Une nouvelle famille de fibres optiques pour les lasers ultrafast

06/05/2016
Publication REE REE 2016-2
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2016-2:16481

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Une nouvelle famille de fibres optiques pour les lasers ultrafast

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	    <date dateType="Updated">Thu 26 Jan 2017</date>
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REE N°2/2016 Z 15 Une nouvelle famille de fibres optiques pour les lasers ultrafast Frédéric Gérôme Prix Jean Jerphagnon 2015 Chargé de recherche CNRS à l’institut de recherche Xlim (UMR CNRS – Université de Limoges) et co-fondateur de la société GLOphotonics Les fibres creuses à contour hypocycloïdal Le progrès spectaculaire de la montée en puissance des lasers à durées d’impulsion ultra-courtes (ou laser ultrafast) et leur utilisation en pleine expansion dans des applications industrielles exigent aujourd’hui des systèmes flexibles et robustes pour la livraison du faisceau optique sur plusieurs mètres. Or, jusqu’à présent, le niveau d’énergie maximale des lasers ultrafast qui pouvait être guidé de façon unimodale dans une fibre optique était limité au nanojoule pour une fibre à cœur de silice, et à quelques microjoules pour une fibre creuse fonctionnant sur le principe de bande interdite photonique. De plus, ces fibres souffrent d’une dispersion chromatique trop large pour un transport du faisceau intense sans distorsion temporelle de l’impulsion. Dans ce contexte, nous avons conçu et développé un nouveau type de fibre creuse dont le principe de guidage de la lumière diffère des autres mécanismes développés jusqu’à présent. On parle ici des états liés de Von Neumann-Wigner ou de couplage inhibé entre les modes du cœur d’air et ceux de la gaine. Très récemment, une solution a été proposée pour exacerber ce couplage inhibé afin d’accroître les perfor- mances optiques de guidage, en introduisant un contour du cœur creux de forme hypocycloïdale (c’est à dire présentant des courbures négatives). La figure 1 illustre schématique- ment le rôle d’un tel contour de cœur dans la réduction des pertes de transmission par rapport à un contour circulaire. Il est ainsi très intuitif de voir que le recouvrement de la coupe transverse du champ du mode avec le contour du cœur se trouve drastiquement réduit, ce qui a pour conséquence di- recte la réduction des pertes de propagation. Cette nouvelle approche s’est révélée très « fertile » puisque les pertes de transmission ont pu être ramenées d’environ 1 000 dB/km à un record de 17 dB/km à 1 064 nm, faisant de cette fibre le nouvel état de l’art mondial [1]. A partir de ce résultat, plusieurs fibres ont été optimisées pour différents domaines spectraux faisant chacune office de nouvelles références parmi lesquelles on compte le domaine du visible, le bas infrarouge, les longueurs d’onde télécoms mais aussi le moyen infrarouge (IR) allant de 2 μm jusqu’à 12 μm ! En complément, de ces avancées, il a été dé- montré des capacités théoriques de déport d’énergie laser 1 000 000 fois supérieures à ce que des fibres solides Le honore la mémoire et pro- mena une carrière remarquable dans le domaine de l’op- tique et de la photonique. Il a pour objectif de promouvoir l’innovation technologique et la diffusion de l’optique et de la photonique dans tout domaine d’application. En témoignage de reconnaissance, plusieurs struc- - gnon : Académie des Technologies, Alcatel-Lucent, Centre National de la Recherche Scientifique, France Télécom, Pôle de compétitivité Images et Réseaux, Association Opticsvalley, Société des Electriciens et des Electroniciens, Société Française d’Optique, Société Française de Physique, Pôle de compétitivité Systématic- Paris-Région, Thales. Figure 1 : Structure géométrique du nouveau type de fibre creuse brevetée dont la forme du cœur épouse un contour hypocycloïdal ou à courbure négative. ACTUALITÉS 16 Z REE N°2/2016 conventionnelles peuvent atteindre du fait de la propagation de la lumière dans l’air, et un guidage optique unimodal as- socié à un PER de 25 dB. Ces structures ont alors fait l’objet d’un dépôt de brevet commun entre l’université de Limoges/ CNRS et notre start-up GLOphotonics. Cette combinaison unique a permis de démontrer pour la première fois le déport d’énergie par fibre optique en ré- gime femtoseconde avec des niveaux records de plusieurs millijoules (soit des puissances crêtes atteignant le pétawatt/ cm2 ), améliorant ainsi l’état de l’art de plus de deux ordres de grandeur. Ce résultat est d’autant plus remarquable que les performances du laser restent parfaitement préservées tout au long de la propagation dans la fibre, ce qui se traduit par la conservation de la durée ultra-brève de l’impulsion en sortie de fibre. Des durées d’impulsions aussi courtes confèrent à ce type de système une propriété unique qui permet l’ablation d’ob- jet sans déposer de la chaleur. Ce saut technologique a été fortement accueilli aussi bien par la communauté scientifique que par celle des industriels. En particulier, les industriels lea- ders du secteur de l’usinage ultra précis pour la microélectro- nique et le biomédical y voient un véritable différenciateur de leur système et un instrument pour gagner le pari d’avenir de transformer radicalement la micromanufacture et la mi- crochirurgie. Enfin, la possibilité offerte par cette technologie d’une cohabitation micrométrique entre un milieu gazeux et la lumière sur plusieurs mètres pourrait permettre d’élar- gir le champ d’applications jusqu’au point de véritablement transformer ce paysage industriel. En effet, la réalisation de plusieurs sauts technologiques aux performances dites « ex- trêmes » est proposée dans quatre domaines applicatifs que sont : (I) le transport d’énergie, (II) la compression d’impul- sion, (III) la conversion de fréquence et (IV) la génération dans l’UV/DUV. Le transport d’énergie Compte tenu des avancées et des résultats uniques obte- nus sur le transport d’impulsion ultra-courtes et ultra-énergé- tiques par nos fibres creuses, la stratégie de développement d’un produit à base de cette technologie a débuté par l’inter- médiaire de notre start-up GLOphotonics, en collaboration avec les industriels laséristes leaders du domaine. La compression d’impulsion En collaboration avec les universités de Vienne et de Mos- cou, nous avons réussi à comprimer à l’aide de ces fibres creuses remplies de gaz xénon une impulsion optique jusqu’à l’échelle du sub-cycle, faisant d’elle l’impulsion la plus courte au monde dans le domaine du moyen IR [3]. Figure 2 : L’extrêmement énergétique, ou comment graver la matière avec un bout de fibre optique. Figure 3 : L’extrêmement bref, ou comment atteindre des durées temporelles de quelques femtosecondes. ACTUALITÉS REE N°2/2016 Z 17 La conversion de fréquence Grâce au guidage large bande et aux atténuations très faibles de ces fibres creuses, un peigne de fréquence « géant » couvrant les domaines allant de l’UV à 12 μm a été démontré, correspondant à la génération de plus de 65 raies laser [4]. Aussi, la propagation de ces énergies intenses du millijoule a permis de générer un supercontinuum dans l’air dépassant de plus de deux ordres de grandeur la densité de puissance des sources disponibles actuellement [5]. Vers la génération UV/DUV Enfin, nous avons réussi à l’aide d’un dispositif ingénieux basé sur les microondes à générer pour la première fois un plasma à l’intérieur du cœur micrométrique de la fibre creuse [6]. Ce résultat ouvre une nouvelle voie pour la réalisation de source laser fibrée pour cibler les régions spectrales de l’UV/DUV. Conclusion L’ensemble de ces performances confère à cette nouvelle technologie fibrée un potentiel unique pour réellement trans- former les lasers impulsionnels ultra-courts et ultra-énergé- tiques. La réussite de l’intégration à de tels systèmes et le développement scientifique associé sont renforcés par la création de l’entreprise GLOphotonics. Finalement, la pos- sibilité de faire aujourd’hui cohabiter toutes les formes de milieux gazeux (gaz moléculaires, vapeurs atomiques ou der- nièrement les gaz ionisés) avec la lumière à des échelles micrométriques et dans des régimes extrêmes, font de cette nouvelle famille de fibres l’élément clé et fondateur d’un domaine émergent que nous appelons la photonique des gaz (Gas Photonics). Le groupe de recherche GPPMM pour “Gas-Phase Photonic and Microwave Materials” de l’institut de recherche Xlim (UMR CNRS/université de Limoges) a été créé en 2011 pour porter cette thématique. Références [1] Debord, B., Alharbi, M., Bradley, T., Fourcade Dutin, C., Wang, Y. Y., Vincetti, L., Gérôme, F., Benabid, F.: “Hypo- cycloid-shaped hollow-core photonic crystal fiber Part I: Cups curvature effect on confinement loss”, Optics Ex- press, Vol. 21, Issue 23, pp. 28597-28608, 2013. [2] Debord, B., Alharbi, M., Vincetti, L., Husakou, A., Fourcade Dutin, C., Honninger, C., Mottay, E., Gérôme, F., Benabid, F.: “Multi-meter fiber-delivery and pulse self-compres- sion of milli-Joule femtosecond laser and fiber-aided laser-micromachining”, Optics Express, Vol. 22, Issue 9, pp. 10735-10746, 2014. [3] Balciunas, T., Fourcade Dutin, C., Fan, G., Zheltikov, A., Gérôme, F., Baltuska, A., Benabid, F.: “Sub-Cycle Gi- gawatt Peak Power Pulses Self-Compressed by Optical Figure 4 : L’extrêmement large, ou comment réaliser un laser 65-en-1. Figure 5 : L’extrêmement chaud, ou comment générer de la lumière UV/DUV. ACTUALITÉS 18 Z REE N°2/2016 Shock Waves”, Nature Communications, Vol. 6, Number 6117, 2015. [4] Benoit, A., Beaudou, B., Alharbi, M., Debord, B., Gérôme, F., Salin, F., Benabid, F.: “Over-five octaves wide Raman combs in high-power picosecond-laser pumped H2- filled inhibited-coupling Kagome fiber”, Optics Express, Vol. 23, Issue 11, pp. 14002-14009, 2015. [5] Debord B., Gerome F., Honninger C., Mottay E., Husakou A., Benabid F.: “Milli-Joule energy-level comb and super- continuum generation in atmospheric air-filled inhibited coupling Kagome fiber Laporte, C., Leprince, P., Alves, L.l., Benabid, F.: “Gene- ration and confinement of gas-plasma in photonic die- lectric microstructure”, Optics Express, Vol. 21 Issue 21, pp. 25509-25516, 2013. Q Frédéric Gérôme est né à Périgueux, Dordo- gne. De 1998 à 2002 il fait ses études supérieures à la faculté des Sciences de Limoges. Il obtient son doctorat en télécommunications spécialité photo- nique à l’université de Limoges en 2005. Il part en- suite de 2006 à 2008 faire un stage postdoctoral au Centre for photonics and photonic materials à l’université de Bath en Angleterre (pionnière des fibres à cristal photonique). Fin 2008, il rentre au CNRS en tant que chargé de recherche et est affecté à l’institut de recherche Xlim. En 2011, il cofonde la société GLOphotonics. Controverses sur le chiffrement : Shannon aurait eu son mot à dire Figure 1 : Claude Shannon. Source : Wikipedia. ACTUALITÉS - - La première de ces polémiques concerne les codes d’accès à l’i-phone 5C retrouvé sur la dé- pouilleduterroristeSyedRizwanFarook,coauteur d’une attaque qui fit 14 victimes, le 2 décembre 2015 à San Bernardino en Californie. Pendant des semaines, le FBI s’est efforcé de contourner ou de craquer les clés de chiffrement bloquant l’accès à ce téléphone mobile qui pourrait renfer- mer des informations primordiales pour la suite de l’enquête. N’y parvenant pas, et devant le refus de coopérer de la so- ciété Apple, le FBI a porté l’affaire en justice afin qu’il soit ordonné à Apple d’apporter son concours. Une controverse est ainsi née sur la légitimité d’une telle requête à laquelle Apple n’entendait pas se plier, mettant en avant son souci de préserver la confidentialité des données de ceux qui lui font confiance. Apple ne voulait pas en outre faire la démonstration qu’il était possible d’installer une porte dérobée sur ses équipements. La question commença à faire sérieusement polémique jusqu’à ce que le FBI annonce, le 21 mars 2016, qu’il avait mis au point une procédure de contournement avec l’aide d’un tiers, selon plusieurs sources la société israélienne Cellbrite. On croyait l’affaire entendue mais au tout début d’avril 2016, WhatsApp, le système le plus populaire de messagerie sur mobile, promu par Yahoo, annonçait qu’il avait mis en service un système de chiffrement de bout en bout des communications assurant un niveau extrêmement élevé de protection. Ce système très complexe, décrit dans un livre blanc publié le 4 avril 2016 par Whatsapp “WhatsApp Encryption Overview”1 , utilise les méthodes les plus robustes de chiffrement et d’authentification aujourd’hui connues. Il est en particulier fondé sur l’utilisation de la courbe el- liptique Diffie-Hellmann 25519 (ECDH 25519)2 qui supporte une variante du protocole clas- sique Diffie-Hellmann. Cette méthode permet à deux correspondants dotés chacun d’une paire de clés elliptiques publique-privée d’échanger sur un réseau non sécurisé un secret partagé qui pourra être uti- lisé comme clé de chiffrement ou pour dériver une autre clé servant à chiffrer les communications subséquentes par chiffrement symétrique. La courbe ECDH 25519 a été proposée en 2005 par Da- de 2013 après qu’il est apparu évident, suite aux révélations d’Edward Snowden, que la NSA (National Security Agency) avait introduit une porte dérobée dans l’algorithme EC-DRBG de génération de nombres pseudo-aléatoires utilisé dans les mécanismes de chiffrement par clés elliptiques, normalisés par le NIST et l’ISO, mettant en question de ce fait la solidité 1 Voir https://www.whatsapp.com/security/WhatsApp-Security-Whitepaper. pdf 2 Cette courbe 25519 s’exprime par y2 = x3 + 486662x2 + x qui repose sur le nombre entier 25519 égal à 2255 -19.