Nouvelle fibre optique pour guider les faisceaux vortex
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Les scientifiques et ingénieurs font l’essai de nouveaux types de faisceaux optiques pour repousser les limites des applications photoniques. Les faisceaux dits « vortex », à forme annulaire caractéristique, ont fait l’objet de recherches intenses ces dernières années. Pour pouvoir exploiter ces faisceaux, de nouveaux dispositifs et méthodes doivent être créés. À l’ÉTS, nous avons conçu et caractérisé expérimentalement un nouveau type de fibre optique qui non seulement permet la transmission stable de faisceaux vortex dans la fibre, mais force également toute lumière qui entre dans ce guide d’ondes à conserver le profil annulaire souhaité, grâce à un phénomène spécial de guidage d’ondes que nous avons appelé monoradial infini [1]. Ce nouveau type de fibre de cristaux photoniques à coeur annulaire (annular core photonic crystal fiber, AC-PCF), permet également d’adapter les propriétés modales du guide d’ondes (soit la dispersion chromatique et les non-linéarités optiques) en modifiant sa microstructure. Nous avons validé notre concept théorique au moyen d’une fibre qui a démontré une propagation stable du faisceau vortex avec une haute pureté modale (˃ 18 dB) dans une bande passante assez large dans le proche infrarouge. Le concept de fibre proposé offre des applications potentielles dans le multiplexage à répartition spatiale, la détection optofluidique, la microscopie à haute résolution et le piégeage optique. Mots-clés : Fibre à noyau annulaire, fibre à cristaux photoniques, faisceaux annulaires, faisceaux vortex, moment angulaire orbital, faisceaux vectoriels cylindriques
Le régime monoradial infini
Au cours de la dernière décennie, les vortex optiques et les faisceaux vortex (ex. : les faisceaux OAM) ont fait naître une communauté de chercheurs dynamiques et donné lieu à de nouvelles découvertes dans des domaines très divers comme la photonique, l’optique et la biophotonique [2-3]. Des exemples marquants sont le potentiel de la microscopie STED à haute résolution [4] et la perspective prometteuse du multiplexage spatial pour améliorer les communications optiques à large bande passante [5-6]. Les progrès scientifiques et technologiques offrent de nouvelles possibilités quant au développement d’une source cohérente de lumière vortex à large bande [7]. À cette fin, nous avons récemment décrit un nouveau régime de guidage d’ondes, le régime monoradial infini (endlessly mono-radial, EMR), qui force la transmission de faisceaux en forme d’anneau [Fig. 1 (a)] à l’intérieur d’une nouvelle fibre à cristaux photoniques à coeur annulaire (AC-PCF) [Fig. 1 (b)], et ce, pour n’importe quelle longueur d’onde d’entrée, tout en évitant l’excitation de modes radiaux supérieurs indésirables [1]. Cette propriété est cruciale, car elle offre la possibilité d’obtenir la transmission par fibre la plus large et la plus pure d’un laser vortex, y compris la capacité de générer un vortex à très large bande aussi connu sous le nom de « supercontinuum ».
Un nouveau concept de fibre optique
Une coupe transversale de l’AC-PCF proposée est illustrée en figure 1 (b). Elle se caractérise par un coeur annulaire entouré d’un revêtement microstructuré (revêtement en cristal photonique) rempli de trous d’air à l’échelle micrométrique de diamètre (d = 0,48 μm) et de période (Λ = 1,4 μm). Ici, nous notons que notre concept (AC-PCF) est assez différent d’une fibre à cristaux photoniques (PCF) courante puisque le coeur est en forme d’anneau en raison de six trous manquants, alors qu’une PCF typique a un noyau central composé d’un seul trou manquant au milieu. Nous avons systématiquement effectué des simulations par la méthode des éléments finis et basées sur les équations de Maxwell pour étudier les propriétés de guidage de ce nouveau concept de fibre [1]. Nous avons trouvé que le critère de conception du régime unique de EMR était d/Λ <0,35, comme le montre la figure 1 (a). Dans le régime de guidage des ondes EMR, la fibre ne guide que les faisceaux vortex ayant un profil d’intensité annulaire [figure 1 (c)] et ce à n’importe quelle longueur d’onde d’excitation. Cet exploit n’est pas anodin puisque l’excitation des modes d’ordre radial supérieur [encadré de la figure 1 (a)] se produit normalement à un moment donné, mais pas dans notre concept.
Ensuite, nous avons fait des calculs pour trouver un concept précis qui permette la transmission dans la gamme de longueurs d’onde de 805 à 845 nm, correspondant aux spécifications des lasers ultrarapides que nous avons au laboratoire. Plus précisément, nous avons veillé à optimiser les propriétés de guidage des ondes de façon à minimiser la dispersion chromatique et les pertes optiques, et à maximiser les non-linéarités optiques pour obtenir le plus grand élargissement spectral possible en générant un supercontinuum (voir Réf. [1] pour plus de détails).
Figure 1. (a) Identification du régime d’ordre monoradial infini dans l’espace normalisé des paramètres λ/Λ c. d/Λ des AC-PCF. (b) Balayage au microscope électronique de l’AC-PCF fabriqué. (c) Distribution d’intensités et de phases du mode vortex (OAM+11) supporté par l’AC-PCF [1].
Un faisceau vortex d’une grande pureté
Des collaborateurs scientifiques du centre de recherche stratégique en optique, photonique et laser (COPL) nous ont aidés à fabriquer l’échantillon d’AC-PCF. Nous avons ensuite fait la caractérisation expérimentale de la fibre en convertissant un faisceau gaussien (provenant d’un laser accordable dans la gamme de 805 à 845 nm) en un faisceau vortex à l’aide d’un élément optique diffractif appelé lame S (S-plate) [Fig. 2 (a)]. Le faisceau vortex qui en résulte est ensuite lancé dans la fibre par un objectif de microscope, et le signal et l’image transmis sont enregistrés à l’aide d’une caméra infrarouge [Fig. 2 (b)].
Figure 2. (a) Dispositif expérimental pour le lancement et l’imagerie du faisceau OAM en AC-PCF ; (b) Pureté modale du faisceau OAM (après la fibre) en fonction de la longueur d’onde; Encart, images modales à certaines longueurs d’onde.
Les résultats de la figure 2 (b) indiquent que la pureté du faisceau vortex reste élevée (˃ 18 dB) sur toute l’échelle de longueurs d’onde étudiée, ce qui confirme notre prévision d’une transmission stable et à large bande du faisceau vortex au moyen d’un AC-PCF [8]. La prochaine étape de ce projet de recherche sera de démontrer, sous peu, la génération d’un supercontinuum de vortex optique à large bande.
Conclusion
Les résultats de cette recherche constituent un nouveau pas vers une compréhension des mécanismes physiques qui sous-tendent ces faisceaux vortex relativement nouveaux et exotiques, et la mise au point de nouveaux outils et dispositifs pour leur génération, transmission et manipulation. En fin de compte, les faisceaux vortex sont à même de révolutionner de nombreux domaines, notamment les réseaux de communication optiques de prochaine génération, les communications quantiques, les capteurs optiques et l’imagerie.
Informations supplémentaires
Pour plus d’informations sur cette recherche, veuillez lire l’article suivant :
Sharma, M., Pradhan, P., & Ung, B. (2019). Endlessly mono-radial annular core photonic crystal fiber for the broadband transmission and supercontinuum generation of vortex beams. Scientific reports, 9(1), 2488.
Sharma M, Amirkhan F, Mishra SK, Sengupta D, Messaddeq Y, Blanchard F, Ung B. (2020) Transmission of Orbital Angular Momentum and Cylindrical Vector Beams in a Large-Bandwidth Annular Core Photonic Crystal Fiber. Fibers. 2020 Apr; 8(4):22.
