Observation et manipulation spatio-temporelles d'ondes non-linéaires dans un système de boucle de recirculation fibrée non-dissipatif – StormWave

Le projet StormWave vise à développer une nouvelle plateforme expérimentale pour l'observation et la manipulation d'ondes lumineuses non linéaires se propageant dans les fibres optiques avec une précision et une flexibilité sans précédent. De manière générale, maîtriser la dynamique spatio-temporelle complexe des ondes optiques est primordial pour de nombreuses raisons à la fois applicatives mais aussi plus fondamentales. A ce titre, la fibre optique est un milieu particulièrement versatile qui permet l’étude approfondie de processus non-linéaires complexes avec des applications directes et des retombées importantes dans des domaines transverses comme l'hydrodynamique et la physique quantique.

Dans ce projet, nous proposons de surmonter deux barrières techniques limitant la portée de la recherche expérimentale actuelle sur la dynamique des ondes non-linéaires dans les fibres optiques. En nous appuyant sur une configuration en boucle de recirculation fibrée (ROFL en anglais), nous développerons une plateforme qui permet (i) la propagation de la lumière sans dissipation sur de très grandes distances et (ii) la manipulation active des ondes optiques pendant leur propagation dans la fibre. Ces avancées techniques permettront de réaliser une grande variété d'expériences originales et jusqu'alors impossibles, qui apporteront de nouvelles perspectives sur le contôle des ondes non-linéaires en optique.

Les fibres optiques modernes présentent des pertes incroyablement faibles permettant la propagation linéaire de signaux sur plusieurs dizaines de kilomètres. Cependant, même de petites variations longitudinales de la puissance optique peuvent altérer les propriétés des ondes optiques non-linéaires. Dans les ROFL, des techniques de compensation des pertes ont été développées qui réduisent de manière effective le taux de décroissance de la puissance, mais le champ circulant subit tout de même des variations de son amplitude qui affectent la dynamique de tous les processus pendant la propagation. Nous proposons une nouvelle stratégie de gestion des pertes que nous mettrons en œuvre dans une ROFL permettant une compensation active pour obtenir des pertes effectives virtuellement nulles avec des variations de puissance minimales. Ceci sera réalisé en combinant une amplification distribuée et locale avec une boucle de rétroaction active et sera appliqué pour révéler des phénomènes non-linéaires subtils.

L'une des principales limites des expériences de propagation dans les fibres optiques réside dans l'impossibilité technique pour l'expérimentateur d'interagir avec le champ lorsque celui-ci se propage. En d'autres termes, il n'existe aucun moyen efficace de manipuler le comportement du champ une fois qu'il commence à se propager dans la fibre. Il est possible d'utiliser des fibres spécialement fabriquées pour addresser un cas bien ciblées, mais cette solution est chronophage, coûteuse et n'offre qu'un contrôle limité puisque des modifications longitudinales des propriétés de la fibre agissent globalement sur le champ. La configuration ROFL est intéressante à cet égard puisqu’elle offre un accès périodique au champ qui se propage. Nous développerons un nouveau système intégré à une ROFL permettant de manipuler les propriétés du champ d'ondes optique directement pendant sa propagation via une modulation de phase cohérente. Cette abilité à contrôler dynamiquement des structures non-linéaires ouvre une vaste gamme d'études expérimentales originales largement inexplorées jusqu'à présent. Au sein d'un même dispositif, la manipulation précise d’ondes optiques complexes et de structures localisées sera réalisée. Il est intéressant de noter que le système que nous proposons permettra d'établir une analogie étroite avec la physique des condensats de Bose-Einstein, avec les avantages d'une plus grande flexibilité dans la conception des expériences, d'un coût réduit et de capacités de détection accrues.