Discovery and Correction of Spatial Non-Uniformity in Optical Fibers: Towards the Fabrication of Perfect Ultra-Long Fiber Bragg Gratings for Applications in Non-Linear Optics

Les réseaux de Bragg (FBGs) sont des dispositifs tout-fibre communs en photonique et très utilisés en télécommunications comme filtres, réflecteurs sélectifs, compensateurs de dispersions et bien plus. Le sujet de cette thèse concerne les réseaux de Bragg ultra-longs, soit plus longs que la longueur typique des masques de phase (>20 cm). Les FBG ultra-longs ont la particularité d'avoir une très petite bande passante, un long temps de vie pour les modes de cavités distribués (DFB, cavité dont le champ des modes est distribué sur toute la longueur du réseau) et un grand chirp pour des FBG chirpé. Cette thèse étudie les cavités DFB ultra-longues à saut de phase, idéalement de π. Celles-ci comportent un seul mode de cavité à très haut facteur de qualité qui peut être utilisé comme laser lorsqu'un gain est présent. De tels lasers ont la propriété d'être monomode avec une largeur d'émission très fine en fréquence. Lorsqu'un gain non linéaire est présent, tel que du Brillouin ou Raman stimulé, ce qui est possible avec des FBGs ultra-longs, de tels lasers n'ont pas de restriction bande de longueurs d'onde, ce qui n'est pas le cas du gain des terres rares. En d'autres mots, ils peuvent être opérés à n'importe quelle longueur d'onde. Ces dispositifs ultra-longs spécialisés ont toujours été très difficiles à produire. Même avec les meilleurs systèmes, la reproductibilité de fabrication de FBGs ultra-longs de haute qualité était absente. À cause de cela, de tels dispositifs n'ont jamais été développés pour des applications commerciales. Cette thèse étudie les difficultés d'écriture de FBGs ultra-longs et démontre des solutions permettant une reproductibilité de haute qualité. La méthode d'écriture utilisée et étudiée au long de cette thèse est l'écriture en continu par modulateur électro-optique avec interféromètre de Talbot. La principale difficulté trouvée dans l'écriture de FBGs ultra-longs est la haute non-uniformité dans toutes les fibres optiques, une caractéristique difficile à mesuré et hautement néfaste pour les FBG ultra-longs. La solution proposée : faire une correction de phase pendant l'écriture afin de permettre un réseau parfait dans toute fibre. La thèse présente 4 articles montrant les limitations et solutions de la fabrication de FBGs ultra-longs ainsi que l'opération de laser DFB à fibre par gain Brillouin et Raman dans de tels FBGs. La thèse montre, dans la première publication, l'avantage de FBGs ultra-longs en démontrant un laser DFB avec un gain Brillouin dans de la fibre standard (SMF-28), au lieu de fibre hautement non linéaire typiquement utilisé pour de tels lasers.

Abstract

Fiber Bragg gratings (FBGs) are common all-fiber devices in photonics and have been widely used in telecommunications as filter, selective reflectors, dispersion compensators and more. The subject of this thesis is specialised Ultra-long FBGs, which are defined as longer then the typical length of a phase mask ( >20 cm). Ultra-long FBGs have the particularity of having very narrow bandwidth, long lifetime for distributed feedback (DFB) cavity modes and high chirp for chirped FBGs. A DFB cavity is a single-longitudinal-mode long cavity, as the photon is trapped along the entire length of the FBG. This thesis studies ultra-long DFB cavities known as “phase-shifted” or “π-shifted” and have a single phase defect inside the FBG to create the high Q cavity mode, which can then be used as a laser if an active gain medium is present. Such lasers would have the property of narrow linewidth single-frequency operation. When used with non-linear gain, such as Stimulated Raman or Brillouin gain, which can be done with ultra-long FBGs, those lasers have no specific band of operation restriction, contrary to rare-earth gain. In other words, they can be operated at any wavelength. Those specialised ultra-long FBG devices have long been difficult to produce. Even with the best systems, reproducibility of high quality ultra-long FBGs has always been absent. Because of this, such device was never fully developed for commercial applications. This thesis studies the difficulties of ultra-long FBG writing and demonstrates solution for reproducible high-quality fabrication. Stimulated Brillouin and Raman scattering gain phase-shifted DBF ultra-long FBGs are then modeled, optimized and tested. The writing method is continuous writing using an electro-optic modulator driven Talbot interferometer. The main difficulty found in ultra-long FBG writing, is high non-uniformity found in all optical fibers, a characteristic difficult to measure and very detrimental for ultra-long FBGs. A solution was proposed for this: make a phase correction during writing to allow perfect FBGs in any fibers. The thesis presents 4 articles relating ultra-long FBG fabrication limitations and solutions as well as Brillouin and Raman DFB fiber laser operation in ultra-long FBGs. The thesis shows, in the first publication, the advantage of ultra-long FBG by DFB lasers using non-linear gain (Stimulated Brillouin Scattering) in standard fiber (SMF-28), instead of typical highly non-linear fibers.