Stimulated Brillouin Scattering in Photonic Crystal Fibre
La diffusion Brillouin dans les fibres optiques microstructurées
Résumé
This thesis deals with both forward and backward Brillouin scattering (BS) in microstrutured optical fibres (MOF) which results from an interaction between a light wave and an acoustic wave. This work shows that the wavelength-scale periodic succession of air-holes in MOFs drastically changes the elastic wave distribution and thus leads to novel dynamical behaviours for Brillouin scattering with respect to what occurs in conventional telecommunication fibres. First, our experiment results revealed that forward or guided-acoustic wave Brillouin scattering in MOFs is substantially enhanced only for a set of high-frequency acoustic modes that are strongly localized to the MOF's core, as numerically predicted by the finite element method. Second, a multi-peaks spectral broadening in the backward Brillouin scattering spectrum is experimentally observed that was further checked by a position-resolved mapping of the Brillouin gain spectrum along the MOF. This inhomogeneous spectral broadening leads to a significant increase of the Brillouin threshold that can not be attributed to the structural variation of the fibre but rather to the air-hole microstructure itself. Moreover, distributed measurements demonstrated that some of these acoustic modes are very sensitive to stress applied along the fibre. Beyond the scope of this thesis, we report in appendix the generation of several supercontinuua spanning more than 1300 nm by use of a microchip laser emitting at the 532 nm and the same MOFs as for Brillouin scattering.
La diffusion Brillouin stimulée (DBS), résultant d'une interaction acousto-optique, est connue pour limiter la puissance transmise dans une fibre optique, mais sa grande sensibilité aux conditions extérieures la rend très intéressante dans le domaine des capteurs distribués. La nouvelle génération de fibres optiques microstructurées, apparue à la fin des années 90, présente un potentiel intéressant pour les interactions acousto-optiques car la succession périodique de micro canaux d'air emprisonnés dans la silice permet de confiner simultanément les modes optiques et acoustiques. A travers différentes expériences, ce travail de doctorat présente une étude détaillée de l'influence de la microstructure air-silice sur la dynamique de l'effet Brillouin tant dans la dimension transverse que longitudinale de la fibre photonique. Nous avons ainsi mis en évidence l'excitation de modes acoustiques transverses localisés dans le coeur de la fibre et piégés par la microstructure, à des fréquences hypersonores dépassant parfois le GHz, en bon accord avec le calcul numérique par élément finis des modes acoustiques de la fibre. De plus, les mesures du spectre de rétrodiffusion Brillouin stimulée ont également révélé le caractère acoustique multimode ainsi que l'augmentation significative du seuil Brillouin dans la plupart des fibres étudiées. Ces résultats ont été confirmés par des mesures distribuées du spectre Brillouin, qui ont montré la grande sensibilité aux contraintes mécaniques des fréquences Brillouin. En annexe à cette thèse, nous avons étudié la génération de supercontinuum, la diffusion Raman et le mélange à quatre ondes dans de courtes longueurs de fibres microstructurées.
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