Titre original :

Vers une meilleure compréhension des mécanismes de pertes et de couplages de modes dans les fibres optiques légèrement multimodes

Titre traduit :

Towards a better understanding of loss mechanisms and mode coupling in few-mode optical fibers

Mots-clés en français :
  • Couplage entre modes
  • Multiplexage spatial
  • Atténuation différentielle des modes

  • Télécommunications optiques
  • Fibres multimodes
  • Lumière -- Diffusion
  • Lumière -- Propagation
  • Lumière -- Absorption
Mots-clés en anglais :
  • Optical fibers
  • Telecommunications
  • Few-Mode Fibers
  • Atténuation
  • Light scattering
  • Mode coupling

  • Langue : Anglais
  • Discipline : Milieux dilués et optique fondamentale
  • Identifiant : 2023ULILR004
  • Type de thèse : Doctorat
  • Date de soutenance : 16/02/2023

Résumé en langue originale

De nombreuses initiatives de recherche technologique ont été menées ces dernières années pour proposer des solutions à la saturation prochaine de la capacité des réseaux de télécommunications à base de fibres optiques monomodes. Dans ces conditions, alors que le multiplexage de l'information repose déjà sur l'utilisation simultanée de plusieurs dimensions physiques (longueur d'onde, polarisation, phase et temps), l'ajout d'une nouvelle dimension, à savoir l'espace, semble, la solution la plus prometteuse. Le multiplexage spatial des données (SDM) est alors possible via l'utilisation de fibres multicœurs (MCF) ou de fibres légèrement multimode (FMF) et la capacité devient alors proportionnelle au nombre de canaux spatiaux disponibles. Dans le cas des FMF, on parle de multiplexage modal (MDM), les canaux correspondants alors aux modes spatiaux guidés dans le cœur de la fibre. Les défis à relever pour aboutir à des transmissions à faible taux d'erreur sur des distances respectables sont nombreux sont cependant nombreux. Ainsi, la réduction de l'atténuation différentielle des modes (DMA) et du couplage entre modes sont deux obstacles à surmonter avant d'envisager transposer une telle technologie sur le terrain.Le premier objectif de cette thèse a été d'identifier et de quantifier la contribution des différentes sources de pertes à l'atténuation totale de chaque mode dans des FMF présentant des profils d'indice différents mais supportant le même nombre de modes. Le second objectif était d'établir et d'analyser le lien suspecté entre certains mécanismes d'atténuation, en l'occurrence ceux liés à la diffusion de la lumière, et le couplage entre les modes. A 1550 nm, il est connu que la diffusion de la lumière représente la plus grande source d'atténuation dans les fibres de silice. Elle est une combinaison de deux facteurs : la diffusion Rayleigh qui dépend des propriétés physico-chimiques du matériau utilisé pour créer la fibre, et la diffusion SALS (small angle light scattering), moins documenté dans la littérature, qui résulte des fluctuations de l'indice de réfraction dans le guide. Dans cette thèse, les coefficients de diffusion Rayleigh et SALS ont été quantifiés en mesurant la distribution angulaire de l'intensité diffusée de différents modes. En outre, l'atténuation par absorption (infrarouge et OH) a également été quantifiée. D'autre part, une méthode simple basée sur la réflectométrie optique (OTDR) a été appliquée pour comparer le coefficient de Rayleigh de mêmes modes se propageant dans deux FMFs différents. Parallèlement, des modèles théoriques ont été développés pour analyser les résultats obtenus, en particulier dans le cas du SALS. Les dépendances modales des coefficients de diffusion SALS de différentes fibres ont ainsi été qualitativement reproduites. Ce travail fournit des informations cruciales pour la compréhension de l'impact du profil d'indice du FMF sur les coefficients d'atténuation des modes, ce qui permet de mieux comprendre les limites des FMFs et les améliorations qui peuvent être apportées pour guider leur conception.

Résumé traduit

Numerous technological research initiatives have been conducted in recent years to propose solutions to the upcoming saturation of the capacity of single-mode optical fiber-based telecommunications networks. In these conditions, while information multiplexing is already based on the simultaneous use of several physical dimensions (wavelength, polarization, phase, and time), the addition of a new dimension, namely space, seems to be the most promising solution. Space division multiplexing (SDM) of the data is then possible through the use of multicore fibers (MCF) or few-mode fibers (FMF) and the capacity then becomes proportional to the number of spatial channels available. In the case of FMF, this is known as mode division multiplexing (MDM), with the channels corresponding to the spatial modes guided in the fiber core. However, there are many challenges to overcome in order to achieve low error rate transmissions over respectable distances. Thus, the reduction of the differential mode attenuation (DMA) and the coupling between modes are two obstacles to overcome before considering transposing such a technology to the field.The first objective of this thesis was to identify and quantify the contribution of the different loss sources to the total attenuation of each mode in FMFs with different index profiles but supporting the same number of modes. The second objective was to establish and analyze the suspected link between some attenuation mechanisms, in this case, those related to light scattering, and the coupling between modes. At 1550 nm, it is known that light scattering represents the largest source of attenuation in silica fibers. It is a combination of two factors: Rayleigh scattering which depends on the physico-chemical properties of the material used to create the fiber, and SALS (small angle light scattering), less documented in the literature, which results from fluctuations of the refractive index in the waveguide. In this thesis, the Rayleigh and SALS scattering coefficients were quantified by measuring the angular distribution of the scattered intensity of different modes. In addition, the absorption attenuation (infrared and OH) has also been quantified. On the other hand, a simple method based on optical reflectometry (OTDR) has been applied to compare the Rayleigh coefficient of the same modes propagating in two different FMFs. In parallel, theoretical models have been developed to analyze the obtained results, in particular in the case of SALS. The modal dependencies of the SALS scattering coefficients of different fibers have been qualitatively reproduced. This work provides crucial information for the understanding of the impact of the FMF index profile on the mode attenuation coefficients, leading to a better understanding of the limitations of FMFs and the improvements that can be made to guide their design.

  • Directeur(s) de thèse : Bigot, Laurent - Quiquempois, Yves
  • Président de jury : Chartier, Thierry
  • Membre(s) de jury : Popoff, Sébastien - Sillard, Pierre
  • Rapporteur(s) : LaRochelle, Sophie - Blanc, Wilfried
  • Laboratoire : Physique des Lasers, Atomes et Molécules
  • École doctorale : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)

AUTEUR

  • Bsaibes, Maroun
Droits d'auteur : Ce document est protégé en vertu du Code de la Propriété Intellectuelle.
Confidentiel jusqu'au 16/02/2028