• Langue : Anglais
• Discipline : Milieux dilués et optique fondamentale
• Identifiant : 2023ULILR018
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 05/04/2023

Résumé en langue originale

La demande en débit de transmission de données (télévision, cloud computing, sauvegarde des centres de données, télétravail...) est sans cesse croissante. Les réseaux actuels basés sur l'utilisation de fibres optiques unimodales ne seront plus en mesure de supporter de tels débits dans les années à venir. Le terme scientifique employé est le "Capacity Crunch".Des solutions basées sur l'utilisation de nouvelles fibres optiques multimodes sont donc à l'étude, dans lesquelles chaque mode pourra transférer autant d'informations qu'une fibre monomode. Par exemple, pour une fibre optique multimode pouvant guider N modes, la capacité est multipliée par N. Malgré leurs avantages, les modes de la fibre optique multimode ont tendance à se coupler et à échanger des informations, réduisant ainsi les distances pouvant être atteintes ou limitant la bande passante de la transmission - un processus connu sous le nom de diaphonie.La diaphonie mesurée ou calculée entre toutes les combinaisons de modes peut être organisée dans une matrice - la matrice de diaphonie. Toutefois, la matrice de diaphonie décrit un comportement moyen. Afin d'aller plus loin dans la compréhension et le développement de solutions de transmission rapide de données, le comportement instantané de la fibre doit être décrit plus précisément, par ce que l'on appelle une matrice de transmission. Cette matrice caractérise la phase et l'amplitude des échanges entre modes en temps réel ou du moins sur des échelles de temps plus petites que celles qui régissent les changements environnementaux tels que les vibrations induites par le trafic, les rafales de vent, les changements de température. Les communications optiques s'appuient sur le DSP (Digital Signal Processing) qui estime la matrice de transmission afin de pouvoir reconstruire les données envoyées à partir des données reçues, ainsi la connaissance du comportement typique de la matrice de transmission permettrait de concevoir des algorithmes plus rapides nécessaires aux codes utilisés en bout de ligne pour reconstruire les données envoyées. En outre, une méthode qui identifie et quantifie le contenu modal d'une fibre sondée dans différentes conditions est nécessaire puisque la matrice de transmission ne décrit que le couplage entre les modes en considérant que le contenu modal est connu a priori.Dans cette thèse, la technique d'analyse qui quantifie et identifie le contenu modal d'une fibre faiblement multi-modes (FMF, few-mode fiber) est basée sur l'utilisation de données obtenues avec la technique bien connue d'imagerie résolue spatialement et spectralement (S2). Une méthode basée sur la corrélation spatiale a été développée dans notre travail pour dépasser les limites de mesure de la méthode standard en utilisant le même ensemble de données. D'autre part, pour mesurer la matrice de transmission qui caractérise la phase et l'amplitude de l'échange entre les modes, nous avons utilisé l'outil de mesure basé sur un modulateur de lumière spatial (SLM, spatial light modulator). Le dispositif de mesure et le traitement numérique développé en parallèle ont été conçus pour identifier les modes propres de la FMF et ensuite exprimer la matrice de transmission dans la base de ces modes propres. En outre, un nouvel outil rapide par rapport aux précédents (50 fois plus rapide) a été développé pour mesurer la matrice de transmission. Enfin, deux fibres optiques multimodes différentes ont été comparées sur la base de leurs coefficients de couplage et d'atténuation de mode via des mesures de diaphonie (étude de la diaphonie en fonction de la longueur de la fibre), et ont été testées et comparées lorsqu'elles sont soumises à des perturbations externes (étude de la diaphonie en fonction des micro-courbures).Ce travail de thèse a été soutenu par la Région Hauts-De-France. Les travaux qui y sont développés ont été effectués dans le cadre de l'ANR « MUPHTA ».

Résumé traduit

Recently, there has been an increasing demand on data rate transmission (television, cloud computing, data center backup, video…). Current networks based on the use of single-mode optical fibers will no longer be able to support such rates in the coming years. We're talking about “Capacity Crunch”.Solutions based on the use of new multi-mode optical fibers are therefore being studied, in which each mode will be able to transfer as much information as a single-mode fiber. For example, for a multi-mode optical fiber that can guide N modes, the capacity is multiplied by N. Despite their advantages, the modes of the multi-mode optical fiber tend to couple and exchange information, thus reducing the distances that can be reached or limiting the bandwidth of the transmission - a process known as cross-talk.The measured or calculated cross-talk between all combinations of modes can be arranged in a matrix - the cross-talk matrix. However, the cross-talk matrix describes an average behavior. In order to go further in understanding and developing fast data transmission solutions, the instantaneous behavior of the fiber need to be described more precisely, by what is called a transmission matrix. This matrix characterizes the phase and amplitude of the exchanges between modes in real time or at least on time scales smaller than those governing environmental changes such as traffic induced vibrations, gusts of wind, temperature changes. Optical communications rely on DSP (Digital Signal Processing) which estimates the transmission matrix in order to be able to reconstruct the transmitted data from the received data, so knowledge about the typical behavior of the transmission matrix would make it possible to design faster algorithms necessary for the codes used at the end of the line to reconstruct the data sent. In addition, a method that identifies and quantifies the modal content of a probed fiber under different conditions is needed since the transmission matrix describes only the coupling between modes considering that the modal content is known previously.In this thesis, the analysis technique that quantifies and identifies the modal content of a few mode fiber (FMF) is based on the use of data obtained with the well-known spatially and spectrally resolved imaging (S2) technique. A new correlation-based method has been developed in our work to surpass the measurement limitations of the standard method using the same dataset. On the other hand, to measure the transmission matrix that characterizes the phase and amplitude of the exchange between modes, we used the measurement tool based on a spatial light modulator (SLM). The measurement setup and the numerical treatment developed in parallel have been designed to identify the eigen modes of the FMF and then express the transmission matrix in the basis of these eigen modes. Furthermore, a new and fast tool compared to the former ones (50 times faster) has been developed to measure the transmission matrix. Finally, two different FMFs were compared based on their coupling and mode attenuation coefficients via cross-talk measurements (study of cross-talk vs fiber length), and have been tested and compared when their subjected to external perturbations (Study of cross-talk vs micro-bending).This thesis work was supported by the Hauts-De-France Region. The work developed within it was carried out under the framework of the ANR « MUPHTA ».