Compression spectrale dans les fibres optiques en présence de dispersion normale

Nous étudions numériquement le phénomène de compression spectrale se déroulant dans une fibre optique à dispersion normale. Les conditions conduisant à une impulsion en quasi-limite de Fourier sont déterminées et nous montrons que loin de dégrader les performances, la présence de dispersion normale permet une amélioration significative des résultats.

Développement de fibres optiques composites pour la génération du supercontinuum dans l’infrarouge

Les sources laser à large bande possédant les caractéristiques requises pour émettre sur la plage spectrale correspondant à la seconde fenêtre de transmission atmosphérique (3 à 5 μm) exercent un attrait considérable pour divers domaines tels que la télédétection de polluants atmosphériques et les contremesures infrarouges. Les supercontinua générés à l’intérieur de fibres optiques représentent une option intéressante pour réaliser ce type de sources laser. En effet, ils possèdent une intensité élevée, un large contenu spectral, une excellente directionnalité de faisceau, ainsi qu’un bon potentiel pour constituer des sources lumineuses compactes et robustes. Toutefois, la génération d’un tel supercontinuum implique certains défis à relever sur le plan de la conception des fibres optiques employées. En fait, ces fibres optiques doivent présenter de faibles pertes de propagation sur la plage spectrale de 3 à 5 μm, posséder un paramètre de non-linéarité élevé et permettre le pompage en régime anomal de dispersion à des longueurs d’onde pour lesquelles des sources laser compactes sont offertes commercialement. En matière de robustesse, ces fibres doivent également démontrer de bonnes propriétés mécaniques ainsi qu’une stabilité chimique appropriée vis-à-vis de la corrosion causée par l’humidité. Dans le cadre de cette thèse, un nouveau type de fibres composites à saut d’indice fortement contrasté a été développé pour atteindre ces objectifs de génération de supercontinuum. Ce type de fibres combine respectivement un verre de tellurite et un verre de germanate pour son coeur et sa gaine permettant ainsi d’atteindre une différence d’indice de réfraction d’environ 0.3 entre ces deux dernières structures. Grâce à cet important saut d’indice, ces fibres peuvent fortement confiner les modes optiques à l’intérieur de leur coeur, ce qui leur donne la possibilité d’atteindre un niveau élevé de non-linéarité et d’optimiser leurs caractéristiques de dispersion chromatique pour la génération du supercontinuum. D’autre part, leur section transversale toute solide leur confère aussi une meilleure stabilité environnementale comparativement à celle démontrée par les fibres optiques microstructurées à base de verres d’oxydes de métaux lourds, de verres de chalcogénure et de verres fluorés. Toutefois, leur fabrication nécessite l’appariement de verres dont les propriétés thermomécaniques concordent suffisamment ensemble pour permettre leur fibrage. Les travaux effectués ici démontrent la production de fibres optiques composites et leur potentiel pour la génération du supercontinuum dans l’infrarouge moyen.

Amplification d’impulsions brèves de haute énergie par effet Raman stimulé dans les fibres optiques

Le développement au cours des dernières décennies de lasers à fibre à verrouillage de modes permet aujourd’hui d’avoir accès à des sources fiables d’impulsions femtosecondes qui sont utilisées autant dans les laboratoires de recherche que pour des applications commerciales. Grâce à leur large bande passante ainsi qu’à leur excellente dissipation de chaleur, les fibres dopées avec des ions de terres rares ont permis l’amplification et la génération d’impulsions brèves de haute énergie avec une forte cadence. Cependant, les effets non linéaires causés par la faible taille du faisceau dans la fibre ainsi que la saturation de l’inversion de population du milieu compliquent l’utilisation d’amplificateurs fibrés pour l’obtention d’impulsions brèves dont l’énergie dépasse le millijoule. Diverses stratégies comme l’étirement des impulsions à des durées de l’ordre de la nanoseconde, l’utilisation de fibres à cristaux photoniques ayant un coeur plus large et l’amplification en parallèle ont permis de contourner ces limitations pour obtenir des impulsions de quelques millijoules ayant une durée inférieure à la picoseconde. Ce mémoire de maîtrise présente une nouvelle approche pour l’amplification d’impulsions brèves utilisant la diffusion Raman des verres de silice comme milieu de gain. Il est connu que cet effet non linéaire permet l’amplification avec une large bande passante et ce dernier est d’ailleurs couramment utilisé aujourd’hui dans les réseaux de télécommunications par fibre optique. Puisque l’adaptation des schémas d’amplification Raman existants aux impulsions brèves de haute énergie n’est pas directe, on propose plutôt un schéma consistant à transférer l’énergie d’une impulsion pompe quasi monochromatique à une impulsion signal brève étirée avec une dérive en fréquence. Afin d’évaluer le potentiel du gain Raman pour l’amplification d’impulsions brèves, ce mémoire présente un modèle analytique permettant de prédire les caractéristiques de l’impulsion amplifiée selon celles de la pompe et le milieu dans lequel elles se propagent. On trouve alors que la bande passante élevée du gain Raman des verres de silice ainsi que sa saturation inhomogène permettent l’amplification d’impulsions signal à une énergie comparable à celle de la pompe tout en conservant une largeur spectrale élevée supportant la compression à des durées très brèves. Quelques variantes du schéma d’amplification sont proposées, et leur potentiel est évalué par l’utilisation du modèle analytique ou de simulations numériques. On prédit analytiquement et numériquement l’amplification Raman d’impulsions à des énergies de quelques millijoules, dont la durée est inférieure à 150 fs et dont la puissance crête avoisine 20 GW.

Planification et dimensionnement des réseaux optiques de longues distances

Le projet de recherche porte sur l'étude des problèmes de conception et de planification d'un réseau optique de longue distance, aussi appelé réseau de coeur (OWAN-Optical Wide Area Network en anglais). Il s'agit d'un réseau qui transporte des flots agrégés en mode commutation de circuits. Un réseau OWAN relie différents sites à l'aide de fibres optiques connectées par des commutateurs/routeurs optiques et/ou électriques. Un réseau OWAN est maillé à l'échelle d'un pays ou d’un continent et permet le transit des données à très haut débit. Dans une première partie du projet de thèse, nous nous intéressons au problème de conception de réseaux optiques agiles. Le problème d'agilité est motivé par la croissance de la demande en bande passante et par la nature dynamique du trafic. Les équipements déployés par les opérateurs de réseaux doivent disposer d'outils de configuration plus performants et plus flexibles pour gérer au mieux la complexité des connexions entre les clients et tenir compte de la nature évolutive du trafic. Souvent, le problème de conception d'un réseau consiste à prévoir la bande passante nécessaire pour écouler un trafic donné. Ici, nous cherchons en plus à choisir la meilleure configuration nodale ayant un niveau d'agilité capable de garantir une affectation optimale des ressources du réseau. Nous étudierons également deux autres types de problèmes auxquels un opérateur de réseau est confronté. Le premier problème est l'affectation de ressources du réseau. Une fois que l'architecture du réseau en termes d'équipements est choisie, la question qui reste est de savoir : comment dimensionner et optimiser cette architecture pour qu'elle rencontre le meilleur niveau possible d'agilité pour satisfaire toute la demande. La définition de la topologie de routage est un problème d'optimisation complexe. Elle consiste à définir un ensemble de chemins optiques logiques, choisir les routes physiques suivies par ces derniers, ainsi que les longueurs d'onde qu'ils utilisent, de manière à optimiser la qualité de la solution obtenue par rapport à un ensemble de métriques pour mesurer la performance du réseau. De plus, nous devons définir la meilleure stratégie de dimensionnement du réseau de façon à ce qu'elle soit adaptée à la nature dynamique du trafic. Le second problème est celui d'optimiser les coûts d'investissement en capital(CAPEX) et d'opération (OPEX) de l'architecture de transport proposée. Dans le cas du type d'architecture de dimensionnement considérée dans cette thèse, le CAPEX inclut les coûts de routage, d'installation et de mise en service de tous les équipements de type réseau installés aux extrémités des connexions et dans les noeuds intermédiaires. Les coûts d'opération OPEX correspondent à tous les frais liés à l'exploitation du réseau de transport. Étant donné la nature symétrique et le nombre exponentiel de variables dans la plupart des formulations mathématiques développées pour ces types de problèmes, nous avons particulièrement exploré des approches de résolution de type génération de colonnes et algorithme glouton qui s'adaptent bien à la résolution des grands problèmes d'optimisation. Une étude comparative de plusieurs stratégies d'allocation de ressources et d'algorithmes de résolution, sur différents jeux de données et de réseaux de transport de type OWAN démontre que le meilleur coût réseau est obtenu dans deux cas : une stratégie de dimensionnement anticipative combinée avec une méthode de résolution de type génération de colonnes dans les cas où nous autorisons/interdisons le dérangement des connexions déjà établies. Aussi, une bonne répartition de l'utilisation des ressources du réseau est observée avec les scénarios utilisant une stratégie de dimensionnement myope combinée à une approche d'allocation de ressources avec une résolution utilisant les techniques de génération de colonnes. Les résultats obtenus à l'issue de ces travaux ont également démontré que des gains considérables sont possibles pour les coûts d'investissement en capital et d'opération. En effet, une répartition intelligente et hétérogène de ressources d’un réseau sur l'ensemble des noeuds permet de réaliser une réduction substantielle des coûts du réseau par rapport à une solution d'allocation de ressources classique qui adopte une architecture homogène utilisant la même configuration nodale dans tous les noeuds. En effet, nous avons démontré qu'il est possible de réduire le nombre de commutateurs photoniques tout en satisfaisant la demande de trafic et en gardant le coût global d'allocation de ressources de réseau inchangé par rapport à l'architecture classique. Cela implique une réduction substantielle des coûts CAPEX et OPEX. Dans nos expériences de calcul, les résultats démontrent que la réduction de coûts peut atteindre jusqu'à 65% dans certaines jeux de données et de réseau.

Modélisation de la dispersion chromatique et de l’atténuation dans les fibres microstructurées à coeur suspendu

D’abord, nous présentons les principes physiques nous permettant de modéliser et comprendre le phénomène de propagation linéaire des impulsions lumineuses dans un milieu homogène, dans les guides d’ondes planaires et enfin dans les fibres optiques microstructurées. Ensuite, nous faisons une analyse mathématique rigoureuse des équations linéaires de propagation et posons le problème comme celui de la recherche de valeurs propres d’opérateurs auto-adjoints dans un espace de Hilbert. On verra que ces résultats théoriques s’appliquent aux équations simulées dans le logiciel Comsol Multiphysics. Enfin, nous recensons et proposons différentes façons de prédire les valeurs de dispersion chromatique et d’atténuation dans les fibres microstructurées à coeur suspendu en utilisant les notions et équations discutés dans les deux premiers chapitres. Le choix de la géométrie, du matériau et de la longueur d’onde de la lumière transmise sont parmi les variables étudiées numériquement. Nous ferons également un exemple détaillé d’utilisation du logiciel Comsol Multiphysics pour construire un modèle de fibre optique microstructurée.

Design and modeling of optical fibers for spatial division multiplexing using the orbital angular momentum of light

Les besoins toujours croissants en terme de transfert de données numériques poussent au développement de nouvelles technologies pour accroître la capacité des réseaux, notamment en ce qui concerne les réseaux de fibre optique. Parmi ces nouvelles technologies, le multiplexage spatial permet de multiplier la capacité des liens optiques actuels. Nous nous intéressons particulièrement à une forme de multiplexage spatial utilisant le moment cinétique orbital de la lumière comme base orthogonale pour séparer un certain nombre de canaux. Nous présentons d’abord les notions d’électromagnétisme et de physique nécessaires à la compréhension des développements ultérieurs. Les équations de Maxwell sont dérivées afin d’expliquer les modes scalaires et vectoriels de la fibre optique. Nous présentons également d’autres propriétés modales, soit la coupure des modes, et les indices de groupe et de dispersion. La notion de moment cinétique orbital est ensuite introduite, avec plus particulièrement ses applications dans le domaine des télécommunications. Dans une seconde partie, nous proposons la carte modale comme un outil pour aider au design des fibres optiques à quelques modes. Nous développons la solution vectorielle des équations de coupure des modes pour les fibres en anneau, puis nous généralisons ces équations pour tous les profils de fibres à trois couches. Enfin, nous donnons quelques exemples d’application de la carte modale. Dans la troisième partie, nous présentons des designs de fibres pour la transmission des modes avec un moment cinétique orbital. Les outils développés dans la seconde partie sont utilisés pour effectuer ces designs. Un premier design de fibre, caractérisé par un centre creux, est étudié et démontré. Puis un second design, une famille de fibres avec un profil en anneau, est étudié. Des mesures d’indice effectif et d’indice de groupe sont effectuées sur ces fibres. Les outils et les fibres développés auront permis une meilleure compréhension de la transmission dans la fibre optique des modes ayant un moment cinétique orbital. Nous espérons que ces avancements aideront à développer prochainement des systèmes de communications performants utilisant le multiplexage spatial.

Spatially integrated erbium-doped fiber amplifiers enabling space-division multiplexing

L’augmentation exponentielle de la demande de bande passante pour les communications laisse présager une saturation prochaine de la capacité des réseaux de télécommunications qui devrait se matérialiser au cours de la prochaine décennie. En effet, la théorie de l’information prédit que les effets non linéaires dans les fibres monomodes limite la capacité de transmission de celles-ci et peu de gain à ce niveau peut être espéré des techniques traditionnelles de multiplexage développées et utilisées jusqu’à présent dans les systèmes à haut débit. La dimension spatiale du canal optique est proposée comme un nouveau degré de liberté qui peut être utilisé pour augmenter le nombre de canaux de transmission et, par conséquent, résoudre cette menace de «crise de capacité». Ainsi, inspirée par les techniques micro-ondes, la technique émergente appelée multiplexage spatial (SDM) est une technologie prometteuse pour la création de réseaux optiques de prochaine génération. Pour réaliser le SDM dans les liens de fibres optiques, il faut réexaminer tous les dispositifs intégrés, les équipements et les sous-systèmes. Parmi ces éléments, l’amplificateur optique SDM est critique, en particulier pour les systèmes de transmission pour les longues distances. En raison des excellentes caractéristiques de l’amplificateur à fibre dopée à l’erbium (EDFA) utilisé dans les systèmes actuels de pointe, l’EDFA est à nouveau un candidat de choix pour la mise en œuvre des amplificateurs SDM pratiques. Toutefois, étant donné que le SDM introduit une variation spatiale du champ dans le plan transversal de la fibre, les amplificateurs à fibre dopée à l’erbium spatialement intégrés (SIEDFA) nécessitent une conception soignée. Dans cette thèse, nous examinons tout d’abord les progrès récents du SDM, en particulier les amplificateurs optiques SDM. Ensuite, nous identifions et discutons les principaux enjeux des SIEDFA qui exigent un examen scientifique. Suite à cela, la théorie des EDFA est brièvement présentée et une modélisation numérique pouvant être utilisée pour simuler les SIEDFA est proposée. Sur la base d’un outil de simulation fait maison, nous proposons une nouvelle conception des profils de dopage annulaire des fibres à quelques-modes dopées à l’erbium (ED-FMF) et nous évaluons numériquement la performance d’un amplificateur à un étage, avec fibre à dopage annulaire, à ainsi qu’un amplificateur à double étage pour les communications sur des fibres ne comportant que quelques modes. Par la suite, nous concevons des fibres dopées à l’erbium avec une gaine annulaire et multi-cœurs (ED-MCF). Nous avons évalué numériquement le recouvrement de la pompe avec les multiples cœurs de ces amplificateurs. En plus de la conception, nous fabriquons et caractérisons une fibre multi-cœurs à quelques modes dopées à l’erbium. Nous réalisons la première démonstration des amplificateurs à fibre optique spatialement intégrés incorporant de telles fibres dopées. Enfin, nous présentons les conclusions ainsi que les perspectives de cette recherche. La recherche et le développement des SIEDFA offriront d’énormes avantages non seulement pour les systèmes de transmission future SDM, mais aussi pour les systèmes de transmission monomode sur des fibres standards à un cœur car ils permettent de remplacer plusieurs amplificateurs par un amplificateur intégré.

The role of glass modifiers in the solubility of Tm3+ ions in As2S3 glasses

Au cours des années une variété des compositions de verre chalcogénure a été étudiée en tant qu’une matrice hôte pour les ions Terres Rares (TR). Pourtant, l’obtention d’une matrice de verre avec une haute solubilité des ions TR et la fabrication d’une fibre chalcogénure dopée au TR avec une bonne qualité optique reste toujours un grand défi. La présente thèse de doctorat se concentre sur l’étude de nouveaux systèmes vitreux comme des matrices hôtes pour le dopage des ions TR, ce qui a permis d’obtenir des fibres optiques dopées au TR qui sont transparents dans l’IR proche et moyenne. Les systèmes vitreux étudiés ont été basés sur le verre de sulfure d’arsenic (As2S3) co-dopé aux ions de Tm3+ et aux différents modificateurs du verre. Premièrement, l’addition de Gallium (Ga), comme un co-dopant, a été examinée et son influence sur les propriétés d’émission des ions de Tm a été explorée. Avec l’incorporation de Ga, la matrice d’As2S3 dopée au Tm a montré trois bandes d’émission à 1.2 μm (1H5→3H6), 1.4 μm (3H4→3F4) et 1.8 μm (3F4→3H6), sous l’excitation des longueurs d’onde de 698 nm et 800 nm. Les concentrations de Tm et de Ga ont été optimisées afin d’obtenir le meilleur rendement possible de photoluminescence. À partir de la composition optimale, la fibre Ga-As-S dopée au Tm3+ a été étirée et ses propriétés de luminescence ont été étudiées. Un mécanisme de formation structurale a été proposé pour ce système vitreux par la caractérisation structurale des verres Ga-As-S dopés au Tm3+, en utilisant la spectroscopie Raman et l’analyse de spectrométrie d’absorption des rayons X (EXAFS) à seuil K d’As, seuil K de Ga et seuil L3 de Tm et il a été corrélé avec les caractéristiques de luminescence de Tm. Dans la deuxième partie, la modification des verres As2S3 dopés au Tm3+, avec l’incorporation d’halogénures (Iode (I2)), a été étudiée en tant qu’une méthode pour l’adaptation des paramètres du procédé de purification afin d’obtenir une matrice de verre de haute pureté par distillation chimique. Les trois bandes d’émission susmentionnées ont été aussi bien observées pour ce système sous l’excitation à 800 nm. Les propriétés optiques, thermiques et structurelles de ces systèmes vitreux ont été caractérisées expérimentalement en fonction de la concentration d’I2 et de Tm dans le verre, où l’attention a été concentrée sur deux aspects principaux: l’influence de la concentration d’I2 sur l’intensité d’émission de Tm et les mécanismes responsables pour l’augmentation de la solubilité des ions de Tm dans la matrice d’As2S3 avec l’addition I2.

Electro-spinning of pure collagen nano-fibres – just an expensive way to make gelatin?

Scaffolds manufactured from biological materials promise better clinical functionality, providing that characteristic features are preserved. Collagen, a prominent biopolymer, is used extensively for tissue engineering applications, because its signature biological and physico-chemical properties are retained in vitro preparations. We show here for the first time that the very properties that have established collagen as the leading natural biomaterial are lost when it is electro-spun into nano-fibres out of fluoroalcohols such as 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol or 2,2,2-trifluoroethanol. We further identify the use of fluoroalcohols as the major culprit in the process. The resultant nano-scaffolds lack the unique ultra-structural axial periodicity that confirms quarter-staggered supramolecular assemblies and the capacity to generate second harmonic signals, representing the typical crystalline triple-helical structure. They were also characterised by low denaturation temperatures, similar to those obtained from gelatin preparations ( p > 0.05). Likewise, circular dichroism spectra revealed extensive denaturation of the electro-spun collagen. Using pepsin digestion in combination with quantitative SDS-PAGE, we corroborate great losses of up to 99% of triple-helical collagen. In conclusion, electro-spinning of collagen out of fluoroalcohols effectively denatures this biopolymer, and thus appears to defeat its purpose, namely to create biomimetic scaffolds emulating the collagen structure and function of the extracellular matrix.

A forensic investigation of single human hair fibres using FTIR-ATR spectroscopy and chemometrics

Human hair fibres are ubiquitous in nature and are found frequently at crime scenes often as a result of exchange between the perpetrator, victim and/or the surroundings according to Locard's Principle. Therefore, hair fibre evidence can provide important information for crime investigation. For human hair evidence, the current forensic methods of analysis rely on comparisons of either hair morphology by microscopic examination or nuclear and mitochondrial DNA analyses. Unfortunately in some instances the utilisation of microscopy and DNA analyses are difficult and often not feasible. This dissertation is arguably the first comprehensive investigation aimed to compare, classify and identify the single human scalp hair fibres with the aid of FTIR-ATR spectroscopy in a forensic context. Spectra were collected from the hair of 66 subjects of Asian, Caucasian and African (i.e. African-type). The fibres ranged from untreated to variously mildly and heavily cosmetically treated hairs. The collected spectra reflected the physical and chemical nature of a hair from the near-surface particularly, the cuticle layer. In total, 550 spectra were acquired and processed to construct a relatively large database. To assist with the interpretation of the complex spectra from various types of human hair, Derivative Spectroscopy and Chemometric methods such as Principal Component Analysis (PCA), Fuzzy Clustering (FC) and Multi-Criteria Decision Making (MCDM) program; Preference Ranking Organisation Method for Enrichment Evaluation (PROMETHEE) and Geometrical Analysis for Interactive Aid (GAIA); were utilised. FTIR-ATR spectroscopy had two important advantages over to previous methods: (i) sample throughput and spectral collection were significantly improved (no physical flattening or microscope manipulations), and (ii) given the recent advances in FTIR-ATR instrument portability, there is real potential to transfer this work.s findings seamlessly to on-field applications. The "raw" spectra, spectral subtractions and second derivative spectra were compared to demonstrate the subtle differences in human hair. SEM images were used as corroborative evidence to demonstrate the surface topography of hair. It indicated that the condition of the cuticle surface could be of three types: untreated, mildly treated and treated hair. Extensive studies of potential spectral band regions responsible for matching and discrimination of various types of hair samples suggested the 1690-1500 cm^-1 IR spectral region was to be preferred in comparison with the commonly used 1750-800 cm^-1. The principal reason was the presence of the highly variable spectral profiles of cystine oxidation products (1200-1000 cm^-1), which contributed significantly to spectral scatter and hence, poor hair sample matching. In the preferred 1690-1500 cm^-1 region, conformational changes in the keratin protein attributed to the α-helical to β-sheet transitions in the Amide I and Amide II vibrations and played a significant role in matching and discrimination of the spectra and hence, the hair fibre samples. For gender comparison, the Amide II band is significant for differentiation. The results illustrated that the male hair spectra exhibit a more intense β-sheet vibration in the Amide II band at approximately 1511 cm^-1 whilst the female hair spectra displayed more intense α-helical vibration at 1520-1515cm^-1. In terms of chemical composition, female hair spectra exhibit greater intensity of the amino acid tryptophan (1554 cm^-1), aspartic and glutamic acid (1577 cm^-1). It was also observed that for the separation of samples based on racial differences, untreated Caucasian hair was discriminated from Asian hair as a result of having higher levels of the amino acid cystine and cysteic acid. However, when mildly or chemically treated, Asian and Caucasian hair fibres are similar, whereas African-type hair fibres are different. In terms of the investigation's novel contribution to the field of forensic science, it has allowed for the development of a novel, multifaceted, methodical protocol where previously none had existed. The protocol is a systematic method to rapidly investigate unknown or questioned single human hair FTIR-ATR spectra from different genders and racial origin, including fibres of different cosmetic treatments. Unknown or questioned spectra are first separated on the basis of chemical treatment i.e. untreated, mildly treated or chemically treated, genders, and racial origin i.e. Asian, Caucasian and African-type. The methodology has the potential to complement the current forensic analysis methods of fibre evidence (i.e. Microscopy and DNA), providing information on the morphological, genetic and structural levels.

Forensic analysis of fibres by vibrational spectroscopy

Fibres are extremely common. They can originate directly from human and animal hair, and also from textiles in the form of clothing, upholstery and carpets. Hair and textile fibres are relatively easily shed and transferred, which means that it is highly likely that fibres will be found at crime scenes. If such fibres are carefully characterised they can be of immense value in the forensic environment. Vibrational spectroscopy is one of the most important methods for the characterisation of natural and synthetic fibres. The vibrational spectrum, whether mid-IR or Raman, can be considered to be a fingerprint of the molecular structure of the fibre and as such has a very high information content.