Des scientifiques de l'Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT) et des collaborateurs internationaux ont mis au point un nouveau type de fibre optique qui a un diamètre de noyau extrêmement important et préserve les propriétés cohérentes de la lumière. L'article a été publié dans la revue Optique Express . Les résultats de l'étude sont prometteurs pour la construction de lasers et d'amplificateurs à fibre pulsée de haute puissance, ainsi que des capteurs sensibles à la polarisation.

En ce qui concerne les applications de fibre optique, la préservation des propriétés de la lumière est cruciale. Deux paramètres principaux doivent souvent être préservés :la répartition de l'intensité lumineuse en coupe transversale et la polarisation de la lumière (propriété qui spécifie les directions d'oscillation du champ électrique ou magnétique dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde). Dans leur étude, les chercheurs ont réussi à remplir les deux conditions.

« La recherche sur les fibres optiques est l'un des domaines de l'optique qui se développe le plus rapidement. Au cours de la dernière décennie, de nombreuses solutions technologiques ont été proposées et mises en œuvre. Par exemple, les chercheurs et ingénieurs de l'IRE RAS peuvent désormais produire des fibres optiques de presque n'importe quel diamètre avec une structure transversale arbitraire, " dit Vasily Ustimchik, co-auteur de l'étude et professeur au MIPT. « Au cours de cette étude, une structure spécifique a été formée dans la fibre optique. Elle varie selon deux axes orthogonaux, et ses diamètres changent proportionnellement le long de la fibre. Individuellement, de telles solutions sont déjà largement utilisées, il est donc essentiel de continuer à travailler dans cette direction."

Une fibre optique est généralement un brin flexible très fin tiré de verre ou de plastique transparent. Mais cette simplicité cache un certain nombre de problèmes majeurs limitant ses applications. Le premier est l'atténuation du signal dans les lignes à fibre optique, un problème résolu qui a ouvert la voie aux communications par fibre optique.

Aujourd'hui, la fibre optique est également utilisée dans la technologie laser. Un laser à fibre intègre un résonateur optique, ce qui fait que la lumière va et vient à plusieurs reprises. Les paramètres géométriques du résonateur à fibre ne permettent qu'un ensemble limité de modèles transversaux de distribution d'intensité lumineuse dans le faisceau de sortie, les modes dits transversaux du résonateur (voir Fig. 1). En pratique, les chercheurs et les ingénieurs cherchent principalement à n'exciter qu'un mode fondamental pur (voir le coin supérieur gauche de la figure 1) qui ne change pas avec le temps.

Afin de maintenir un fonctionnement monomode, la fibre doit être constituée d'une âme et d'une gaine, matériaux d'indices de réfraction différents. Ordinairement, l'épaisseur de l'âme de la fibre à travers laquelle le rayonnement se propage doit normalement être inférieure à 10 micromètres.

Une augmentation de la puissance optique de la lumière se propageant dans la fibre entraîne une plus grande quantité d'énergie absorbée. Cela se traduit par une modification des propriétés de la fibre. Spécifiquement, il provoque une variation incontrôlée de l'indice de réfraction du matériau fibreux. Cela donne lieu à des effets non linéaires parasites, résultant en des raies spectrales d'émission supplémentaires, etc., ce qui limite la puissance des signaux optiques transmis. Une solution existante au problème - que les auteurs ont également utilisée - réside dans la variation des diamètres du noyau et des diamètres extérieurs le long de la fibre (voir Fig. 2).

Si l'expansion de la fibre se produit de manière adiabatique, c'est-à-dire relativement lentement :il est possible de réduire la quantité d'énergie transférée aux autres modes à moins de 1 %, même avec un diamètre de noyau allant jusqu'à 100 micromètres (ce qui est exceptionnellement grand pour les fibres monomodes). De plus, le fait que le diamètre du coeur soit grand et varie le long de la fibre augmente le seuil d'apparition d'effets non linéaires.

Pour atteindre le deuxième objectif - qui était de préserver l'état de polarisation de la lumière - les auteurs de l'étude ont rendu le gainage de la fibre anisotrope :La largeur et la hauteur du gainage interne sont différentes (le gainage est elliptique), ce qui signifie que la vitesse de propagation de la lumière avec différentes directions d'oscillation de champ n'est pas la même. Dans une structure comme celle-ci, le processus de transfert d'énergie d'un mode polarisé à un autre est presque entièrement perturbé.

Dans leur étude, les chercheurs ont montré que la longueur géométrique du chemin parcouru par la lumière à travers la fibre auquel les oscillations des deux polarisations différentes sont en opposition de phase dépend du diamètre du coeur de la fibre :elle diminue à mesure que le diamètre augmente. Cette longueur, connue sous le nom de longueur de battement de polarisation, correspond à une rotation complète de l'état de polarisation linéaire dans la fibre. En d'autres termes, si vous lancez de la lumière polarisée linéairement dans une fibre, il sera à nouveau polarisé linéairement après avoir parcouru précisément cette distance. La possibilité de mesurer ce paramètre est en soi la preuve du fait que l'état de polarisation dans la fibre est conservé.

Afin d'étudier les propriétés liées à la polarisation de la lumière dans la fibre, les scientifiques ont utilisé la réflectométrie optique dans le domaine des fréquences. Il s'agit de lancer un signal optique dans la fibre et de détecter le signal rétrodiffusé. Le signal réfléchi contient beaucoup d'informations. Cette méthode est normalement utilisée pour déterminer l'emplacement des défauts et des impuretés dans les fibres optiques, mais il peut également déterminer à la fois la longueur de cohérence et la distribution spatiale de la longueur de battement de polarisation. Les techniques de réflectométrie de cohérence sont largement utilisées pour surveiller l'état des fibres optiques. Cependant, la méthode utilisée dans cette étude est remarquable pour permettre la collecte de données à une résolution élevée allant jusqu'à 20 micromètres le long de la longueur de la fibre.

Professeur Sergueï Nikitov, le chef du groupe de recherche, mentionné, "Les échantillons de fibres que nous avons obtenus ont démontré d'excellents résultats, indiquant de bonnes perspectives de développement ultérieur de ces solutions technologiques. Ils trouveront une utilisation non seulement dans les systèmes laser mais aussi dans les capteurs à fibre optique, où le changement des caractéristiques de polarisation est connu à l'avance, étant donné qu'ils sont déterminés par des facteurs environnementaux externes, comme la température, pression, impuretés biologiques et autres. En outre, ils présentent un certain nombre d'avantages par rapport aux capteurs à semi-conducteur. Par exemple, ils n'ont pas besoin d'alimentation électrique et sont capables d'effectuer une détection distribuée, et ce n'est pas une liste complète."