Generation and characterization of cylindrical vector beams in few-mode fiber

Résumé

Au cours des dernières décennies, l’utilisation d’un faisceau gaussien a permis la découverte de nombreuses applications scientifiques qui ont révolutionné le monde de l'optique et de la photonique. Récemment, il y a une transformation majeure pour laquelle d’importantes recherches ont été consacrées à la découverte des propriétés dynamiques des faisceaux vectoriels cylindriques (FVC). De plus en plus, les chercheurs développent des applications où l’utilisation d’un faisceau de lumière dont l’intensité est marquée par un seul anneau en forme de beigne, est primordiale. En particulier, ces faisceaux dits vectoriels cylindriques, lorsqu’ils sont focalisés, présentent des propriétés uniques en raison de leur distribution de polarisation radiale et azimutale. Ces FVC offrent des interactions lumière-matière supérieures à celles des faisceaux conventionnels (de type gaussien) à polarization homogène. Par exemple, un FVC polarisé radialement peut améliorer de façon importante la résolution d’un système d'imagerie microscopique en fournissant une grande ouverture numérique et une distribution symétrique au point focal. D’autre part, les FVC ont pu être utilisés dans de nombreuses applications telle que la micronano-manipulation optique, l'imagerie super-résolution, l'optique quantique, les plasmons de surface et la communication par fibre optique à haute capacité, et ce grâce à ses singularités de phase et d'intensité. La plupart des FVC étudiés ont prouvé une grande diversité d’applications prometteuses en optique tant en espace libre qu’en fibre optique. Ainsi, de nouveaux développements nécessiteront des techniques fiables pour générer ces FVC avec une forte efficacité de couplage, un mode électromagnétique très bien défini et un seuil de dommage très élevé. Lors des dernières années, le design, la fabrication et l’étude de nouvelles fibres optiques transportant des faisceaux tels les FVC, les faisceaux vortex avec moments angulaires orbitaux (MAO) sont apparus. Il est désormais clair que le multiplexage par division de mode (MDM) constitue une solution prometteuse pour palier à la limitation de capacité des données transmises dans les fibres optiques monomodes standards. De plus, les faisceaux vectoriels dans les fibres optiques constituent la base fondamentale des modes polarisés linéairement (PL) (selon l’approximation scalaire) ainsi que les modes transportant les MAO, ce qui représente une autre avenue pour réaliser le MDM en telecommunication fibrée. De plus, il est primordial de contrôler et d’extraire les informations essentielles des faisceaux vectoriels pour les futures fibres de télécommunication par multiplexage, par division modale et les nouveaux capteurs à fibre optique basés sur les FVCs. A cette fin, il est essentiel de développer des méthodes efficaces pour générer ces FVCs. Quelques méthodes actuelles, reportées dans la littérature, pour la génération de ces FVCs utilisent une lame de phase en spirale, un modulateur spatial de lumière (MSL) et un couplage décalé dans la fibre. Cette thèse a pour but principal la génération et la caractérisation de tels faisceaux vectoriels cylindriques dans des fibres multimodes. Le but principal serait de développer des dispositifs photoniques simples, flexibles et à faible coût qui permettront la génération efficace et la propagation stable de FVCs tout en réduisant les pertes globales induites par le système. La plupart des méthodes rapportées précédemment ont été limitées aux mesures de modes scalaires PL des fibres multimodes tout en négligeant les faisceaux vectoriels sous-jacents, qui nécessitent un contrôle précis spectralement et spatialement afin d’être détectés. Dans cette thèse, nous avons employé trois techniques différentes pour la génération de faisceaux FVC et de faisceaux avec moment angulaire orbital ayant conservé une grande pureté après leur sortie. Dans un premier temps, nous avons fabriqué un convertisseur de mode basé sur un système mécanique nous garantissant un réseau ayant la plus petite période jamais signalée pour la génération de faisceaux vectoriels cylindriques transmis par des fibres multimodes. Ce dispositif photonique est utilisé afin de démontrer la caractérisation non linéaire nondestructive de FVC en utilisant pour la première fois le phénomène de diffusion Brillouin stimulée. Nous avons montré comment les spectres Brillouin des faisceaux vectoriels nous permettent de les identifier individuellement, de mesurer le gain des fibres spécifiques, d’identifier, d’analyser puis de valider les indices de réfraction effectifs correspondants aux faisceaux vectoriels récupérés à partir des données. Cette nouvelle méthode de caractérisation de chaque mode vectoriel aura un impact à la fois sur les applications dans le secteur des télécommunications et des capteurs à fibre optique, qui s’appuient à l’heure actuelle principalement sur les modes scalaires PL. En outre, une technique simple et peu coûteuse pour générer des FVCs via un réseau à fibres de longue période (RFLP) avec un très petit pas est présentée. Ce travail démontre que la méthode à bas coût de gravure de réseaux à l'arc électrique pour la fabrication de RFLP est accessible aux fibres spéciales multimodes qui ontsouvent besoin d’une très petite valeur de pas. De plus, la génération de faisceau vectoriel cylindrique parfaitement arbitraire est démontrée dont le profil de faisceau (c'est-à-dire le profil d'intensité transverse) peut être contrôlé facilement et indépendamment via un diaphragme et un masque de phase diffractif élaboré sur un MLS programmable. La methode proposée est hautement adaptable car elle peut être utilisée pour générer n'importe quel type de faisceau vectoriel cylindrique parfait ainsi que des faisceaux vortex parfaits d’ordre topologique arbitraire, et ce avec le même montage expérimental. Cette analyse expérimentale est validée et décrite par une étude théorique rigoureuse en accord total avec les résultats obtenus.

Date	22 oct. 2018
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Bora Ung (Directeur(-trice)) & Christine Tremblay (Codirecteur(-trice))