Dispersion Characterization in Single-Mode Optical Fibers for Supercontinuum Generation Supporting Few-Cycle Pulses

Dans les dernières décennies, le domaine de la photonique ultra rapide a connu de nombreuses avancées. Cela a été motivé du côté de l'industrie par l'augmentation de la bande passante et l'utilisation des fibres optiques pour transmettre l'information et du côté fondamental par le fait que la génération d'impulsions lumineuses courtes donne accès à un instrument d'exploration des dynamiques fondamentales de la matière. La propagation d'impulsions ultra courtes est accompagnée par un élargissement spectral induit par des effets d'optique non linéaire dus à l'intensité importante de l'impulsion. La géométrie des fibres optiques permet la propagation confinée de la lumière pour une distance supérieure à la longueur de diffraction caractéristique. Cela fait des fibres monomodes des candidates très attractives pour la génération d'impulsions à l'aide d'effets non linéaires. La propagation de telles impulsions est fortement influencée par les propriétés dispersives des matériaux et du guide d'onde et pousse l'étude des caractéristiques dispersives des fibres mono-modes à travers une large bande spectrale. L'objectif principal du projet est de caractériser la dispersion de fibres optiques avec une extrême précision sur une large région spectrale. A cause de la dispersion induite par la géométrie du guide d'onde, utiliser l'équation de Sellmeier ne suffit pas pour décrire précisément la dispersion dans une fibre optique. Il est donc nécessaire de construire un montage optique. Un interféromètre de Mach-Zehnder qui contient la fibre sous étude dans un de ses bras et une ligne à délai dans l'autre est parfait pour cette application. L'étude des interférences à des longueurs d'onde différentes permet d'obtenir toute l'information nécessaire à l'extraction de la dispersion, comme le montre le chapitre 3. L'interféromètre est un système sensible, le ratio signal sur bruit doit être optimisé à la fois lors de l'acquisition du signal et lors de son traitement subséquent. Nous appliquons une transformée de Hilbert pour récupérer l'enveloppe du signal oscillant, comme le montre le chapitre 4. Notre montage est capable de mesurer et d'analyser la dispersion d'une fibre optique entre les longueurs d'onde de 1150 et 2600 nm. Il est compact et portable (en omettant la source de lumière) avec la possibilité de changer la fibre à étudier. Obtenir les caractéristiques dispersives d'une fibre optique hautement non linéaire permet de simuler la propagation d'une impulsion lumineuse courte (60 fs) dans celle ci. En utilisant un programme Python pour modéliser à la fois les non-linéarités et les effets dispersifs de la fibre optique, on obtient la forme temporelle et spectrale de l'impulsion à la sortie de la fibre.

Abstract

Within the last few years, many advances have been made in the field of ultrafast photonics. On the technology side, this interest is motivated by increasing bandwidth requirements in telecommunications and the use of fiber optics to transmit information. On the fundamental side, production of short pulses provides an instrument for investigating fundamental dynamics underlying interacting internal degrees of freedom in matter. The propagation of ultrashort pulses often requires spectral broadening via optical nonlinear processes accessed through the high peak intensity of the pulse. Optical fiber geometry allows for propagation of localized light through distances much longer than the characteristic diffraction length. As a result, single-mode optical fibers are very attractive candidates as a nonlinear medium for the production of ultrashort pulses. Propagation of short pulses is also strongly influenced by the dispersion properties of the medium and thus motivates the study of dispersion properties of single-mode fibers across a wide spectral band. The primary objective of this project is to characterize the dispersion in optical fibers with extreme precision over a large region of spectral bandwidth. Because of the dispersion induced by the waveguide geometry, Sellmeier's equations do not accurately describe the dispersive properties of a fiber. Building a characterization setup is then necessary. An unbalanced Mach-Zehnder interferometer with the fiber under measurement on one arm and a delay stage on the other is perfect in this case. Generating interferences with different input wavelengths gives all the information to compute the fiber dispersion as shown in chapter 3. As interferometers are very sensitive, the signal to noise ratio can be improved by optimizing the electronics on the hardware side, and by using a Hilbert transform to retrieve the envelope of a signal on the processing side, as shown in chapter 4. The setup built in this project is able to measure and analyse the dispersion of an optical fiber between the wavelengths of 1150 nm and 2600 nm. It is both compact and movable (minus the light source) with the possibility to change the fiber to measure. Computing dispersion allows to simulate the propagation of an ultrashort pulse (60 fs) in a highly nonlinear fiber. Using a Python program to model both nonlinearities and the dispersion inside the fiber, we can compute the temporal shape of the output pulse and its spectrum.