Les ondes coniques guidées : un « bang supersonique » dans les fibres optiques

Bertrand KIBLER et Pierre BÉJOT, 2 chercheurs du laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (département Photonique) ont réussi à généraliser le concept d'ondes coniques décrit dans les milieux massifs vers des milieux structurés, tels que les fibres optiques multimodes, dans lesquels seul un nombre discret et fini de modes peuvent se propager.

Cette nouvelle approche, publiée dans la prestigieuse revue scientifique Physical Review Letters, permet la mise en forme de faisceaux lasers ou ondes lumineuses complexes et unifie deux domaines de recherche très étudiés : celui des milieux massifs (verres, gaz, liquides) et celui des milieux structurés (fibres optiques et autres guides d’ondes).

Ces travaux théoriques peuvent également se retrouver dans d’autres champs de recherche de la physique des ondes, notamment en hydrodynamique et en acoustique. On peut également faire un parallèle entre ces phénomènes et les cônes de Mach (ondes de choc associées au bang supersonique) émis par les avions de chasse.

Illustration d'une onde conique dans le coeur d'une fibre optique multimode.

De nouvelles ondes caractérisées par un couplage spatiotemporel complexe, impliquant un lien spécifique entre leurs caractéristiques temporelles, spectrales et spatiales, ont été démontrées comme pouvant se propager sans déformation avec une vitesse arbitraire dans différents milieux dispersifs, et plus particulièrement de manière guidée dans les fibres optiques. De manière générale, ces ondes sont associées à un flash lumineux (une impulsion temporelle ou une onde de choc) impliquant une superposition continue ou discrète de multiples fréquences (en phase) avec une distribution angulaire particulière

(par exemple : formant un cône dans l’espace, voir illustration ci-contre). Différentes formes d’ondes coniques avec des vitesses arbitraires peuvent être envisagées avec les technologies modernes de fabrication et de design des fibres optiques et autres guides d’ondes de la photonique intégrée. Un exemple clé d’application est la génération de balles de lumière guidées (un cas particulier des ondes coniques).

Fibre optique : Monomode et multimode

Dans une fibre monomode, la lumière ne peut se propager que selon un chemin bien particulier (appelé mode). Ainsi, une fibre optique monomode est si petite que la lumière se propage comme si elle allait tout droit. Au contraire, dans les fibres multimodes, la lumière peut emprunter différentes trajectoires pour se propager, comme si celle-ci pouvait « rebondir » de multiples fois sur les parois de la gaine. En profitant du fait que, dans une fibre, les « couleurs » composant une impulsion ultracourte ne voyagent pas à la même vitesse (phénomène appelé dispersion) et que les différentes trajectoires possibles dans une fibre multimode soient plus ou moins longues, il est alors possible de créer des impulsions laser ne se déformant absolument pas au cours de sa propagation.

C'est en généralisant le concept d’ondes coniques décrit dans les milieux massifs que les 2 chercheurs de l’ICB ont réussi à mieux comprendre la transition entre ces deux champs, encore complexe il y a quelques années en raison des processus non linéaires intermodaux et des couplages spatiotemporels. Ainsi, les futures expériences sur les fibres multimodes pourraient révéler différentes formes de propagation de la lumière comme des balles lumineuses à supercontinuum.

• Pour plus d’informations : « Discretized conical waves in multimode optical fibers », B. Kibler & P. Béjot, Phys. Rev. Lett. 126, 023902 – Published 13 January 2021

Contacts :

• Dr Pierre Béjot / pierre.bejot@u-bourgogne.fr / ICB (CNRS/UBFC) Dijon – France
• Dr Bertrand Kibler / bertrand.kibler@u-bourgogne.fr / ICB (CNRS/UBFC) Dijon – France