Les fibres microstructurées

Généralités sur les FMAS

   En 1996, une première démonstration d’une nouvelle structure de fibre optique avec un arrangement périodique de trous d’air autour d’un cœur de silice a été conçue [27]. Ces nouvelles structures, présentent des propriétés originales inaccessibles avec les fibres standards. Le principal avantage des FMAS est la flexibilité dans leur conception. En effet, en modifiant les caractéristiques géométriques de la section transversale de la fibre telle que la dimension de trou d’air (d) ou la distance entre ces trous (Λ), il est possible d’obtenir des fibres possédant des propriétés optiques uniques comme le contrôle de dispersion, ou bien l’exploitation des propriétés non linéaires. Il existe deux types de FMAS dont la première classe est à cœur solide, et la deuxième de type BIP. Les FMAS sont constituées d’un arrangement régulier ou pas de canaux d’air de dimension micronique alignés parallèlement à l’axe de propagation. Les paramètres géométriques principaux d’une telle disposition sont la distance entre le centre de deux trous adjacents (Λ), le diamètre des trous d’air (d), ainsi que le rapport d Λ qui est la fraction des trous d’air (figure(I.10)).

Comportement infiniment monomode

  Le modèle de l’indice effectif de gaine a permis d’envisager des propriétés originales. Parmi celles-ci, on peut citer le comportement monomode des FMAS sur une large bande spectrale, et ceci quelle que soit la longueur d’onde. Cette propriété est vérifiée expérimentalement dans le modèle équivalent à saut d’indice équivalent caractérisé par la dépendance de l’indice équivalent avec la longueur d’onde. En effet, lorsque la longueur d’onde devient très courte, la dépendance implicite de l’ouverture numérique de la fibre SI équivalente, et celle explicite du dénominateur de sa fréquence normalisée sont comparables et s’éliminent mutuellement. Cependant, dans les trous, l’extension du champ varie avec la longueur d’onde. L’indice de la gaine dépend de la longueur d’onde. En effet, si l’indice effectif de la gaine augmente avec l’indice du cœur lorsque la longueur d’onde diminue, L’ouverture numérique d’une FMAS est proportionnelle à la longueur d’onde de travail [7], V tend alors vers une valeur quasi constante qui peut être inférieure à la valeur seuil d’apparition du deuxième mode, si les paramètres de la fibre sont convenablement choisis. A cet effet, la FMAS est monomode quelle que soit la longueur d’onde dite fibres infiniment monomode figure (I.14). Ce phénomène est désormais compris et expliqué par plusieurs modèles [35], [36]. Expérimentalement, le comportement monomode large bande a pu être obtenu sur des longueurs d’onde situées entre 0.337 µm à λ= 1.55 µm

Méthode des faisceaux propagés (BPM)

   La méthode des faisceaux propagés ou (Beam Propagation Method) est la méthode numérique qui simule la propagation d’ondes. La BPM permet de prédire à partir d’un champ électrique incident la distribution du champ à l’intérieur d’un composant optique. Le principe général de cette méthode consiste à diviser la structure guidante en cellules ou tranches élémentaires distantes de ∆z, pour ensuite calculer le champ d’une tranche donnée à partir de la précédente. L’idée fondamentale de la BPM scalaire (ou conventionnelle) est de représenter le champ électromagnétique par une superposition d’ondes planes se propageant dans un milieu homogène. Dans le cas où le milieu est inhomogène, la propagation est modélisée par l’intégrale de toutes les ondes planes dans le domaine spectral. L’inhomogénéité du milieu se traduit par une simple correction de phase dans le domaine spatial. L’algorithme utilisé pour la méthode BPM repose sur une transformée de Fourier à trois dimensions (FFT Fast Fourier Transform). Cette technique est basée sur un schéma initial de Feit et Fleck [19]. Ainsi, la FFT permet de faire la relation entre le domaine spectral, et le domaine spatial. Toutefois, la BPM vectorielle   est nécessaire pour l’analyse de la propagation lumineuse dans des structures à fort contraste d’indice comme c’est le cas des fibres microstructurées air/silice tout en tenant compte des effets de la polarisation. La méthode repose sur le fait que l’onde optique se propageant dans un guide subit l’influence de deux phénomènes qui sont la diffraction, et la réflexion.

Structure hexagonale dopée avec un liquide

  Nos études s’orientent maintenant sur un nouveau type de FMAS grâce à l’insertion de petits trous d’air dans la gaine microstructurée interne, avec un dopage de la troisième couronne par un liquide artificiel [4,5]. La section transversale de la fibre de structure hexagonale proposée est représentée sur la figure (III.20). Les grands trous d’air espacés de (Λ), ont un diamètre (d), (dp) est le diamètre des petits trous d’air, nL étant l’indice de liquide inséré dans la troisième couronne. La gaine intérieure est composée des deux premières couronnes, qui sont formées par les grands et les petits trous d’air. Le rôle des petits trous d’air est de créer une différence d’indice élevée entre le cœur interne, et externe afin d’obtenir une dispersion chromatique négative maximale. Les trous dans la troisième couronne sont dopés avec un liquide artificiel [4,5] pour former le cœur externe.

Fibres microstructurées appliquées pour la compensation de la dispersion chromatique large bande (E+C+L+U)

   Dans les systèmes de multiplexage en longueur d’onde (WDM). La dispersion chromatique constitue l’un des problèmes majeurs, qui affecte la qualité de transmission ainsi que le débit d’informations. Afin de palier à ce problème, plusieurs techniques ont été utilisées comme les fibres à dispersion décalée (ITU-T G653), les fibres de dispersion décalée non nulle (ITU-T G655), les fibres de Bragg. Nous proposons dans cette partie de nouvelles FMAS de forme octogonale qui assurent la compensation de dispersion chromatique large bande. Les fibres proposées possèdent une dispersion chromatique élevée, et une biréfringence de l’ordre de 10-2 à la longueur d’onde λ = 1.55 μm. En outre, une pente de dispersion relative identique à celle des fibres monomodes a été obtenue.

a. FMAS octogonale avec des petits trous d’air :La figure (III.32) présente la section transverse de la FMAS proposée. Elle est composée de sept couronnes des trous d’air, et avec un pas de (Λ). (d,d1,dp) sont les diamètres des trous d’air de la FMAS. Des petits trous d’air de diamètre (dp) sont rajoutés dans la première couronne afin d’obtenir une pente de dispersion (Rds) identique à celle d’une fibre monomode (SMF-28)

b. FMAS octogonale avec quatre petits trous d’air:  La section transverse de la fibre proposée est représentée sur la figure (III.42). Elle est composée de neuf couronnes des trous d’air distant de (Λ), et disposées suivant une forme octogonale afin de réduire les pertes de confinement. Les diamètres des trous d’air sont (d) et (d1). Pour obtenir une dispersion chromatique et une biréfringence élevées, une symétrie du cœur est introduite en supprimant deux trous d’air circulaires, et en les remplaçant par quatre petits trous d’air. (dp) est le diamètre des petits trous d’air. Les diamètres (d1) des trous d’air de la troisième, et la quatrième couronne sont réduits pour avoir une pente de dispersion  relative (Rds) équivalente à la fibre monomode (smf-28). Le cœur de la fibre est de la silice pure.

Table des matières

Liste des Figures
Liste des Tableaux
Liste des Acronymes
Introduction Générale
Chapitre I : Les fibres microstructurées
I. Introduction
II. Fibres conventionnelles
II.1. Fréquence de coupure et la fréquence normalisée
II.2. Pertes
II.3. Dispersion
II.3.1. Dispersion Chromatique
II.3.2. Dispersion modale
II.3.3. Dispersion de polarisation
III. Compensation de la dispersion chromatique
IV. Généralités sur les FMAS
IV.1. Définitions
IV.2. Caractéristiques des FMAS
IV.2.1.Fréquence normalisée
V. Applications des FMAS air/silice
V.1. Comportement infiniment monomode
V.2. FMAS hautement non linéaire
V.3. Amplification
V.4. Grande ouverture numérique
V.5. Faible dispersion
VI. Caractéristiques des FMAS
VI.1. Aire effective
VI.2. Pertes de confinement
VII. Gestion de la dispersion chromatique
VII.1. FMAS compensatrice de dispersion chromatique
VII.2. FMAS à trous d’air modifiés
VII.3. FMAS à deux cœurs concentriques
VII.3.1. Méthode des modes élémentaires
VII.3.2. Méthode des supermodes
VIII.Conclusion
Références
Chapitre ΙΙ : Méthodes de Modélisation
I. Introduction
II. Méthode des différences finies
II.1. Discrétisation
II.2. Le choix des paramètres
II.3. Conditions aux limites
II.4. Application de la méthode des différences finies fréquentielle
III. Méthode des faisceaux propagés (BPM)
ΙΙI.1.Approximation scalaire
ΙΙI.2. BPM vectorielle
ΙΙI.3. Validation de la méthode des faisceaux propagés (BPM)
a. Influence du diamètre des trous d’air (d) sur la dispersion chromatique
b. Influence du pas sur la dispersion chromatique
IV. Méthode des éléments finis (FEM)
IV.1. Discrétisation du problème physique
IV.2. Réduction du domaine d’étude
IV.3. Conditions aux limites
IV.4. Influence de la nature du maillage
IV.5. Application de la méthode des éléments finis
V. Comparaison entre les méthodes de modélisation
V.1. Fibre microstructurée air/silice
VI. Conclusion
Références
Chapitre III : Résultats
I. Introduction
II. Fibre microstructurée air silice
II.1. Logiciel de simulation
II.2. Propriétés de guidage
II.2.1. Fréquence normalisée
II.2.2. Evolution de l’indice effectif en fonction des paramètres géométriques
II.3. Dispersion chromatique et l’aire effective
II.4. Pertes
III. Propositions de nouvelles fibres compensatrices de dispersion chromatique
a. Fibres microstructurées compensatrices à deux cœurs concentriques dopées par du Germanium
b. Fibres microstructurées à deux cœurs concentriques air-silice
a. Structure à deux cœurs concentriques avec des petits trous d’air insérés dans le cœur
c. Structure à deux cœurs concentriques de type carré
e. Structure hexagonale dopée avec un liquide
IV. Compensation monocanal
V. Compensation large bande (bande C)
VI. Fibres microstructurées appliquées pour la compensation de la dispersion chromatique large bande (E+C+L+U)
a. FMAS octogonale avec des petits trous d’air
b. FMAS octogonale avec quatre petits trous d’air
VII. Comparaison entre la méthode des éléments finis avec d’autres méthodes
VIII.Conclusion
Références
Conclusion générale
Liste des Communications Nationales
Liste des Communications Internationales
Liste des publications Internationales
Résumé

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