Multimodal photonics : dynamic characterization of the transmission channel of a few mode optical fibers

Photonique multimodale : caractérisation dynamique du canal de transmission de fibres optiques faiblement multimodes La demande en débit de transmission de données (télévision, cloud computing, sauvegarde des centres de données, télétravail...) est sans cesse croissante. Les réseaux actuels basés sur l'utilisation de fibres optiques unimodales ne seront plus en mesure de supporter de tels débits dans les années à venir. Le terme scientifique employé est le "Capacity Crunch".Des solutions basées sur l'utilisation de nouvelles fibres optiques multimodes sont donc à l'étude, dans lesquelles chaque mode pourra transférer autant d'informations qu'une fibre monomode. Par exemple, pour une fibre optique multimode pouvant guider N modes, la capacité est multipliée par N. Malgré leurs avantages, les modes de la fibre optique multimode ont tendance à se coupler et à échanger des informations, réduisant ainsi les distances pouvant être atteintes ou limitant la bande passante de la transmission - un processus connu sous le nom de diaphonie.La diaphonie mesurée ou calculée entre toutes les combinaisons de modes peut être organisée dans une matrice - la matrice de diaphonie. Toutefois, la matrice de diaphonie décrit un comportement moyen. Afin d'aller plus loin dans la compréhension et le développement de solutions de transmission rapide de données, le comportement instantané de la fibre doit être décrit plus précisément, par ce que l'on appelle une matrice de transmission. Cette matrice caractérise la phase et l'amplitude des échanges entre modes en temps réel ou du moins sur des échelles de temps plus petites que celles qui régissent les changements environnementaux tels que les vibrations induites par le trafic, les rafales de vent, les changements de température. Les communications optiques s'appuient sur le DSP (Digital Signal Processing) qui estime la matrice de transmission afin de pouvoir reconstruire les données envoyées à partir des données reçues, ainsi la connaissance du comportement typique de la matrice de transmission permettrait de concevoir des algorithmes plus rapides nécessaires aux codes utilisés en bout de ligne pour reconstruire les données envoyées. En outre, une méthode qui identifie et quantifie le contenu modal d'une fibre sondée dans différentes conditions est nécessaire puisque la matrice de transmission ne décrit que le couplage entre les modes en considérant que le contenu modal est connu a priori.Dans cette thèse, la technique d'analyse qui quantifie et identifie le contenu modal d'une fibre faiblement multi-modes (FMF, few-mode fiber) est basée sur l'utilisation de données obtenues avec la technique bien connue d'imagerie résolue spatialement et spectralement (S2). Une méthode basée sur la corrélation spatiale a été développée dans notre travail pour dépasser les limites de mesure de la méthode standard en utilisant le même ensemble de données. D'autre part, pour mesurer la matrice de transmission qui caractérise la phase et l'amplitude de l'échange entre les modes, nous avons utilisé l'outil de mesure basé sur un modulateur de lumière spatial (SLM, spatial light modulator). Le dispositif de mesure et le traitement numérique développé en parallèle ont été conçus pour identifier les modes propres de la FMF et ensuite exprimer la matrice de transmission dans la base de ces modes propres. En outre, un nouvel outil rapide par rapport aux précédents (50 fois plus rapide) a été développé pour mesurer la matrice de transmission. Enfin, deux fibres optiques multimodes différentes ont été comparées sur la base de leurs coefficients de couplage et d'atténuation de mode via des mesures de diaphonie (étude de la diaphonie en fonction de la longueur de la fibre), et ont été testées et comparées lorsqu'elles sont soumises à des perturbations externes (étude de la diaphonie en fonction des micro-courbures).Ce travail de thèse a été soutenu par la Région Hauts-De-France. Les travaux qui y sont développés ont été effectués dans le cadre de l'ANR « MUPHTA ».