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Lasers, amplificateurs et composants à fibres optiques spéciales

- Porteur : Dussardier Bernard

- Collaborateurs LPMC : Blanc Wilfried, Benabdesselam Mourad, Mady Franck, Doya Valérie, Aschiéri Pierre, Michel Claire

- Collaborateurs extérieurs : Peterka P. et Kasik I. (IPEE, Prague), Rastogi V. (IIT Roorkee, India), Farahi S. (EPFL, Suisse)

- Doctorants/Post-docs : Lupi Jean-François, Mebrouk Yasmine, Duchez Jean-Bernard

- Soutiens financiers : CNRS, UNS, EPFL, ANR, Fondation EADS

- Plateformes technologiques : Fabrication de fibres optiques

- Description :

On assiste à une très forte croissance de la diversité des champs d’applications de fibres optiques spéciales comme composants passifs ou actifs dans des dispositifs optiques. Ces composants offrent des fonctions toujours plus originales, et des performances techniques et/ou d’efficacité toujours en progression. Il faut aussi fréquemment intégrer plusieurs de ces fonctions dans une même fibre optique. Actuellement les paradigmes de systèmes à fibres optiques sont revisités afin de satisfaire les futurs besoins. On peut citer plusieurs domaines exemplaires :

  • Les lasers de forte puissance ou le transport passif de faisceaux intenses nécessitent d’augmenter le seuil d’apparition d’effets non-linéaires néfastes dans les fibres. De nombreuses stratégies sont envisagées pour intégrer les fonctions ‘amplification’ (quand elle est présente), ‘filtrage modal’ (pour un faisceau limité par la diffraction) et ‘stabilité’ (faibles non-linéarités). La géométrie complexe d’une fibre laser doit ainsi tenir compte des caractéristiques optogéométriques autant que compositionnelles des différentes parties de la fibre active.
  • On a besoin d’étendre la couverture spectrale par des lasers et amplificateurs afin de combler les lacunes, dans le visible et le proche-infrarouge, empêchant le développement d’un grand nombre d’applications. Ici aussi la mise en œuvre de compositions, voire de structures nanométriques, originales dans le cœur amplificateur des fibres s’associe à leur intégration dans des matériaux fiables, tels que la silice.
  • Il est de plus en plus fréquent d’exposer les lasers, amplificateurs et capteurs à des conditions extrêmes (température, pression, radiations, puissance optique) qui nécessitent le développement de fibres optiques spécialement conçues, et leur intégration spéciale dans les dispositifs, notamment pour les applications embarquées en spatial et en sécurité nucléaire.
  • Le domaine des télécommunications à fibres optiques doit actuellement répondre à une demande toujours croissante en débit de données, ce qui suscite actuellement un extraordinaire effort de R&D. Après le multiplexage dense en longueur d’onde (DWDM), le codage cohérent orthogonal et le traitement numérique (Digital Signal Processing), les efforts de recherche se concentrent sur l’intégration de ces dernières technologies dans le multiplexage modal (Spatial Division Multiplexing, SDM) : il consiste à coder l’information sur plusieurs canaux spatialement séparés dans des fibres soit faiblement multimodales ou des fibres à plusieurs cœurs monomodes, voire les deux à terme. Tout le paradigmes des fibres de lignes, des composants (coupleurs, filtres, combineurs pompe-signal, routeurs, diodes de pompage, etc) et des dispositifs (amplificateurs) est en train d’être revisité.

Dans ce domaine, l’équipe Fibres Optiques participe à plusieurs projets incluant la conception, la fabrication et la caractérisation de fibres optiques spéciales basées sur des concepts originaux. Cette activité se situe en amont des applications finales : elle met en œuvre les résultats des autres projets plus fondamentaux de l’équipe, avec des objectifs applicatifs clairement identifiés. Les projets concernent :

  • l’amplification et le modelage de courbe de gain de fibres dopées aux terres rares (pour lasers, télécommunications),
  • les absorbants saturables à fibres dopées d’ions de métaux de transition (lasers passivement Q-déclenchés),
  • la gestion de la dispersion chromatique (télécommunications haut-débit) ou intermodale (télécommunications multimodes par multiplexage modal),
  • le filtrage modal et fibres à large aire modale à modes radiatifs (lasers de puissance),
  • les géométries non-symétriques (chaos ondulatoire linéaire et non-linéaire en optique guidée),
  • l’émission laser à des longueurs d’onde originales (pompage laser, médical, métrologie).

L’équipe entretient de nombreuses collaborations et un riche réseau de collaborateurs externes. Le cœur de sa recherche se base sur la plateforme technologique Fabrication de fibres optiques du LPMC.

Détails des projets en cours :

Les laser à fibre optique actuellement disponibles opèrent sur un nombre limité de bandes étroites dans le proche infrarouge : 1 µm (dopage Yb3+), 1,5 µm (Er3+) et 1,9 µm (Tm3+). Un laser à fibre transversalement monomode fonctionnant vers 0,8 µm peut-être réalisé grâce à une fibre optique amplificatrice « améliorée », dopée d’ions de thulium (Tm3+). Nous contribuons ainsi à l’extension du domaine spectral couvert par les dispositifs à fibre, pour des applications médicales, en métrologie et en télécommunications.

  • Amplificateurs et nouveaux concepts pour télécommunications optiques

Dans le cadre du développement actuel du SDM (Spatial Division Multiplexing), les solutions explorées se limitent pour l’instant à des fibres faiblement multimodes (8 à 12 modes), ou à multicœurs (12 voire 19). Notre équipe s’est lancée dans cet effort, avec une proposition originale concernant les amplificateurs à fibre dopée erbium. Plus en amont de ces considérations, l’augmentation encore plus importante du nombre de modes (des dizaines, voire des centaines) pourrait être obtenue en retombées de projets de l’activité de MOSAIQ consacrée à la Physique Mésoscopique, notamment le chaos ondulatoire en optique guidée.

  • Lasers, amplificateurs et capteurs en milieux extrêmes

Plusieurs études en cours au laboratoire ou en collaboration concernent les interactions de rayonnements ionisants avec des fibres optiques actives. Les retombées attendues concernent d’une part des amplificateurs à fibres dopées résistant aux radiations (projets ANR/PARADYSIO et EADS/HAPOLO) (voir projet Fibres optiques et radiations (FOR)) et d’autre part des dosimètres distribués à lecture en temps réel, spécifiquement adaptés à toutes les configurations de secteurs à surveiller (projet ANR/DROÏD).

Mots-clés

MOSAIQ, Physique Mésoscopique, Photonique, Fibres Optiques