Détermination du contenu en rayons géométriques de la lumière se propageant dans une fibre hautement multimode

L'objectif de ces travaux est de développer une méthode de mesure du contenu modal de fibres multimodes basée sur des mesures géométriques, destinée particulièrement à estimer le contenu modal de fibres hautement multimodes (plusieurs centaines de modes). L'hypothèse sur laquelle reposent ces travaux est que l'optique géométrique permet d'adéquatement représenter la lumière se propageant dans de telles fibres. Pour vérifier cette hypothèse, on a présenté divers calculs validant la correspondance entre l'optique géométrique et l'optique ondulatoire dans les fibres hautement multimodes. On a également proposé une façon alternative de représenter l'intensité lumineuse dans ces fibres optiques, basée sur des arguments purement géométriques et que l'on a nommée intensités géométriques. La méthode proposée est une méthode hybride entre l'optique ondulatoire et l'optique géométrique, qui consiste à mesurer les invariants géométriques présents dans la fibre sous test. Connaissant la relation entre les invariants et les modes ondulatoires, il est possible d'approximer le contenu modal dans la fibre. Les résultats sont présentés dans le plan (l¯2, B¯2), dans lequel les invariants des rayons guidés sont restreints à un domaine triangulaire. La mesure consiste à reproduire le champ lointain de la fibre sous test sur une caméra et d'acquérir une série d'images pour différentes positions d'une lame obstruant partiellement le champ proche. L'invariant axial B¯ se mesure directement à partir du profil au champ lointain. L'invariant azimutal l¯ n'est pas complètement discriminé, on en mesure une valeur moyenne en comparant la puissance transmise par la lame avec les valeurs prédites par les intensités géométriques. Les différentes conditions mesurées sont : différentes longueurs de fibre, différents rayons de courbure, différentes longueurs de fibres avec excitation décentrées, la présence d'un mélangeur de modes et des coupleurs multimodes. La conclusion générale est que le montage ne distingue pas très bien les conditions supposées avoir des distributions de l¯ différentes, alors que la distribution en B¯ est plus claire et permet d'en différencier des conditions d'excitation et de couplage variées.

Abstract

We present a method that approximates the modal content in highly multimode fibers, which are fibers that contain over few hundred of modes. The hypothesis on which is based this method is that geometrical optics is an accurate way to represent light propagating in such fibers. To verifiy this hypothesis, we present some calculations which validate the correspondence between wave and geometrical optics in highly multimode fibers. We also propose an alternative way to represent light in these fibers, based on geometrical arguments, that we called geometrical intensities. The method is an hybrid method between wave and geometrical optics, which consists in measuring the geometrical invariants present in the fiber under test. By knowing the relation between the geometrical invariants and the modes permitted in the fiber, it is possible to estimate a modal content. The results are displayed in the (l¯2, B¯2) plane, in which the guided rays are restrained to a triangular domain. The measurement consists of reproducing the far field of the fiber under test on a camera and acquiring a series of images for different positions of a knife edge partially obstructing the near field. The axial invariant B¯is measured directly from the far field distribution. The azimuthal invariant l¯is only partially discriminated because we only measure an average value by comparing the transmitted power by the knife edge with the theoretical value calculated from the geometrical intensities. The experimental conditions measured are: different lengths of fibers, radius of curvature, different lengths of fibers with asymetrical excitations, the presence of a mode scrambler and multimode couplers. The general conclusion is that the setup does not discern correctly conditions supposed to provide diferent l¯distributions, but the B¯distributions are clearer and allow to discriminate various excitation and coupling conditions.