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Ralentissement de la lumière par effets non-linéaires dans les fibres optiques pour les systèmes de communications à haut débit

Lilin Yi

Published Jan 1, 2007• 0 citations
OpenAlex

Abstract

La lumiere lente, qui correspond au controle de la vitesse de propagation de la lumiere par dispersion guide ou materiau du milieu considere, est une fonction photonique « cle » pour le developpement des futures generations de reseaux de communication optique : ligne a retard, synchronisation temporelle de paquets optiques, memoires tampon. Les resonances associees aux diffusions Raman et Brillouin ou a l'amplification parametrique dans les fibres optiques ont ete proposees pour le ralentissement de la lumiere. Il resulte de la courbe de gain une variation brutale de l'indice de refraction autour de la frequence de resonance, phenomene physique exprime au travers des relations de Kramers-Kronig. Cette transition rapide engendre une forte variation de l'indice de groupe au travers du milieu considere. Les resultats publies precedemment ont principalement concerne des signaux lents et plus rarement des signaux a haut-debit (> 10 Gb/s) plus proches des applications aux telecommunications optiques. Dans cette these, nous utilisons le processus parametrique bande etroite et le phenomene de diffusion Brillouin stimulee (SBS) large bande dans les fibres afin de realiser des lignes a retard ajustables pour des signaux a 10 Gb/s. Les performances de la lumiere ralentie seront evaluees en mesurant le temps de retard maximum, la qualite du signal retarde par l'ouverture de l’oeil et le taux d'erreur binaire (BER), ainsi que l'optimisation du signal en reduisant au minimum les distorsions induites par la lumiere lente.

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Lumière lente par amplification paramétrique dans les fibres optiques biréfringentes

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Cette thèse a pour thème le processus physique de ralentissement de la lumière induit par amplification paramétrique vectorielle dans les fibres optiques biréfringentes. Notre première étude porte sur la lumière lente induite par amplification paramétrique vectorielle dans les fibres fortement biréfringentes. Contrairement au processus scalaire, nous montrons théoriquement que le processus vectoriel offre la possibilité de créer des bandes de gain paramétrique étroites et éloignées de la pompe, permettant de générer des retards optiques très importants, un ordre de grandeur supérieurs à ceux obtenus en amplification paramétrique scalaire. Des résultats analytiques et issus de simulations numériques dans le cas de dispersion normale ainsi que dans le cas de dispersion anormale sont présentés. Ensuite, nous discutons des principales limitations au retard optique (élargissement de l’impulsion pompe notamment) et nous étudions l’influence positive de l’effet Raman sur le retard optique. Notre seconde étude est consacrée à la lumière lente induite par amplification paramétrique dans les fibres faiblement biréfringentes. Nous traitons l’ensemble des configurations possibles d’instabilité de polarisation selon l’état initial de polarisation de l’impulsion pompe et du régime de dispersion. Nous démontrons clairement que la configuration correspondant à une impulsion pompe polarisée suivant l’axe lent de la fibre et une impulsion signal polarisée suivant l’axe rapide en régime de dispersion normale donne des retards optiques les plus important

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La portée des communications quantiques est limitée à quelques dizaines de km en raison de l’atténuation dans les fibres. Les répéteurs quantiques (relais quantiques synchronisés par des mémoires quantiques photoniques) furent introduits afin d’accroître ces distances. Or, pour le moment, les mémoires les plus performantes fonctionnent à des longueurs d’onde n’appartenant pas à la bande C télécom. Afin de profiter de ces mémoires, l’utilisation d’interfaces quantiques (milieu non linéaire quadratique) fut proposée comme alternative. En ajoutant ainsi par somme de fréquences un photon de pompe de longueur d’onde appropriée au photon télécom portant l’information, on transfère l’information à une longueur d’onde compatible avec les mémoires, et ceci sans dégradation de l’information portée initialement par le photon télécom. Notre but est ainsi de construire un oscillateur paramétrique optique continu simplement résonant (SRO) qui fournira un faisceau à 1648 nm qui sera sommé en fréquence aux photons télécom à 1536 nm pour transférer l’information vers un photon stockable dans une mémoire à base d’atomes alcalins. Pour transférer efficacement l’information, le SRO doit satisfaire quelques critères : une haute finesse spectrale (largeur de raie ~kHz), une forte puissance (~1W) et une longueur d’onde plus grande que celle du photon télécom à convertir. Pour ce faire, nous utilisons le faisceau non-résonant d’un SRO continu. Le premier travail réalisé dans cette thèse a été de faire la démonstration de la possibilité d’avoir un faisceau à la fois intense et pur spectralement en sortie d’un SRO continu. En réutilisant un SRO déjà développé durant nos travaux antérieurs, nous avons pu stabiliser au niveau du kHz la fréquence du faisceau non résonant à 947 nm (onde signal) de ce SRO, tout en émettant une puissance de plus d’un watt. Ensuite, nous avons conçu le SRO dont le faisceau non résonant à 1648 nm (onde complémentaire) a été stabilisé à court terme en-dessous du kHz avec une puissance de l’ordre du watt. Nous avons ensuite étudié la stabilité à long terme de la longueur d’onde du complémentaire à 1648 nm. Nous avons mesuré des dérives de fréquences de l’ordre de 10 MHz/mn. Ces dérives, venant essentiellement de la cavité de référence sur laquelle le SRO est asservi, peuvent être réduites en contrôlant activement la cavité d’une part, et en utilisant des techniques de stabilisation en fréquence robustes, d’autre part.

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Nouveaux points de vues sur la lumière lente et le stockage optique

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La capacité de la lumière ralentie pour créer des lignes de retard tout-optiques a été fortement remise en question par des évidences expérimentales et le renforcement de nos connaissances théoriques. Nous montrerons que de nouvelles approches implantables dans les fibres optiques, à la fois conceptuellement plus simples et considérablement plus performantes, offrent des perspectives beaucoup plus prometteuses. Par contre, la lumière lente offre encore un énorme intérêt pour le renforcement des interactions entre lumière et matière, dans le but de réaliser des dispositifs photoniques plus compacts et plus efficaces. Ces recherches ont par ailleurs démontré qu'il n'existe pas un type de lumière lente, mais deux aux propriétés et aux usages radicalement différents. Nous expliquerons et illustrerons ces différences à l'aide de résultats fondamentaux récents simples et démonstratifs, soulignant la vigueur de la recherche dans ce domaine encore en plein défrichement.

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La capacité de la lumière ralentie pour créer des lignes de retard tout-optiques a été fortement remise en question par des évidences expérimentales et le renforcement de nos connaissances théoriques. Nous montrerons que de nouvelles approches implantables dans les fibres optiques, à la fois conceptuellement plus simples et considérablement plus performantes, offrent des perspectives beaucoup plus prometteuses. Par contre, la lumière lente offre encore un énorme intérêt pour le renforcement des interactions entre lumière et matière, dans le but de réaliser des dispositifs photoniques plus compacts et plus efficaces. Ces recherches ont par ailleurs démontré qu'il n'existe pas un type de lumière lente, mais deux aux propriétés et aux usages radicalement différents. Nous expliquerons et illustrerons ces différences à l'aide de résultats fondamentaux récents simples et démonstratifs, soulignant la vigueur de la recherche dans ce domaine encore en plein défrichement.