Dynamics of Stimulated Brillouin Scattering in Optical Fibers
Dynamique de la diffusion Brillouin stimulée dans les fibres optiques
Résumé
This thesis deals with the comparison between the differents models of the stimulated Brillouin scattering (SBS) in single-mode optical fibers, especially the well-known intensity model, which neglects the dynamics of the acoustic wave due to its short decay time (typically 7 ns in silica), and the coherent three-waves model which allows antiStokes energy tranfers from the Brillouin wave to the pump wave.
Their respective theoretical predictions, as well as long time numerical simulations, are systematically confronted to the experimental behaviour of a Brillouin fiber ring oscillator.
It appears that the intensity model is likely to give qualitatively wrong results as soon as the Stokes amplitudes becomes higher than the pump amplitude, or as any of the optical waves exhibits temporal structures shorter than about ten nanoseconds.
One will always find advantage in choosing a coherent description of the SBS ; moreover, the latter allows the model to take into account the coupling between SBS and the optical Kerr effect, this getting necessary while Stokes pulses becomes intense.
One among the strongest arguments for the coherent model is the first experimental observation of superluminous Brillouin quasi-solitons and partial self-induced transparency.
Ce mémoire présente l’étude comparative des différents modèles de la diffusion Brillouin stimulée (DBS) dans les fibres optiques unimodales ; on distingue en particulier le modèle d’intensités bien connu, qui néglige la dynamique de l’onde acoustique devant la rapidité de son amortissement (typiquement 7 ns dans la silice), et le modèle cohérent à trois ondes qui autorise les transferts d’énergie antiStokes de l’onde Brillouin vers l’onde de pompe.
Leurs prédictions théoriques respectives, ainsi que des simulations numériques sur des temps longs, sont systématiquement confrontées au comportement expérimental d’un oscillateur Brillouin à fibre optique en anneau.
Il apparaît que le modèle d’intensités est susceptible de donner des résultats qualitativement faux dès que l’amplitude de l’onde Stokes devient supérieure à celle de la pompe, ou dès que l’une des deux ondes optiques présente des structures temporelles plus courtes que la dizaine de nanosecondes.
On aura donc toujours intérêt à choisir une description cohérente de la DBS ; celle-ci permet en outre la prise en compte du couplage entre la DBS et l’effet Kerr optique, qui s’avère indispensable dans le cas d’impulsions Stokes intenses.
L’un des arguments les plus forts en faveur du modèle cohérent est l’observation expérimentale, pour la première fois, de quasi-solitons Brillouin supraluminiques et de transparence auto-induite partielle.
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