Beating Guided mode
Radiated modes
Guided mode Radiated modes Beating
Fig. 3.8– Illustration de l’intensit´e obtenue en sortie. Partie de gauche : carte 2D des intensit´es de sortie pour diff´erentes valeurs de longueurs de guide z. Ce qui est repr´esent´e est la somme de l’intensit´e du mode guid´e (`a gauche), des modes rayonn´es (au milieu) et du terme d’interf´erence (`a droite). Partie de droite : carte traverse pour la longueur maximale. Ce qui est repr´esent´e est la somme de l’intensit´e du mode guid´e (en haut), des modes rayonn´es (au milieu) et du terme d’interf´erence (en bas).
et β01la constante de propagation du mode fondamental. Transversalement ce battement reste confin´e au voisinage du coeur grˆace Ãl’´evanescence du mode fondamental dans la gaine. Ainsi loin du coeur, l’intensit´e rayonn´ee domine sur le battement, pr`es du coeur, le terme de battement amplifi´e par le fondamental va l’emporter sur l’intensit´e rayonn´ee.
Il est possible d’avoir un ´eclairage math´ematique symbolique sur les d´ependances des diff´erentes contributions `a l’intensit´e de champ dans le guide en d´eveloppant le paquet d’onde rayonn´e dans un voisinage limit´e autour de sa valeur centrale moyenne,
ψR(r, z)' eβ¯(r) exp(i ¯βz)Z p
S(β) exp i(β− ¯β)z dβ, (3.16)
o`u eβ¯(r) d´esigne la carte de champ rayonn´e correspondant `a la composante centrale de la distribu-tion spectrale. L’int´egrale d´efinit l’enveloppe complexe du paquet d’onde rayonn´e qui d´etermine ses propri´et´es de coh´erence spatiale dans la longueur de la fibre. La synth`ese modale approch´ee r´eduit le paquet d’onde `a sa valeur centrale, elle pr´esuppose que le mode guid´e voit un groupe de modes rayonn´es se d´epla¸cant quasiment `a la mˆeme vitesse moyenne ¯β. On suppose donc implicitement que la densit´e spectrale est peu dispers´ee autour de cette valeur centrale. En approchant celle-ci sch´ematiquement par une gaussienne dont l’int´egrale vaut la puissance rayonn´ee normalis´ee Prn, et d’´ecart type σβ,
S(β) = Prn 1 σβ√ 2πexp(−(β− ¯β) 2 2σ2 β ). (3.17)
CHAPITRE 3. TAUX DE R ´EJECTION 3.5. LE FLUX MESUR ´E
On peut alors exprimer la d´ecroissance du champ rayonn´e dans la longueur du guide, ψR(r, z) =p
Prn
p
2σβ(2π)14eβ¯(r) exp(i ¯βz) exp−z2σ2β. (3.18) Le flux rayonn´e normalis´e ´etant donn´e par le carr´e de la norme du paquet d’onde `a l’origine de la propagation on a,
keβ¯k2= 1 2σβ
√
2π, (3.19)
relation montrant clairement l’impossibilit´e de r´eduire au sens strict du terme le paquet d’onde `a une et une seule composante spectrale (σβ→ 0) sous peine de voir le flux rayonn´e diverger.
Dans cette approximation, le paquet d’onde va d´ecroˆıtre exponentionnellement dans la longueur. La loi de d´ecroissance est bien entendu relative au profil choisi pour d´ecrire la densit´e spectrale du paquet d’onde. A l’origine (z=0) la puissance d´evelopp´ee par le champ est ´egale `a Prn. La longueur de coh´erence spatiale caract´eristique du paquet d’onde rayonn´e est donc inversement proportionnelle `a l’´ecart type de la distribution spectrale des modes rayonn´es autour de sa moyenne. Elle peut-ˆetre d´efinie comme la distance pour laquelle les modes du paquet sont d´ephas´es de π radians relativement au mode central. La longueur caract´eristique de la coh´erence spatiale du paquet d’onde rayonn´e est typiquement, Lc = π
σβ. On s’aper¸coit que la vitesse d´ecroissance axiale du paquet d’onde rayonn´ee est dict´ee par cette largeur ´equivalente. Les trois contributions `a l’intensit´e totale s´ecrivent alors,
IR(r, z) = Prn |eβ¯(r)|2 keβ¯(r)k2 exp−2z2σ2 β IG(r) = Pgn|e01(r)|2 Icross(r, z) = 2p PrnPgnRe[ eβ¯(r) keβ¯(r)ke∗01(r) exp(iωz)] exp−z2σ2β. (3.20)
En particulier, on voit bien que la perte de coh´erence spatiale dans la longueur du guide du paquet d’onde rayonn´e induit une d´ecroissance√
2 fois plus rapide pour l’intensit´e purement rayonn´ee (quadratique sur le champ rayonn´e) que pour le terme de battement (lin´eaire sur le champ rayonn´e). A longue distance dans la fibre et au voisinage du coeur (´evanescence du mode guid´e dans la gaine), c’est bien le terme de battement qui finira par dominer la d´eviation au r´egime purement monomode.
3.5 Le flux mesur´e
Dans cette section je m’int´eresse `a la quantification de la transition multimode - mononode en termes ´energ´etiques, et `a l’importance relative des composantes guid´ees, rayonn´ees et du terme d’in-terf´erence mis en ´evidence dans la partie pr´ec´edente. On peut mesurer les d´eformations progressives du champ dans l’axe du guide en le projetant scalairement sur sa valeur initiale sur le plan d’entr´ee de la fibre (la tˆache d’airy, par continuit´e). Le module de ce coefficient de couplage caract´erise la transition du r´egime multimode-monomode en termes d’´energie. Le calcul peut ˆetre men´e de mani`ere exacte quelle que soit la distribution spectrale des modes r´eellement excit´ee. Si l’on d´efinit le coefficient de couplage,
η(z) =< ψ(z)|ψ(0) > (3.21)
on aboutit, en tenant compte de l’orthogonalit´e entre le mode guid´e et les modes rayonn´es au r´esultat suivant,
|η(z)| = |Pgn+ exp(iωz) Z
3.5. LE FLUX MESUR ´E CHAPITRE 3. TAUX DE R ´EJECTION
La transform´ee de Fourier de la densit´e spectrale intervient alors directement et exactement dans le calcul. Dans le cas d’une distribution gaussienne,
|η(z)| = |Pgn+ Prnexp(iωz) exp(−2σ2
βz2)| (3.23)
Ce coefficient complexe oscille `a la fr´equence spatiale du battement et mesure en module le trans-fert d’´energie dans la transition optique menant de la r´egion multimode η = Pgn+ Prn `a la r´egion monomode, η = Pgn. Il permet de mettre en ´evidence l’effet des modes rayonn´es sur le transfert de l’´energie, qui se manfieste sous la forme d’une interf´erence avec le mode fondamental. N´eanmoins cette d´efinition formelle et souvent usit´ee dans la caract´erisation des transitions optiques par les utilisateurs des m´ethodes de simulation type RSM4 n’est pas exactement notre observable, qui est plutˆot le flux int´egr´e dans une certain champ de vue transverse du guide. En effet c’est pr´ecis´emment ce flux qui sera imag´e sur un pixel du d´etecteur dans un coronographe interf´erentiel. La puissance lumineuse mesur´ee sur le d´etecteur ne sera donc rien d’autre, dans ce qui suit, que l’intensit´e int´egr´ee sur un certain domaine circulaire du plan transverse de rayon aosur ce plan.
P (ao, z) = Z r≤ao < ψ(r, z)ψ∗(r, z) > dr =kψGk2ao(z) +kψRk2ao(z) + 2 Re < ψG|ψR>ao (z) = PG(ao) + PR(ao, z) + 2 Re[Pcross(ao, z)]. (3.24)
Ce flux de photons est se d´ecompose aussi en trois termes r´esultant de l’int´egration sur le plan transverse des trois intensit´es pr´ec´edentes. Il est traduit ici en termes de produits scalaires et de norme induites sur le domaine d’int´egration. Nous avons donc,
– PG(ao) =R
r≤a0IG(r, z)dr le flux de photons guid´es auquel s’ajoute – PR(ao, z) =R
r≤a0IR(r, z)dr qui est le flux de photons correspondant aux modes rayonn´es purs – et 2 Re[Pcross(ao, z)] = R
r≤a0Icross(r, z) dr qui correspond `a un terme d’interf´erence (un batte-ment) entre le mode guid´e et les modes rayonn´es.
On peut opter pour une formulation pratique du flux int´egr´e sous la forme d’une ´equation in-terf´erom´etrique,
P (ao, z) = PG(ao) + PR(ao, z) + 2p
PG(ao)PR(ao, z)Re[Vcross(ao, z)], (3.25) o`u Vcross(ao, z) est la visibilit´e complexe du terme de battement. Elle est d´efinie de mani`ere g´en´erale par la relation,
Vcross(ao, z) = p Pcross(ao, z)
PG(ao)PR(ao, z). (3.26) En utilisant le d´eveloppement gaussien du paquet d’onde, le flux total est donc d´ecrit de mani`ere ´equivalente par le tryptique,
Vcross(ao, z) = < e01|eβ¯>ao ke01kaokeβ¯kao exp(iωz) PR(ao, z) = Prnkeβ¯k2 ao keβ¯k2 exp−2z2σ2β PG(ao) = Pgnke01k2ao 1 . (3.27)
4Radiation spectral Method. M´ethode de propagation num´erique des modes rayonn´es d’une structure guidante bas´ee sur leur repr´esentation spectrale.
CHAPITRE 3. TAUX DE R ´EJECTION 3.6. LE TAUX DE R ´EJECTION
La visibilit´e du battement r´esulte de l’int´egrale de recouvrement sur la r´egion d’int´egration entre la carte de champ guid´e et la carte de champ rayonn´e. C’est ce terme de couplage s’annule lorsque lorsqu’on agrandit progressivement la r´egion d’int´egration (prenant en compte un nombre toujours plus grand d’alternances n´egatives du champ rayonn´e) ; pour un rayon d’int´egration infini, les cartes sont rigoureusement orthogonales, la visibilit´e du battement est nulle. En appliquant la formule du flux total lorsque ao → ∞, le flux int´egr´e sur tout le plan transverse, Pcross(z) = 0, PR(z) = Prnexp−2z2σ2
β, PG = Pgn. Le flux total correspond alors, P (z) = Pgn+ Prnexp−2z2σ2
β, (3.28)
ce qui permet de faire le lien avec le coefficient |η(z)| utilis´e en RSM. A l’inverse, en faisant tendre le rayon d’int´egration transverse vers le pixel central, on voit tr`es bien que la visibilit´e du battement tend vers un phaseur pur de module unitaire. En effet mˆeme si dans cette limite la composante de flux purement rayonn´ee PRet guid´ee PGs’annulent, la visibilit´e reste d´efinie. L’int´egrale de recouvrement se r´eduit au produit des valeurs centrales du champ guid´e et rayonn´e. Le produit des normes eucli-diennes associ´ees au champs tend aussi vers le produit de leurs valeurs centrales en module. Le module de la visibilit´e est donc unitaire. On pourra aussi noter que le d´eveloppement du paquet d’onde pr´edit que la visibilit´e du battement est en module invariante par translation dans la longueur de la fibre.
La puissance rayonn´ee PR d´ecroˆıt avec le rayon d’int´egration (on int`egre moins d’alternances du champ rayonn´e redress´ees quadratiquement dans le rayon donn´e). Le terme guid´e PG est important essentiellement au niveau du coeur devenant tr`es vite n´egligeable dans la gaine, `a cause de l’´evanescence transverse des modes guid´es. Cette puissance est invariante par translation dans l’axe de la fibre. Pour des r´egions d’int´egration de dimension plus grande que la profondeur d’´evanescence dans la gaine du mode gaussien cette puissance est peu diff´erente de la puissance guid´ee normalis´ee Pgn(ke01kao ' 1). La figure Fig.3.9 illustre la transition multimode-monomode en terme de flux total partiellement int´egr´e dans le plan transverse du guide. La figure du haut repr´esente une coupe du flux total dans la longueur de la fibre pour diverses r´egions d’int´egration. Le niveau initial (z = 0 µm) des courbes est donn´e par l’int´egration partielle du flux sous la tˆache d’airy multimode. Le niveau final des courbes (z = 2000 µm) correspond aux flux int´egr´e partiellement sous le profil d’intensit´e du mode fondamental PG. Ces deux niveaux sont trac´es sur la figure du bas en fonction du rayon d’int´egration. A fort rayon d’int´egration, le flux non monomode est domin´e par la contribution purement rayonn´ee PR: la visibilit´e du battement est n´egligeable, les courbes de flux sont lisses. Pour 2 < ao < 32 rayons de coeur, le niveau de flux initial chute drastiquement tandis que le niveau final varie peu, d’o`u une impression progressive de “tassement” des courbes `a mesure que le rayon d’int´egration d´ecroˆıt. Lorsque l’on r´eduit encore le rayon d’int´egration en dessous de 2 rayons de coeur, le niveau final se met soudainement `a chuter car l’on int`egre partiellement dans le coeur du mode fondamental. Le profil de d´ecroissance du flux est perturb´e et oscille de plus en plus car parall`element la visibilit´e du battement augmente. Il s’ensuit que la qualit´e de la convergence vers la valeur de flux monomode PG d´epend non seulement de la distance de propagation mais aussi de la zone d’int´egration choisie.
3.6 Le taux de r´ejection
Nous allons d´esormais d´efinir la qualit´e de la convergence au r´egime monomode c’est `a dire d´efinir un taux de r´ejection du flux multimode qui ait un sens. On peut le d´efinir `a une longueur de propa-gation donn´ee comme l’erreur relative au flux monomode atteint asympotiquement (`a une longueur
3.6. LE TAUX DE R ´EJECTION CHAPITRE 3. TAUX DE R ´EJECTION
P vs. z pour ao∈ [1a, 32a]
P vs ao pourz = 0etz = zmax
1.0 2. 5. 10.0 20.
0.7 0.8 0.9