant nécessaire de mieux contrôler et d’améliorer l’efficacité de conversion non linéaire de ce type de fibre avecpoling.
A cet effet, un objet de l’invention est une fibre optique comprenant un cœur avec un profil transverse d’une température fictive présentant une première variation entre un centre du cœur et un bord du cœur inférieur à 105%. En effet, la variation précitée de la température fictive assure une efficacité élevée de conversion non linéaire par quasi accord de phase dans la fibre aprèspoling.
A cet effet, un objet de l’invention est une fibre optique comprenant un cœur dans un premier matériau et une gaine entourant ledit cœur, un premier profil transverse d’une température fictive dudit cœur présentant un maximum localisé sensiblement audit centre du cœur et présentant une première variation entre un centre du cœur et un bord du cœur, dite première variation inférieure à 105%, préférentiellement inférieure à 60%.
De manière préférentielle, la fibre optique présente un profil transverse d’une température fictive de la fibre, dit deuxième profil, présentant une variation entre le centre du cœur et un bord externe de la gaine, dite deuxième variation , inférieure à 125%, préférentiellement inférieure à 105%.
De manière préférentielle, le cœur présente un profil transverse de variation d’indice non constant avec un maximum localisé sensiblement au centre du cœur
De manière préférentielle, le premier matériau est en silice ou un verre dont une vitesse de relaxation structurale est sensiblement égale à celle de la silice.
De manière préférentielle, la fibre optique comprend un revêtement entourant la gaine dans un matériau opaque au rayonnement visible ou au rayonnement visible-UV.
Un autre objet de l’invention est un dispositif d’amélioration des propriétés non linéaires d’une fibre optique comprenant :
  1. une fibre optique selon l’invention,
  2. un système de génération de quasi-accord de phase adapté pour inscrire un réseau périodique longitudinal d’une non linéarité d’ordre deux ou plus dans la fibre optique permettant un quasi-accord de phase pour une conversion non linéaire d’une première longueur d’onde dans la fibre optique.
Selon un mode de réalisation M1 du dispositif d’amélioration des propriétés non linéaires d’une fibre optique, lequel le système de génération de quasi-accord de phase comprend un système laser adaptée pour générer au moins un faisceau dit incident présentant une première longueur d’onde , et un système de couplage adapté pour injecter ledit au moins un faisceau incident dans ladite fibre optique pendant une durée prédéterminée, le système laser et le système de couplage étant en outre adaptés pour que ledit au moins un faisceau incident présente une intensité suffisante lors de sa propagation au sein de la fibre pour inscrire ledit réseau périodique longitudinal.
De manière préférentielle, dans le mode de réalisation M1, le système laser, le système de couplage et la fibre optique sont adaptés pour que ledit réseau périodique longitudinal soit un réseau d’une non linéarité d’ordre deux, ladite conversion non linéaire de la première longueur d’onde dans la fibre optique étant une génération de seconde harmonique.
De manière préférentielle, dans le mode de réalisation M1, ledit système laser comprend un laser adapté pour générer un premier faisceau présentant la première longueur d’onde et un élément de conversion non linéaire adapté pour générer un deuxième faisceau présentant une deuxième longueur d’onde obtenue par génération de seconde harmonique de la première longueur d’onde du premier faisceau, ledit premier faisceau et ledit deuxième faisceau formant ledit au moins un faisceau incident inscrivant ledit réseau périodique longitudinal.
De manière préférentielle, dans le mode de réalisation M1, le système laser et le système de couplage sont adaptés pour qu’une puissance crête du premier et du deuxième faisceau soit respectivement comprise entre 100 W et 10MW et entre 10 W et 10MW lors de leur injection dans la fibre optique
De manière préférentielle, dans le mode de réalisation M1, la durée prédéterminée est supérieure à 5 minutes.
De manière préférentielle, dans le mode de réalisation M1, la première variation ou la deuxième variation et la durée prédéterminée et l’intensité du faisceau incident lors de sa propagation dans la fibre optique sont adaptés pour une efficacité de génération de seconde harmonique dans la fibre soit supérieure à 1%, préférentiellement 3%.
Selon un mode de réalisation M2 du dispositif d’amélioration des propriétés non linéaires d’une fibre optique, le système de génération de quasi-accord de phase comprend des électrodes disposées longitudinalement le long de la fibre et adaptées pour générer un champ électrique de manière périodique longitudinalement au sein de la fibre optique afin d’inscrire ledit réseau périodique longitudinal. De manière encore préférentielle, les électrodes sont adaptées pour générer un champ électrique supérieur à 10 kV/mm, préférentiellement 20 kV/mm.
Alternativement selon un mode de réalisation M3 du dispositif d’amélioration des propriétés non linéaires d’une fibre optique, le système de génération de quasi-accord de phase comprend des éléments chauffants disposés longitudinalement le long de la fibre et adaptées pour chauffer ledit cœur afin d’inscrire ledit réseau périodique longitudinal.
Un autre objet de l’invention est un procédé d’amélioration des propriétés non linéaires d’une fibre optique comprenant les étapes suivantes :
A- sélectionner une fibre optique comprenant un cœur dans un premier matériau et une gaine entourant ledit cœur dans un deuxième matériau , un premier profil transverse d’une température fictive dudit cœur présentant un maximum localisé sensiblement audit centre du cœur et une première variation entre un centre du cœur et un bord du cœur, dite première variation inférieure à 105%, préférentiellement inférieure à 60%,
B- inscrire un réseau périodique longitudinal d’une non linéarité d’ordre deux ou plus dans la fibre optique permettant un quasi-accord de phase pour une conversion non linéaire d’une première longueur d’onde dans la fibre optique.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement :
, une vue schématique d’un dispositif de l'art antérieur adapté pour effectuer unpolingoptique d'une fibre optique.
, une représentation schématique du profil transverse selon un plan d’une fibre optique selon l’invention,
, une représentation schématique d’un dispositif d’amélioration des propriétés non linéaires d’une fibre optique selon l’invention
, une représentation schématique d’un mode de réalisation M1 du dispositif d’amélioration des propriétés non linéaires d’une fibre optique de l’invention
, une représentation schématique du réseau périodique longitudinal de non linéarité d’ordre deux obtenu dans la fibre optique de l’invention aprèspolingoptique grâce au dispositif de la .
, une courbe d'évolution de la puissance moyenne de la seconde harmonique générée en sortie de fibre optique dans le dispositif de la figure 3B, en fonction de la durée d'injection du faisceau incident. La courbe de la figure 4A est obtenue pour une première variation égale à 59%. Pour comparaison, la figure 4B présente la même courbe d'évolution avec des paramètres d'injection (puissance, fréquence, taux de répétition, durée d'impulsion...) identiques obtenue avec le montage de la figure 1 avec une fibre optique 1 ne comprenant pas une première variation inférieure à 105%.
, la même courbe d'évolution que la figure 4A avec des paramètres d'injection identiques mais avec une fibre optique 1 ne comprenant pas une première variation inférieure à 105%.
, une représentation schématique d’un mode de réalisation préféré de la fibre de l’invention
, une représentation schématique d’un procédé d’amélioration des propriétés non linéaires d’une fibre optique adapté pour être mis en œuvre par le dispositif de la .
Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle.
La figure 2 illustre schématiquement le profil transverse selon un plan d’une fibre optique F selon l’invention. Comme cela sera expliqué plus loin, cette fibre F est spécifiquement adaptée pour présenter une efficacité de conversion non linéaire élevée, après inscription d’un réseau périodique longitudinal IP d’une non linéarité d’ordre deux ou plus. Dans la suite du document, on appelle «poling» l’étape d’inscription de ce réseau de non linéarité.
La fibre optique F de l’invention comprend un cœur FC dans un premier matériau M1 et une gaine FG entourant le cœur dans un deuxième matériau M2. L’invention trouve un intérêt particulier pour des matériaux M1 vitreux centrosymétrique. Plus précisément, le matériau M1 peut être un verre ou un anti-verre. En effet, de par leur symétrie, ces matériaux ne permettent pas de conversion non linéaire à l’état initial. Le matériaux M1 peut aussi être un matériau biréfringent.
Dans la fibre optique F de l’invention, le cœur FC présente un profil transverse P1 de température fictive, appelé ci-après « premier profil P1 ». Ce premier profil P1 présente un maximum localisé sensiblement au centre C du cœur et une première variation entre le centre C et un bord B du cœur inférieur à 105%. Par « localisé sensiblement au centre C », on entend que le profil présente un maximum au centre C ou dans un intervalle de du rayon du cœur, centré au centre C. Cette première variation est préférentiellement inférieure à 60%.
On rappelle ici que la température fictive est définie comme la température à laquelle le matériau vitreux se trouverait en équilibre s'il était soudainement amené à partir de son état donné. Pour une explication plus détaillée de la température fictive, on se référera au document Narayanaswamy, O. (1971). « A model of structural relaxation in glass”,Journal of the American Ceramic Society,54(10), 491-498 ou encore au document Tool A. Q., Relation between inelastic deformability and thermal expansion of glass in its annealing aange,” Journal of the American Ceramic Society.29 (9) 240-53 (1946). Dans le cadre de l’invention, la température fictive du cœur fournit donc une information sur la structure locale du matériau M1. Cette température fictive est contrôlée par le procédé de fabrication de la fibre F, notamment par la charge appliquée et sa vitesse de trempe en fonction des diamètres du cœur et de la gaine.
De manière connue en soi, le profil traverse de la température fictive d’une fibre peut être déterminé de manière indirecte par un système de micro-imagerie 2D Raman. Des documents décrivent la détermination de température fictive par micro-spectroscopie Raman ponctuelle(voir notamment Martinet, C et al. M. (2008) “Radial distribution of the fictive temperature in pure silica optical fibers by micro-Raman spectroscopy”,Journal of Applied Physics 103(8), 083506.)
A la suite de nombreuses expériences, les inventeurs ont identifié que l'efficacité de génération de seconde harmonique variait considérablement dans des fibres optiques à cœur vitreux apparemment identiques et dans lesquelles a été effectué unpolingoptique avec des paramètres d'injection (puissance, fréquence, taux de répétition, durée d'impulsion...) identiques. Par "fibres apparemment identiques", on entend ici des fibres présentant le même profil chimique, le même profil d'indice, le même dopage du cœur, le même diamètre de cœur et de gaine. Compte tenu de l’apparente similarité des fibres, cette variabilité était extrêmement surprenante.
A la suite de recherches extensives sur la structure des fibres, les inventeurs ont identifiés que, de manière inattendue, la variation de température fictive dans le cœur était la caractéristique intrinsèque de la fibre qui influait directement sur l’efficacité de conversion non linéaire de la fibre optique aprèspoling. En effet, une température fictive élevée est similaire à une immobilisation des entités structurales formant le cœur suivant un état métastable, cet état pouvant être modifié par un recuit en température. Cela permet de relaxer les contraintes locales dans une position finale possédant une organisation plus stable correspondant à un minimum de potentiel électronique. Une modification locale de l’organisation structurale permet une modification locale de l’indice et la création d’une non-linéarité d’ordre deux périodique ou non.
Cette relation entre la variation et n’avait pas été identifiée dans l’art antérieur et sa détermination a permis aux inventeurs un contrôle plus fin des propriétés non linéaires d’une fibre optique aprèspoling.
Ainsi, une première variation du cœur inférieur à 105% assure une efficacité de conversion non linéaire satisfaisante dans la fibre optique F aprèspoling. Notamment, l’efficacité de génération de seconde harmonique dans la fibre optique F aprèspolingest améliorée par la sélection d’une fibre présentant la première variation inférieure à 105%.
Par rapport à une variation inférieure à 105%, la sélection d’une variation inférieure à 60% augmente fortement l’efficacité de conversion non linéaire dans la fibre optique F aprèspoling. Notamment, l’efficacité de génération de seconde harmonique peut être plus que quadruplée par la sélection d’une première variation inférieure à 60% par rapport à une variation inférieure à 105% et pour des paramètres d'injection identiques.
En effet, par des expériences et des analyses de section de fibres par micro-spectroscopie Raman 2D, les inventeurs ont déterminé que l’efficacité de génération de seconde harmonique dans une fibre aprèspoling, était reliée à la première variation par la relation suivante . Il est entendu que cette relation dépend des paramètres de génération du poling. A titre d’exemple non limitatif cette relation est obtenue pour une fibre en silice à gradient d’indice avec un dopage parabolique en germanium avec une différence d’indice entre le cœur et la gaine qui vaut et avec un diamètre de cœur de 50 et un diamètre de gaine de 125 . Dans cet exemple, la génération dupolingest effectuée avec un laser à blocage de mode délivrant des impulsions à 1064 nm avec une durée de 740 ps et avec un taux de répétition de 27 kHz, avec une puissance crête de 1 MW.
Le profil P1 et la première variation sont représentés sur la . A titre d’exemple non limitatif, le profil P1 de la fibre F de la est gaussien. Selon un autre mode de réalisation, le profil P1 de la fibre F est choisi dans un groupe comprenant un profil parabolique, un profil super gaussien, un profil triangulaire, un profil lorentzien, un profil multi-lobes, et un profil de sécante hyperbolique carrée.
Des résultats expérimentaux illustrant la relation entre la variation de température fictive dans le cœur et l’efficacité de conversion non linéaire de la fibre optique aprèspolingsont présentés plus loin dans les figures 4A et 4B.
Une autre manière de caractériser l’efficacité de conversion non linéaire de la fibre F aprèspolingest de mesurer un profil transverse P2 de température fictive de la fibre entre le centre du cœur et un bord externe de la gaine. On appelle ce profil transverse de la température fictive « deuxième profil transverse P2 » pour le différencier du premier profil transverse P1.
Par les mêmes expériences et mesures que celles précédemment évoquées, les inventeurs ont déterminé qu’une variation du deuxième profil P2, entre le centre du cœur et un bord externe (référencé B sur la figure 2) de la gaine inférieure à 125% assurait une efficacité de conversion non linéaire satisfaisante dans la fibre optique F aprèspoling. On appelle la variation « deuxième variation » pour la différencier de la première variation .
De même, par rapport à une deuxième variation inférieure à 125%, la sélection d’une deuxième variation inférieure à 105% augmente fortement l’efficacité de conversion non linéaire dans la fibre optique F aprèspoling. Notamment, l’efficacité de génération de seconde harmonique peut être plus que triplée par la sélection d’une deuxième variation inférieure à 105% par rapport à une variation inférieure à 125%, pour des paramètres d'injection identiques.
En effet, les inventeurs ont déterminé que l’efficacité de génération de seconde harmonique dans une fibre aprèspoling, , était reliée à la deuxième variation par la relation suivante . Cette relation a été obtenue avec les même paramètres que ceux utilisés pour déterminer la relation reliant et
Il est entendu que la relation reliant et est dépendante des paramètres de la fibre F et notamment du diamètre du cœur FC et de la gaine FG. Aussi, le choix d’une variation inférieure à 125% (respectivement inférieure à 105%) est préférentiellement associé à une fibre F avec un diamètre du cœur compris entre 0.5 µm et 500 µm, et une épaisseur de gaine supérieure à 0.5 µm et inférieure à 0.6 µm afin d’assurer une efficacité de conversion non linéaire satisfaisante (respectivement élevée).
Le profil P2 et la deuxième variation sont représentés sur la . A titre d’exemple non limitatif, le profil P2 de la fibre de la est gaussien. Selon un autre mode de réalisation, le profil P2 est choisi dans un groupe comprenant un profil parabolique, un profil super gaussien, un profil triangulaire, un profil lorentzien, un profil multi-lobes, et un profil de sécante hyperbolique carrée.
De manière préférentielle, la fibre F est une fibre multimode présentant un profil transverse de variation d’indice non constant et présentant un maximum localisé sensiblement au centre du cœur. Par exemple, la fibre est une fibre à gradient d’indice (GRIN pour GRaded INdex fiberen anglais) présentant un profil d’indice parabolique avec un maximum centré au point C, comme illustré dans la . Alternativement, le cœur présente un profil transverse d’indice choisi parmi un profil gaussien, un profil super gaussien, un profil triangulaire, un profil lorentzien, un profil multi-lobes, et un profil de sécante hyperbolique au carré.
On note la différence d’indice maximum entre le cœur et la gaine. Ce profil d’indice est typiquement obtenu en variant une concentration d’un matériau de dopage du premier matériau M1 du cœur. Ce matériau de dopage est par exemple du germanium, de l’aluminium, et/ou du phosphore ou encore des ions, préférentiellement des ions terres rares.
Une fibre F multimode à gradient d’indice permet un nettoyage spatial continu par effet Kerr de l’énergie répartie dans différents modes spatiaux vers le mode fondamental (à condition que la puissance crête du faisceau guidé soit suffisante). On obtient donc à la sortie un faisceau avec une meilleure brillance et dont la puissance est principalement supportée par le mode fondamental. Le même effet de relocalisation spatial est obtenu lors d’une conversion non linéaire dans la fibre F aprèspoling.Aussi, une fibre F multimode aprèspolingpermet d’obtenir un faisceau de sortie quasiment monomode avec la ou les longueurs d’onde obtenues par conversion non linéaire à partir d’une longueur d’onde fondamentale.
En outre, ces fibres peuvent présenter un diamètre de cœur important (jusqu’à 600 ) permettant l’injection et le guidage d’impulsions de plus grande puissance crête.
De manière préférentielle, le premier matériau M1 de la fibre optique F est en silice ou un verre dont une vitesse de relaxation structurale est sensiblement égale à celle de la silice. Par « vitesse de relaxation structurale est sensiblement égale à celle de la silice », on entend un verre dont la vitesse de relaxation structurale est égale à celle de la silice à . Cette vitesse de relaxation est préférée car elle permet une inscription du réseau longitudinal périodique de non linéarité satisfaisante.
La illustre schématiquement une vue en perspective d’un dispositif D d’amélioration des propriétés non linéaires d’une fibre optique comprenant :
  • la fibre optique F selon l’invention,
  • un système de génération SG de quasi-accord de phase adapté pour inscrire un réseau périodique longitudinal IP d’une non linéarité d’ordre deux ou plus dans la fibre optique permettant un quasi-accord de phase pour une conversion non linéaire d’une première longueur d’onde dans la fibre optique. Ce réseau périodique longitudinal IP n’est pas représenté en mais est visible en .
A la suite de cette inscription, la fibre optique F améliorée présente donc une efficacité de conversion non linéaire exacerbée grâce au choix judicieux de la première variation (ou la deuxième variation le cas échéant).
En injectant un faisceau à la première longueur d’onde avec une intensité suffisante dans la fibre optique F aprèspoling, on obtient alors un faisceau en sortie de fibre présentant une ou plusieurs longueurs d’onde générées par conversion non linéaire efficace de la première longueur d’onde via un quasi-accord de phase tout au long de la fibre grâce au réseau périodique longitudinal IP .
Différents systèmes de génération SG permettant d’effectuer lepolingde la fibre optique sont connus de l’homme de l’art et une description exhaustive de l’ensemble de ces systèmes sort du cadre de l’invention. Néanmoins, on précise que le système de génération SG est adapté pour effectuer cette étape depolingpar effet thermique, par effet électrique, par effet optique, ou encore par une combinaison de plusieurs de ces méthodes.
Ainsi, selon un mode de réalisation M1 de la illustré en , le système de génération SG est adapté pour générer le réseau périodique longitudinal de non linéarité parpolingoptique. Pour cela, le système de génération SG comprend un système laser LS.
Le système laser LS qui comprend un laser L adapté pour générer un premier faisceau F1 présentant la première longueur d’onde .
Le laser L est de préférence une source impulsionnelle afin de délivrer des impulsions avec une puissance crête suffisamment élevée pour permettre l’inscription du réseau périodique longitudinal IP. A titre d’exemple, le laser L est une source laser Nd :YAG à déclenchement passif par cristaux CR4+:YAG délivrant des impulsions à , avec une durée de 740 ps et un taux de répétition de 27 kHz.
Le système laser LS comprend en outre un élément de conversion non linéaire CNL adapté pour générer un deuxième faisceau F2 à la fréquence obtenue par génération de seconde harmonique du premier faisceau. L’élément CNL est un élément connu de l’homme de l’art. A titre d’exemple, l’élément CNL est un cristal KTP (« Potassium titanyl phosphate »), ou PPKTP (« Periodically Poled KTP »), ou triborate de lithium (LiB3O5- ou LBO), ou encore BBO (« Beta Barium Borate ») et peut aussi être la fibre dopée elle-même dont la centro-symétrie est modifiée par l’implantation d’ions.
Les faisceaux F1 et F2 forment un faisceau incident FI injecté pendant une durée prédéterminée dans la fibre optique via un système de couplage SC de sorte que le faisceau FI inscrive le réseau périodique longitudinal IP. A titre d’exemple non limitatif, le système de couplage SC des figures 3B et 3D comprend un polariseur linéaire de sorte que le faisceau incident FI présente une polarisation linéaire prédéterminée lors de son injection dans la fibre F, et une ou plusieurs lentilles adaptée(s) pour focaliser le faisceau incident FI dans la fibre F.
De manière préférentielle, comme illustré dans la figure 3B, le système laser, le système de couplage et la fibre optique sont adaptés pour que le réseau périodique longitudinal IP soit un réseau d’une non linéarité d’ordre deux . Ainsi, l’injection d’un faisceau fondamental FF à la première longueur d’onde avec une puissance crête suffisante (typiquement supérieure à 100 MW) dans la fibre optique F aprèspolingpermet la génération d’un faisceau de sortie FS à une fréquence
La création d’un réseau de non linéarité d’ordre deux plutôt qu’un autre ordre est notamment favorisée par leseedingdu faisceau de seconde harmonique F2 simultanément à l’injection du faisceau F1 à la fréquence fondamentale dans la fibre F. En effet, ce faisceau F2 accentue le battement de la fréquence fondamentale avec sa seconde harmonique, augmentant le champ électrique statique créant la non linéarité d’ordre deux de la fibre (voir Stolen, R.et al (1987). « Self-organized phase-matched harmonic generation in optical fibers. Optics letters“ 12(8), 585-587).
La figure 3C illustre schématiquement le réseau périodique longitudinal IP de non linéarité d’ordre deux obtenu dans la fibre F aprèspolingoptique grâce au dispositif D de la figure 3B. La période du réseau IP vaut : , avec le vecteur de désaccord de phase entre l’onde fondamentale à la fréquence et l’onde à la seconde harmonique .
De plus, sur la , on a représenté schématiquement la génération de la seconde harmonique à partir du faisceau fondamental FF injecté dans la fibre F aprèspolingoptique.
Cepolingoptique n’est possible que si le faisceau FI est injecté dans la fibre optique pendant une durée suffisante (typiquement supérieure à 5 minutes, préférentiellement supérieure à 30 minutes) avec une puissance crête suffisante. Afin d’assurer une efficacité de génération de seconde harmonique suffisamment élevée dans la fibre optique aprèspoling,il est préférable qu’une puissance crête du premier et du deuxième faisceau soit respectivement comprise entre 100 W et 10 MW et entre 10 W et 10 MW lors de leur injection dans la fibre optique.
Alternativement, selon un mode de réalisation différente de celui illustré en figure 3B, l’élément CNL est adapté pour générer un deuxième faisceau F2 à la fréquence avec , de manière à favoriser la création d’un réseau périodique longitudinal IP d’une non linéarité à un ordre . Dans ce mode de réalisation, l’injection d’un faisceau fondamental FF à la première longueur d’onde avec une puissance crête suffisante dans la fibre optique F aprèspolingpermet la génération d’un faisceau de sortie FS à une fréquence .
De manière alternative la variation périodique de la non-linéarité d’ordre deux peut aussi induire une variation de la non linéarité d’ordre trois avec une période identique.
L’élément CNL est un élément optionnel qui peut être omis du dispositif de la figure 3B. Son utilisation est cependant préférée car il permet la génération du deuxième faisceau F2 qui lui-même permet de réduire considérablement la durée prédéterminée pendant laquelle le faisceau incident FI doit être injecté dans la fibre F pour générer le réseau périodique longitudinal IP. Le faisceau F2 permet de plus de « sélectionner » l’ordre de la non linéarité créée ou amplifiée dans le réseau périodique longitudinal IP via leseedingdu faisceau F2 la fréquence
La figure 4A présente une courbe d'évolution de la puissance moyenne de la seconde harmonique générée dans le faisceau FS par le dispositif D de la figure 3B, en fonction de la durée d'injection du faisceau incident FI. La courbe de la figure 4A est obtenue pour une première variation égale à 59%. Pour comparaison, la figure 4B présente la même courbe d'évolution avec le montage de la figure 1 avec une fibre optique 1 ne comprenant pas une première variation inférieure à 105% et avec des paramètres d'injection (puissance, fréquence, taux de répétition, durée d'impulsion...) identiques à ceux de la . A titre d’exemple non limitatif, les courbes des figures 4A et 4B sont obtenues des impulsions à 1064 nm avec une durée de 740 ps et avec un taux de répétition de 27 kHz, avec une puissance crête de 1 MW.
Plus précisément, les courbes 4A et 4B sont obtenues par le protocole suivant :
  • On injecte le faisceau FI (respectivement le faisceau 5) dans la fibre F (respectivement la fibre 1) pendant une durée prédéterminée d’injection avec les mêmes paramètres d’injection
  • On retire l’élément CNL (respectivement le cristal 4)
  • On mesure la puissance moyenne de la seconde harmonique générée en sortie de fibre.
En outre, la fibre optique F de la figure 4A et la fibre optique 1 de la figure 4A présentent un profil chimique transverse identique (même profil chimique, le même profil d'indice, le même dopage du cœur, le même diamètre de cœur et de gaine). A titre d’exemple non limitatif, les fibres des figures 4A et 4B sont des fibres en silice à gradient d’indice avec un dopage parabolique en germanium avec une différence d’indice entre le cœur et la gaine qui vaut . Ces fibres présentent un diamètre de cœur de A 50 et un diamètre de gaine de 125 .
Dans la , on observe que la puissance moyenne de la seconde harmonique générée dans le faisceau FS en sortie de fibre optique F augmente en fonction de la durée d’injection du faisceau FI jusqu’à 150 minutes de durée d’injection, et stagne sensiblement après cette durée. La puissance moyenne de la seconde harmonique augmente d’un facteur 10 environ pour 150 minutes de durée d’injection et d’un facteur 5 environ pour 50 minutes de durée d’injection par rapport à une durée de 0 minute d’injection –c’est-à-dire par rapport à la fibre F sanspolingoptique-.
Par comparaison, dans la figure 4B, la puissance moyenne de la seconde harmonique générée dans le faisceau 6 en sortie de la fibre optique 1 est constante en fonction de la durée d’injection du faisceau 5. Ainsi, sans une première variation comme précitée, le traitement depolingne produit aucune amélioration des propriétés non linéaires de la fibre 1. L’efficacité de génération de seconde harmonique de la fibre F aprèspolingd’une durée d’injection de 150 min est environ dix fois plus importante que celle de la fibre de la .
Ainsi, grâce au choix judicieux de la première variation de la fibre F, les propriétés non linéaires de la fibre F peuvent être considérablement exacerbées parpoling.
Afin de garantir une exacerbation satisfaisante des propriétés non linéaires de la fibre F, la durée prédéterminée d’injection du faisceau FI est supérieure à 5 minutes. Il est entendu que cette durée peut être sensiblement modifiée en fonction des différents paramètres d’injection du faisceau FI, des matériaux de la fibre et du diamètre de cœur de cette dernière. Cependant, de manière générale, une puissance crête du premier et du deuxième faisceau respectivement supérieure à 100 kW et supérieure 10 kW lors de leur injection dans la fibre optique et une durée déterminée d’injection supérieure à 5 minutes permet une efficacité de génération de seconde harmonique dans la fibre supérieure à 1% grâce à une première variation inférieure à 105%. De même, avec les mêmes paramètres, une durée déterminée d’injection supérieure à 50 minutes permet une efficacité de génération de seconde harmonique dans la fibre supérieure à 3%.
Selon un mode de réalisation M2 de la , le système de génération SG de quasi-accord de phase comprend des électrodes disposées longitudinalement le long de la fibre F. Ces électrodes sont adaptées pour effectuer lepolingélectrique de la fibre F. C’est-à-dire que les électrodes sont adaptées pour générer un champ électrique de manière périodique longitudinalement au sein de la fibre optique afin d’inscrire le réseau périodique longitudinal IP. En effet, de manière connue en soit, l’application d’un champ électrique dans le cœur FC selon une direction donnée modifie la susceptibilité du matériau M1 du cœur, ce qui change localement les conditions d’accord de phase entre les photons primaires et les photons secondaires générés par conversion non linéaire.
Par exemple, dans le cas d’un matériau M1 centrosymétrique, l’application locale d’un champ électrique suffisamment intense permet de générer localement une susceptibilité d’ordre deux d’une valeur sensiblement proportionnelle à l’intensité du champ électrique. En plaçant les électrodes à intervalle régulier le long de la fibre (par exemple avec une période , avec ) il est possible de générer un quasi-accord de phase entre les photons primaires et les photons secondaires générés par seconde harmonique.
Ainsi, un faisceau laser à la première longueur d’onde et injecté avec une intensité suffisante dans la fibre F va induire la génération d’un faisceau en sortie de fibre présentant une longueur d’onde générée par conversion non linéaire dans la fibre F avec une efficacité de conversion non linéaire exacerbée par lepolingélectrique. Il est entendu que les électrodes (via l’intensité du champ délivré) peuvent être adaptées pour créer un réseau périodique longitudinal IP de non linéarité d’ordre supérieur à deux.
De préférence, les électrodes sont adaptées pour générer un champ électrique supérieur à 10 kV/mm, préférentiellement supérieur à 20 kV/mm au sein de la fibre pour atteindre une intensité suffisante dans la fibre permettant de créer le réseau périodique longitudinal IP induisant une efficacité de conversion non linéaire satisfaisante.
Le mode de réalisation M2 peut être combiné avec le mode de réalisation M1 de la . C’est-à-dire que le dispositif D peut comprendre à la fois le système laser LS et les électrodes afin d’inscrire le réseau périodique longitudinal IP à la fois parpolingoptique et parpolingélectrique.
Selon un mode de réalisation M3 de la figure 3A, le système de génération SG de quasi-accord de phase comprend des éléments chauffants disposés longitudinalement le long de la fibre et adaptées pour chauffer le cœur afin d’inscrire le réseau périodique longitudinal IP. En effet, de manière connue en soi, une variation de la température locale du cœur induit une variation locale de l’indice du cœur et de ses coefficients non linéaires, ce qui change localement les conditions d’accord de phase entre les photons primaires et les photons secondaires générés par conversion non linéaire. En plaçant les éléments thermiques à intervalle régulier le long de la fibre (par exemple avec une période , avec ) il est possible de générer un quasi-accord de phase entre les photons primaires et les photons secondaires.
Le mode de réalisation M2 peut être combiné avec le mode de réalisation M1 et/ou le mode M2 de la . C’est-à-dire que le dispositif D peut comprendre à la fois le système laser LS et les électrodes afin d’inscrire le réseau périodique longitudinal IP à la fois parp olingthermique et/ou parp olingoptique et/ou parpolingélectrique.
La figure 5 illustre un mode de réalisation préféré de la fibre de l’invention dans lequel la fibre F comprend un revêtement RE entourant la gaine formée dans un matériau opaque au rayonnement RP visible ou visible et UV. Ainsi, ce revêtement RE permet de limiter l’influence néfaste du rayonnement externe RP sur le réseau périodique longitudinal IP inscrit lors dupoling. En effet, sans ce revêtement RE, les interactions entre le rayonnement externe RP et le réseau périodique longitudinal de non linéarité sont susceptible de diminuer fortement l’efficacité de conversion non linéaire de la fibre F.
Le mode de réalisation de la est particulièrement pertinent pour protéger un réseau d’indice non centrosymétrique inscrit parpolingoptique, par exemple avec le dispositif de la . En effet, dans le cas dupolingoptique, le faisceau incident FI est typiquement coupé après avoir généré le réseau d’indice non centrosymétrique IP. Le réseau périodique longitudinal IP est entretenu et généré par le battement de l’onde fondamental et de son second harmonique engendré par le réseau photo-inscrit. Dans ce cas, une dégradation du réseau d’indice périodique longitudinal IP est alors plus préjudiciable car le réseau périodique longitudinal IP n’est pas régénéré continuellement.
La illustre schématiquement un procédé d’amélioration des propriétés non linéaires d’une fibre optique adapté pour être mis en œuvre par le dispositif de la . Le procédé comprend les étapes suivantes :
A- sélectionner la fibre optique F avec le premier profil transverse P1 présentant la première variation entre le centre C du cœur et le bord B du cœur inférieure à 105%
B- inscrire le réseau périodique longitudinal IP de non linéarité d’ordre deux ou plus dans la fibre optique permettant un quasi-accord de phase pour la conversion non linéaire de la première longueur d’onde dans la fibre optique.
A la suite de l’étape D, on dispose donc d’une fibre optique F améliorée présentant une efficacité de conversion non linéaire exacerbée grâce au choix judicieux de la première variation (ou de la deuxième variation le cas échéant). En injectant un faisceau à la première longueur d’onde avec une intensité suffisante dans la fibre optique F améliorée, on obtient alors un faisceau de sortie présentant une longueur d’onde générée par conversion non linéaire efficace de la première longueur d’onde en quasi-accord de phase tout au long de la fibre grâce au réseau périodique longitudinal IP.

Claims (16)

  1. Fibre optique (F) comprenant un cœur (FC) dans un premier matériau (M1) et une gaine (FG) entourant ledit cœur, un premier profil transverse (P1) d’une température fictive dudit cœur présentant un maximum localisé sensiblement audit centre du cœur et présentant une première variation entre un centre (C) du cœur et un bord (B) du cœur, dite première variation inférieure à 105%, préférentiellement inférieure à 60%.
  2. Fibre optique selon la revendication 1, dans laquelle un profil transverse (P2) d’une température fictive de la fibre, dit deuxième profil, présente une variation entre le centre du cœur et un bord externe de la gaine, dite deuxième variation , inférieure à 125%, préférentiellement inférieure à 105%.
  3. Fibre optique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le cœur présente un profil transverse de variation d’indice non constant avec un maximum localisé sensiblement au centre du cœur
  4. Fibre optique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le premier matériau est en silice ou un verre dont une vitesse de relaxation structurale est sensiblement égale à celle de la silice.
  5. Fibre optique selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un revêtement (RE) entourant la gaine dans un matériau opaque au rayonnement visible ou au rayonnement visible-UV.
  6. Dispositif (D) d’amélioration des propriétés non linéaires d’une fibre optique comprenant :
    • une fibre optique (F) selon l’une quelconque des revendications précédentes,
    • un système de génération (SG) de quasi-accord de phase adapté pour inscrire un réseau périodique longitudinal (IP) d’une non linéarité d’ordre deux ou plus dans la fibre optique permettant un quasi-accord de phase pour une conversion non linéaire d’une première longueur d’onde dans la fibre optique.
  7. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel ledit système de génération de quasi-accord de phase comprend des électrodes disposées longitudinalement le long de la fibre et adaptées pour générer un champ électrique de manière périodique longitudinalement au sein de la fibre optique afin d’inscrire ledit réseau périodique longitudinal (IP).
  8. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel les électrodes sont adaptées pour générer un champ électrique supérieur à 10 kV/mm, préférentiellement 20 kV/mm.
  9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel ledit système de génération de quasi-accord de phase comprend des éléments chauffants disposés longitudinalement le long de la fibre et adaptées pour chauffer ledit cœur afin d’inscrire ledit réseau périodique longitudinal (IP).
  10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel ledit système de génération de quasi-accord de phase comprend un système laser (LS) adaptée pour générer au moins un faisceau dit incident (FI) présentant une première longueur d’onde ( , et un système de couplage (SC) adapté pour injecter ledit au moins un faisceau incident dans ladite fibre optique pendant une durée prédéterminée,
    Le système laser et le système de couplage étant en outre adaptés pour que ledit au moins un faisceau incident présente une intensité suffisante lors de sa propagation au sein de la fibre pour inscrire ledit réseau périodique longitudinal (IP).
  11. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le système laser, le système de couplage et la fibre optique sont adaptés pour que ledit réseau périodique longitudinal (IP) soit un réseau d’une non linéarité d’ordre deux, ladite conversion non linéaire de la première longueur d’onde dans la fibre optique étant une génération de seconde harmonique.
  12. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel ledit système laser comprend un laser (L) adapté pour générer un premier faisceau (F1) présentant la première longueur d’onde ( et un élément de conversion non linéaire (CNL) adapté pour générer un deuxième faisceau (F2) présentant une deuxième longueur d’onde ( obtenue par génération de seconde harmonique de la première longueur d’onde du premier faisceau, ledit premier faisceau et ledit deuxième faisceau formant ledit au moins un faisceau incident inscrivant ledit réseau périodique longitudinal (IP).
  13. Dispositif selon la revendication précédente, dans laquelle le système laser et le système de couplage sont adaptés pour qu’une puissance crête du premier et du deuxième faisceau soit respectivement comprise entre 100 W et 10MW et entre 10 W et 10MW lors de leur injection dans la fibre optique
  14. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la durée prédéterminée est supérieure à 5 minutes.
  15. Dispositif selon l’une des revendications 10 à 14 en combinaison avec la revendication 11, dans lequel la première variation ou la deuxième variation et la durée prédéterminée et l’intensité du faisceau incident lors de sa propagation dans la fibre optique sont adaptés pour une efficacité de génération de seconde harmonique dans la fibre soit supérieure à 1%, préférentiellement 3%.
  16. Procédé d’amélioration des propriétés non linéaires d’une fibre optique comprenant les étapes suivantes :
    A- sélectionner une fibre optique (F) comprenant un cœur (FC) dans un premier matériau (M1) et une gaine (FG) entourant ledit cœur dans un deuxième matériau (M2), un premier profil transverse (P1) d’une température fictive dudit cœur présentant un maximum localisé sensiblement audit centre du cœur et une première variation entre un centre (C) du cœur et un bord du cœur, dite première variation inférieure à 105%, préférentiellement inférieure à 60%,
    B- inscrire un réseau périodique longitudinal (IP) d’une non linéarité d’ordre deux ou plus dans la fibre optique permettant un quasi-accord de phase pour une conversion non linéaire d’une première longueur d’onde dans la fibre optique.
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