Exemple d'effet non linéaire observable dans une fibre optique. Toutes les couleurs de l'arc-en-ciel sont générées à la sortie alors qu'une seule couleur est présente à l'entrée. On parle de supercontinuum. Auteur fourni
Physiciens de l'Université de Lille, en collaboration avec l'Université de Ferrare en Italie, ont introduit une rivière dans un laboratoire d'optique… Ils viennent d'observer la rupture d'une barrière photonique dans une fibre optique, un phénomène directement comparable à la rupture d'un barrage posé sur le lit d'une rivière.
Nous et nos collègues avons profité de l'analogie entre la propagation des ondes dans les rivières et la propagation des impulsions lumineuses dans les fibres optiques pour étudier en détail la formation de l'onde déferlante qui suit immédiatement la rupture d'un barrage sur une rivière. Et ça, confortablement installé dans notre laboratoire d'optique sans risque.
Des gouttes d'eau dans une fibre optique ?
C'est plus qu'une analogie :sous certaines conditions, les équations régissant la propagation de ces ondes sont strictement identiques pour chacun de ces milieux. Il est donc surprenant que le comportement de ces deux systèmes physiques, a priori complètement différent, est identique. Plus précisément, nous avons montré que les minuscules gouttes d'eau piégées derrière le barrage se comportent comme des grains de lumière – les photons – d'un faisceau laser lorsqu'elles se propagent dans une fibre optique. Rappelons que cette analogie avait été utilisée il y a plus de dix ans pour étudier la formation des ondes scélérates.
La situation que nous avons étudiée est complètement différente. C'est un barrage posé sur le lit d'une rivière qui se brise brutalement (rien à voir avec une vague scélérate). Afin de mimer la rupture d'un barrage dans une fibre optique, Des physiciens français et italiens ont injecté dans une fibre un faisceau laser dont les variations d'intensité en fonction du temps correspondent à la différence de niveaux d'eau situés en amont et en aval du barrage.
Rupture d'un barrage basée sur des simulations numériques sur une rivière/dans une fibre optique.
Pour faire ça, le laser est forcé d'émettre une rafale de lumière sous la forme d'une marche d'escalier, le niveau des marches correspondant à la luminosité du laser. Une première étape, de très faible intensité suivie d'une seconde de très forte intensité lumineuse. Les niveaux d'intensité lumineuse sont alors similaires aux niveaux d'eau de la rivière. Il est important de souligner que pour que la correspondance soit valide, il est essentiel que la transition soit extrêmement rapide entre ces deux étapes :généralement 20 picosecondes ou 20 milliardièmes de milliseconde, ce qui rend ces expériences très délicates tant pour la génération des signaux que pour leur caractérisation. Des appareils performants sont nécessaires pour atteindre ce niveau de précision.
Impulsions d'escalier
Lors de sa propagation dans la fibre optique, l'aspect temporel de l'impulsion laser, d'abord dans la marche de l'escalier, est modifié car, d'un côté, de nouvelles couleurs sont générées et, d'autre part, ces couleurs ne voyagent pas à la même vitesse. La transition soudaine entre ces deux étapes évolue progressivement et inextricablement vers une transition plus douce. Le barrage est cassé ! L'onde déferlante entraîne la génération d'une onde de choc et d'une onde de raréfaction qui relient les deux escaliers.
Ces deux ondes assurent la transition entre les deux niveaux d'intensité dans la trame laser, ou les deux niveaux d'eau dans un barrage sur une rivière. Soulignons, C'est important, que l'ensemble des observations expérimentales a été validé par des simulations numériques. Cela confirme que le modèle utilisé décrit précisément le phénomène et renforce donc la force de l'analogie.
La principale différence réside dans le fait qu'en optique, l'évolution se fait le long de la fibre, alors que dans le cas d'une rivière, le paramètre d'évolution est le temps. Ainsi, suivre la formation de la vague suite à la rupture d'un barrage, il est nécessaire d'enregistrer la forme temporelle du laser pour différentes longueurs de fibres, comme le montre la figure ci-dessous.
Equipement de la tour de dessin fibre optique Fibretech Lille.
Contrairement à la rupture d'un barrage sur une rivière, l'expérience réalisée dans un laboratoire d'optique est sans risque, répétable et le jeu de paramètres finement ajusté. Il est en effet très facile de changer la puissance du laser, sa couleur ou le type de fibre optique. Ainsi, il est possible de scanner une large gamme de paramètres pour parvenir à une compréhension fine du phénomène (nous avons utilisé le FibreTech Lille tour à dessin du laboratoire PHLAM, basée à l'IRCICA pour développer et fabriquer des fibres optiques optimisées pour cette expérience).
Approche scientifique et perspectives
En raison de l'analogie formelle entre ces deux domaines, toutes les conclusions et interprétations sont transposables au cas de la rupture d'un barrage sur une rivière. Ce travail constitue la première validation expérimentale de prédictions basées sur une célèbre théorie développée par le mathématicien G.B. Whitham il y a plusieurs décennies et le système expérimental mis en place nous permettra d'étudier un problème plus général posé par le célèbre mathématicien Riemann au XIXe siècle.
Finalement, ce travail illustre la démarche suivie par les physiciens dans la vie de tous les jours. Ils développent les modèles les plus universels possibles pour décrire et prédire ce qui est observé dans la nature, en collaborant avec des experts de différents pays.
L'article a été publié dans la revue Physical Review Letters, intitulé "Flux de rupture de barrage dispersif d'un fluide photonique".
Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original. 
