Contrˆ ole exp´ erimental du front d’onde en sortie d’une fibre multi-cœurs

cœurs

Nous pr´esentons dans cette partie la mise en œuvre exp´erimentale de la correction du front d’onde par algorithme it´eratif. Comme nous l’avons pr´ecis´e dans le paragraphe pr´ec´edent, un algorithme ´evolutionnaire a ´et´e utilis´e, principalement pour sa vitesse d’ex´ecution plus ´elev´ee que l’algorithme simul´e. Le principe de reconstruction reste cependant le mˆeme : la plan´eit´e du front d’onde est analys´ee par une mesure de la puissance dans le champ lointain de la face de sortie de la fibre. Nous n’avons donc pas effectu´e de nouvelles simulations pour cet algorithme. Dans un premier temps, le fonctionnement d´etaill´e de l’algorithme sera pr´esent´e, puis nous d´etaillerons le sch´ema exp´erimental et nous pr´esenterons les r´esultats obtenus.

III.2.3.1 Description de l’algorithme utilis´e

Le principe g´en´eral de fonctionnement des algorithmes ´evolutionnaires a ´et´e d´ecrit `a la partie III.2.1 et nous avons utilis´e la mˆeme architecture pour nos exp´eriences que celle de la figure III.3. L’algorithme a ´et´e cod´e et fonctionne sous le programme Labview. Les cartes de phase affich´ees par le SLM ont une r´esolution de 256×256 pixels et chaque pixel poss`ede 256 ´etats de phase entre 0 et 2π. Les param`etres exp´erimentaux sont les suivants :

– la population initiale est compos´ee de 30 cartes de phase “parents” d´etermin´ees al´eatoirement.

– pour chacune de ces cartes de phase, la puissance dans le champ lointain de la face de sortie de la fibre est mesur´ee `a l’aide d’une photodiode et les 5 parents donnant les meilleurs r´esultats sont conserv´es. Contrairement au sch´ema de la figure III.3, il n’y a pas de phase de test pour savoir si la solution est acceptable. En effet, la puissance optimale vers laquelle on souhaite tendre est difficile `a ´evaluer. Nous avons donc simplement fait tourner l’algorithme en boucle sur 500 g´en´erations. Nous avons n´eanmoins v´erifi´e que le nombre de g´en´erations ´etait suffisant en tra¸cant une fonction d’optimisation (qui est simplement ´egale `a la puissance dans le champ lointain en fonction du temps). Pour ce nombre de g´en´erations, on arrive toujours `a une saturation de la fonction d’optimisation. – les 5 meilleurs parents sont utilis´es pour g´en´erer 10 enfants. Toutes les combinaisons de parents deux `a deux sont effectu´ees. Les enfants sont g´en´er´es par combinaisons lin´eaires des cartes de phase parents, pond´er´ees par la valeur de puissance mesur´ee. Par exemple, si deux cartes de phase parent A(x, y) et B(x, y) donnent les deux puissances α et β. La carte de phase enfant r´esultante est calcul´ee par la formule αA(x,y)+βB(x,y)_α+β .

– chaque carte de phase enfant est ensuite l´eg`erement et al´eatoirement ´ecart´ee de la valeur calcul´ee. Ainsi, la valeur de chaque pixel de la carte est chang´ee d’une valeur al´eatoire comprise entre +5 et -5 par rapport `a sa valeur actuelle. Cette ´etape (appel´ee ´etape de mutation) permet de s’assurer qu’on explore tout l’espace des solutions possibles. – une seconde phase de mesure de la puissance sur les cartes enfant est effectu´ee et les 5

meilleures cartes parmi l’ensemble de la population {parents+enfants} sont conserv´ees pour former la nouvelle g´en´eration.

– un nouveau tirage al´eatoire de 5 cartes de phase est effectu´e. Ces 5 cartes sont ajout´ees aux 5 cartes pr´ec´edentes et la nouvelle g´en´eration comporte donc 10 cartes de phase.

Partie III.2 - Contrˆole du front d’onde en sortie d’une fibre multimode ou multi-cœurs par l’utilisation d’un

algorithme it´eratif 107

L’int´erˆet de cet algorithme est qu’on affiche directement une carte de phase compl`ete sur le SLM alors que dans le cas d’une optimisation ind´ependante des param`etres, une seule valeur de pixel `a la fois est affich´ee. Ainsi, mˆeme si le nombre de cartes `a afficher est plus important, le gain en rapidit´e de correction est r´eel. Ce gain peut ´etre estim´e dans un cas id´eal d’apr`es la description du fonctionnement de l’algorithme que nous venons de faire. On voit en effet que 40 mesures sont faites sur la premi`ere g´en´eration (les 30 cartes parents et les 10 enfants), puis 20 mesures sont r´ealis´ees `a chaque it´eration (10 parents et 10 enfants) sur 500 g´en´erations. Ceci fait donc un total de 10040 mesures. En prenant un taux de rafraˆıchissement du SLM de 60 Hz, on aboutit donc `a une dur´ee d’environ 3 minutes. Exp´erimentalement, il faut ajouter `a cela le temps n´ecessaire `a la mesure et le temps de calcul entre chaque it´eration, et on a plutˆot une dur´ee de l’ordre de 40 minutes.

Les valeurs des param`etres choisis pour l’algorithme ont ´et´e trouv´ees en optimisant exp´erimentalement la puissance obtenue dans le champ lointain.

III.2.3.2 Description du sch´ema exp´erimental

L’algorithme de correction que nous venons de d´ecrire a ´et´e appliqu´e sur le sch´ema exp´erimental pr´esent´e en figure III.11. Le laser utilis´e est la source impulsionnelle d´ecrite dans la partie II.3.5.

Champ proche Laser @ 1064 nm SLM MCF BS Afocal Rotateur de Faraday h  Champ lointain Pompe @ 976 nm Photodiode

Figure III.11: Sch´ema exp´erimental de correction du front d’onde par mesure du champ lointain. BS : cube s´eparateur. MCF : fibre multi-cœurs.

Un afocal est utilis´e pour augmenter la taille du faisceau de mani`ere `a couvrir le plus possible la surface du SLM. Le faisceau est dirig´e vers le SLM grˆace `a un cube s´eparateur de polarisation. Le syst`eme de lame demi-onde suivi d’un rotateur de Faraday a ´et´e d´ecrit dans la partie II.4. Il permet d’illuminer le SLM avec la bonne polarisation pour permettre un d´ephasage correct et d’extraire ensuite le faisceau lors du passage par le cube s´eparateur de polarisation. Le faisceau est directement r´efl´echi par le SLM (pas de diffraction) et une r´eflectivit´e de 60 % est alors obtenue. Avec un tel syst`eme, une puissance moyenne de 60 mW est disponible en entr´ee de fibre amplificatrice. En sortie de fibre, deux syst`emes d’imagerie permettent d’observer simultan´ement le champ proche et le champ lointain du faisceau corrig´e. Une partie du champ lointain est pr´elev´ee et filtr´ee de mani`ere `a ne conserver que la partie centrale. Une photodiode mesure ensuite la puissance correspondante. Le signal analogique d´elivr´e par la photodiode est converti en signal num´erique par une carte d’acquisition National Instruments USB-6009

108 Chapitre III - Techniques alternatives de contrˆole du front d’onde

poss´edant une r´esolution de 14 bits et fonctionnant `a 33 kHz. Elle est reli´ee `a l’ordinateur par une liaison USB. Une moyenne sur 100 mesures de puissance pour chaque carte de phase est effectu´ee par Labview et la mesure de puissance pour une carte de phase donn´ee s’effectue donc `a une cadence de 330 Hz. La principale limitation `a la bande passante de correction vient de l’affichage du SLM qui s’effectue `a 60 Hz. La fibre utilis´ee dans cette exp´erience est la fibre multi-cœurs d´ecrite dans la partie II.4. Deux raisons nous ont pouss´e `a utiliser cette fibre plutˆot qu’une fibre multimode similaire `a celle utilis´ee dans la simulation pr´ec´edente :

– la plan´eit´e du front d’onde du faisceau corrig´e est impos´ee par notre capacit´e `a s´electionner pr´ecis´ement le centre du champ lointain. Dans le cas de la fibre multi-cœurs, ceci est facilit´e par la pr´esence des lobes secondaires que nous avons pr´esent´es sur la figure II.58.

– nous ne disposions au laboratoire que de fibres multimodes dop´ees LMA, c’est-`a-dire supportant une dizaine de modes au maximum. Des exp´eriences pr´eliminaires d’amplifi- cation ont montr´e que la pr´esence de gain favorisait l’´emission dans le mode fondamental. L’algorithme de correction n’arrivait alors pas `a optimiser le champ lointain, qui ´etait d´ej`a gaussien et centr´e.

Cette fibre est pomp´ee par une diode d´elivrant 26 W `a 976 nm.

III.2.3.3 R´esultats exp´erimentaux

L’analyse directe des profils spatiaux des champs proches et des champs lointains r´ev`ele la pr´esence d’auto-organisation dans la fibre multi-cœurs. Une des principales diff´erences par rapport aux exp´eriences men´ees dans le chapitre pr´ec´edent est la puissance du faisceau signal en entr´ee qui est de 60 mW. L’´etude des m´ecanismes responsables de l’auto-organisation d´ecrits dans la partie II.4.5 r´ev`ele que cette puissance d’entr´ee plus ´elev´ee peut expliquer son apparition dans le cas pr´esent. Une autre cause possible est l’injection du faisceau dans la fibre qui est l´eg`erement diff´erente par rapport au chapitre pr´ec´edent. L’´etude de la partie II.4.5 r´ev`ele en effet que les proportions des diff´erents supermodes excit´es influencent l’auto- organisation. Cette auto-organisation du faisceau m`ene `a un probl`eme similaire `a la fibre multimode pour notre d´emonstration, `a savoir un champ proche et un champ lointain avec des profils d’intensit´e quasi-gaussien. En cons´equence, l’algorithme n’arrive pas `a optimiser le champ lointain.

En revanche, lorsque le nombre de degr´es de libert´e augmente (couplage entre cœurs moins important, fluctuations de l’injection, perturbations externes...), le contrˆole de la phase spatiale du faisceau s’av`ere n´ecessaire. Pour v´erifier la capacit´e de notre algorithme `a corriger le front d’onde, nous avons donc perturb´e artificiellement la fibre multi-cœurs en exer¸cant une pression. Cette perturbation pr´esente l’avantage de ne pas d´er`egler l’injection du signal et permet donc de v´erifier la capacit´e de l’algorithme `a corriger la phase du faisceau, et non `a simplement rattraper une mauvaise injection. Les r´esultats obtenus sont r´esum´es en figure III.12.

Partie III.2 - Contrˆole du front d’onde en sortie d’une fibre multimode ou multi-cœurs par l’utilisation d’un

algorithme it´eratif 109

Correction active OFF Correction active ON

Pression sur la fibre Pression sur la fibre

Champ proche

Champ lointain

Rapport de Strehl 45 % 80 %

Figure III.12: Correction du front d’onde en pr´esence d’une pression sur la fibre multi-cœurs.

L’optimisation de la puissance est faite au niveau du centre de la croix blanche repr´esent´ee sur les profils d’intensit´e en champ lointain. Quarante minutes sont n´ecessaires `a l’obtention de tels profils d’intensit´e. Avant correction, le champ lointain comporte deux lobes et n’est pas centr´e. Le rapport de Strehl (calcul´e de la mˆeme mani`ere que dans le chapitre pr´ec´edent) vaut 45 %, ce qui indique que le front d’onde n’est pas plan. Apr`es optimisation par l’algorithme, on obtient un champ lointain avec un profil gaussien et centr´e autour de la croix blanche. Le rapport de Strehl vaut cette fois-ci 80 % et indique que les cœurs sont en phase. Ce faisceau corrig´e correspond `a une puissance de 160 mW. Cette puissance est tr`es faible et correspond `a un gain d’`a peine 4 dB. Cette valeur est anormale. En effet, des tests pr´eliminaires d’amplification du signal sans perturbation de la fibre ni correction ont permis de mesurer des gains d’environ 20 dB. Un endommagement de la fibre dˆu `a l’application de la pression peut ˆetre `a l’origine de l’´ecart observ´e. Cet endommagement peut aussi expliquer en partie le fait que tous les cœurs n’ont pas une intensit´e ´egale dans le champ proche dans le cas corrig´e. En effet, comme nous l’avons dit dans la partie pr´ec´edente traitant des simulations, un tel principe de mise en phase par maximisation de la puissance dans le champ lointain conduit normalement `a une optimisation du remplissage de la pupille que constitue la fibre. Dans le cas des fibres multi-cœurs, cela devrait correspondre `a un ´eclairement homog`ene des diff´erents cœurs, ce qui n’est pas le cas ici. On voit en effet que ce n’est pas le cœur central qui poss`ede un ´eclairement maximal. Il faut n´eanmoins rester prudent quant `a ce dernier point, puisqu’un d´efaut de centrage du trou servant `a s´electionner la partie du champ lointain `a optimiser peut ´egalement ˆetre `a l’origine d’une illumination non centr´ee des cœurs en champ proche.