C. Liste compl` ete des publications et des communications 19
2.3 Applications des solitons spatiaux photor´ efractifs
2.3.2 Dispositif pour les t´ el´ ecommunications optiques
Introduction
Les mat´eriaux photor´efractifs, en tant que milieux de propagation de faisceaux lasers de faible puissance, ont ´et´e l’objet ces derni`eres ann´ees de recherches exp´erimentales et th´eoriques, ´etudiant le masquage du champ ´electrique appliqu´e et son influence sur les pro-pri´et´es d’autofocalisation du faisceau incident. Comme nous l’avons ´evoqu´e dans la partie pr´ec´edente, la plupart des ´etudes ont ´et´e men´ees dans des mat´eriaux isolants tels que les sill´enites (BTO), les tungst`enes bronzes (SBN) en r´egime stationnaire `a des longueurs d’ondes visibles [44-45]. Dans ce type de mat´eriau, le temps de formation d’un soliton est long (de l’ordre de plusieurs secondes). Dans l’objectif d’utiliser le ph´enom`ene d’autofo-calisation photor´efractive pour des applications dans le domaine des t´el´ecommunications optiques, nous nous sommes int´eress´es `a un autre type de mat´eriaux photor´efractifs sen-sibles aux longueurs d’onde infrarouge (1.06 et 1.55 µm) et permettant des temps de r´eponse courts (jusqu’`a la ps) : les mat´eriaux semi-conducteurs et, plus particuli`erement, le Phosphure d’Indium dop´e Fer (InP :Fe). Au d´ebut de nos travaux en 2002, seules des ´etudes de l’autofocalisation en r´egime stationnaire dans les semi-conducteurs avaient ´et´e men´ees [46-47].
Nous avons ainsi d´emarr´e des ´etudes consacr´ees `a l’´etablissement de l’autofocalisation dans l’InP :Fe pour des faisceaux lasers continus aux longueurs d’onde 1.06 µm et 1.55 µm. Dans cette partie, via l’´etude du ph´enom`ene d’autofocalisation infrarouge pour les dispo-sitifs de t´el´ecommunications, nous d´ecrirons les applications vis´ees li´ees aux interactions entre solitons.
Interactions de solitons et routage optique
Les travaux qui vont ˆetre d´ecrits dans le chapitre 4 ont pour objectif les communications optiques et, plus pr´ecis´ement, le routage optique. La r´ealisation de r´eseaux tout optiques ne n´ecessitant pas l’intervention d’´el´ements ´electroniques pour la d´etection temporaire des signaux demande des ´el´ements de routage et d’interconnexion optique, adaptables et re-configurables en des temps courts, de l’ordre de la milliseconde dans le cas des r´eseaux de t´el´ecommunications. L’utilisation de guides d’onde optiques r´ealis´es dans des mat´eriaux ac-tifs par des techniques conventionnelles telles que la diffusion d’ions, l’´echange protonique
Photor´efractivit´e et solitons spatiaux
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-nous sommes intéressés à un autre type de matériaux photoréfractifs sensibles aux longueurs
d’onde infrarouge (de 1.06 à 1.55 μm) et permettant des temps de réponse courts (jusqu’à la
ps) : les matériaux semi-conducteurs et, plus particulièrement, le Phosphure d’Indium dopé
Fer (InP:Fe). Au début de nos travaux en 2002, seules des études de l’auto-focalisation en
régime stationnaire dans les semi-conducteurs avaient été menées [46-47].
Nous avons ainsi démarré des études consacrées à l’établissement de
l’auto-focalisation dans l’InP:Fe pour des faisceaux lasers continus aux longueurs d’onde 1.06 μm et
1.55 μm. Dans cette partie consacrée à l’étude du phénomène d’auto-focalisation infrarouge
pour les dispositifs de télécommunications, nous décrirons, dans un premier temps, les
applications visées liées aux interactions entre solitons. Ensuite, après une brève explication
concernant le choix du matériau étudié, nous présenterons la caractérisation de nos
échantillons InP :Fe via le mélange à deux ondes : nous analyserons la dépendance en
température de la constante de temps caractéristique de nos échantillons et, par l’étude du
comportement temporel du champ de charge d’espace, nous montrerons la possibilité pour un
faisceau infrarouge d’être auto-focalisé en un temps relativement court (ms). Pour valider ce
résultat, nous nous sommes intéressés à l’étude expérimentale et théorique de la
photo-inscription de guides aux longueurs infrarouges (1.06 et 1.55 μm) : nous présenterons les
résultats obtenus en régime stationnaire et transitoire. Nous terminerons sur les perspectives
de travail concernant l’étude des interactions de solitons.
Interactions de solitons et routage optique
Les travaux qui vont être décrits dans la suite du document ont pour objectif les
communications optiques et, plus précisément, le routage optique. La réalisation de réseaux
tout optiques ne nécessitant pas l’intervention d’éléments électroniques pour la détection
temporaire des signaux demande des éléments de routage et d’interconnexion optique,
adaptables et reconfigurables en des temps courts, de l’ordre de la milliseconde dans le cas
des réseaux de télécommunications. L’utilisation de guides d’onde optiques réalisés dans des
matériaux actifs par des techniques conventionnelles telles que la diffusion d’ions, l’échange
protonique ou l’implantation ionique se prêtent mal à ce but. Ces techniques donnent lieu
exclusivement à des guides statiques, typiquement de surface qui ne sont pas facilement
modifiables.
L’effet photoréfractif permet d’obtenir un changement local ou non de l’indice de
réfraction par la redistribution de porteur de charges dans un matériau dit électro-optique.
Cette redistribution a lieu en réponse à une illumination qui produit une quantité spatialement
inhomogène de porteurs photo-excités. L’avantage principal est que cet effet peut être effacé,
donnant lieu à des structures dynamiques sans l’intervention d’endommagements permanents
du matériau.
Deux exemples d’applications simulés par nos modèles sont présentés sur la figure 3 :
le routeur optique (figure14(a)) et les interconnexions optiques (figures 3(b)-(c)).
Figure 3 : (a) Routage tout optique par interactions de solitons : coupleur X (b) - (c)
Faisceaux contra-propageant captés
Fig. 2.3 – (a) Routage tout optique par interactions de solitons : coupleur X, (b)-(c) Faisceaux contra-propageants capt´es
ou l’implantation ionique se prˆetent mal `a ce but. Ces techniques donnent lieu exclusive-ment `a des guides statiques, typiquement de surface qui ne sont pas facilement modifiables.
L’effet photor´efractif permet d’obtenir un changement local ou non de l’indice de r´efraction par la redistribution de porteur de charges dans un mat´eriau dit ´electro-optique. Cette redistribution a lieu en r´eponse `a une illumination qui produit une quantit´e spatia-lement inhomog`ene de porteurs photo-excit´es. L’avantage principal est que cet effet peut ˆetre effac´e, donnant lieu `a des structures dynamiques sans l’intervention d’endommage-ments permanents du mat´eriau. Deux exemples d’applications simul´es par nos mod`eles sont pr´esent´es sur la figure 2.3 : le routeur optique (figure 2.3(a)) et les interconnexions optiques (figures 2.3(b)-(c)).
Lorsque plusieurs faisceaux donnent simultan´ement naissance `a des solitons spatiaux dans le mˆeme cristal photor´efractif, leurs interactions peuvent produire des ph´enom`enes aussi riches que complexes. En effet, en fonction de leurs intensit´es ou de leurs phases relatives, deux (ou plusieurs) solitons peuvent s’attirer ou au contraire se repousser. Dans le premier cas, cette attraction peut r´esulter en une fusion, donnant naissance `a un cou-plage Y ou en une r´epulsion, donnant naissance `a un coupleur X [48-51] tel illustr´e sur la figure 2.3(a). Deux faisceaux contra-propageants peuvent ´egalement se capterpar pro-pagation solitons, comme illustr´e sur les figures 2.3(b)-(c) : ceci pourrait ainsi permettre l’alignement d’un laser avec une fibre optique.
La premi`ere observation de la collision entre solitons coh´erents a ´et´e r´ealis´ee par Meng et al [52]. Les collisions entre deux solitons se propageant en directions oppos´ees ont ´et´e ´etudi´ees th´eoriquement et exp´erimentalement par Cohen et al [53] puis, par la suite, par Rotschild et al [49].
Il existe ´egalement des interactions entre solitons incoh´erents. Christodoulides et al [54] ont d´emontr´e la possibilit´e d’obtenir des interactions entre des paires de solitons stationnaires incoh´erents. Elles ont ´et´e observ´ees dans un cristal SBN par Chen et al [55]. Des interactions entre solitons vectoriels ont ´egalement ´et´e d´emontr´ees dans des mat´eriaux centro-sym´etriques [56].
Outre la r´ealisation de circuiterie optique 3D complexe, le caract`ere dynamique des interactions entre solitons peut ˆetre mis `a profit pour r´ealiser des fonctions de routage tout optique, o`u la direction d’un faisceau est modul´ee par un faisceau de contrˆole. C’est
2.3. Applications des solitons spatiaux photor´efractifs
pr´ecis´ement cette application qui est vis´ee par le travail pr´esent´e au chapitre 4. Ces applica-tions requi`erent des temps de r´eponse courts et, en tous les cas, inf´erieurs `a la milliseconde.
Photor´efractivit´e et solitons spatiaux
Chapitre 3
Autofocalisation photor´efractive
aux longueurs d’onde visibles :
application `a la limitation optique
Dans ce chapitre consacr´e `a l’´etude de l’autofocalisation photor´efractive pour la limi-tation optique, nous pr´esenterons, dans un premier temps, des r´esultats exp´erimentaux d’autofocalisation dans un mat´eriau sill´enite Bi12T iO20 (BTO), `a la fois, d’un faisceau la-ser Helium-N´eon continu [voir liste des publications P17, P20-22] et d’une impulsion laser de quelques nanosecondes issue d’un laser YAG-Nd doubl´e [voir liste des publications P10, P14, P16-17, P20]. Ces mesures mettent en ´evidence la possibilit´e d’utiliser un mat´eriau photor´efractif pour la protection laser. Dans un deuxi`eme temps, nous d´etaillerons la mod´elisation th´eorique en r´egime continu [voir liste des publications P18] et impulsion-nel [voir liste des publications P6, P11, P14] de la propagation d’un faisceau laser dans un cristal BTO : l’analyse des simulations num´eriques r´ealis´ees en fonction de diff´erents param`etres tels que l’intensit´e du faisceau, la polarisation, le champ ´electrique appliqu´e montre un comportement similaire aux exp´erimentations. Pour finir, nous d´ecrirons le dispositif exp´erimental d´emonstrateur (banc OTAN) de limitation optique [voir liste des publications P7, P9, P13, P15, P19] : ce banc permet de quantifier le facteur de protection pouvant ˆetre atteint avec le cristal optimal au regard du temps de r´eponse et de l’autofo-calisation.