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IMEN ARFAOUI FIBRES OPTIQUES A CŒUR CREUX COMME ÉLÉMENTS SÉLECTIFS ET COMPENSAT

IMEN ARFAOUI FIBRES OPTIQUES A CŒUR CREUX COMME ÉLÉMENTS SÉLECTIFS ET COMPENSATEURS DE DISPERSION POUR LES SYSTÈMES DE COMMUNICATION MULTILONGUEURS D'ONDE Thèse présentée à la faculté des études supérieures de l'Université Laval dans le cadre du programme de doctorat en génie électrique pour l'obtention du grade de Philosophiae Doctor (Ph.D.) Département de génie électrique et de génie informatique FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC 2006 Imen Arfaoui, 2006 RÉSUMÉ Cette thèse présente une étude des fibres optiques à cœur creux, nommées aussi capillaires, dans le but de caractériser ce nouveau type de fibres creuses et de réaliser des éléments sélectifs pour une application au niveau de la compensation de la dispersion chromatique dans les systèmes de communication multi-longueurs d'onde. Nous avons concentré nos travaux de recherche sur la caractérisation, la modélisation, la conception et la réalisation de compensateurs de dispersion chromatique ainsi que des filtres Fabry-Perot pour les réseaux optiques à base de fibres monomodes. Un système analogue de guides plans ARROW à base de pellicules en nitrocellulose et d'étalons en silice a été expérimenté pour comparer le degré d'efficacité des deux systèmes au niveau de la compensation de la dispersion chromatique et des applications possibles avec ces deux systèmes. Les applications de nos FCCE sont multiples, allant du simple filtre optique FP au compensateur de dispersion chromatique. RÉSUMÉ L'évolution rapide des nouvelles technologies dans le domaine des télécommunications a tendance à créer de jour en jour de nouveaux besoins et de nouveaux défis et de fertiliser de plus en plus les esprits créateurs pour enrichir le domaine des communications par fibres optiques en inventant et en améliorant les réseaux existants. De nos jours, la fibre optique présente des pertes inférieures à 0.2 dB/km à 1550 nm. Néanmoins plusieurs effets indésirables subsistent lors des transmissions par fibres optiques. Dans ce cadre, nous avons concentré nos travaux de recherche sur la caractérisation, la modélisation, la conception et la réalisation de compensateurs de dispersion chromatique ainsi que des filtres Fabry-Perot pour les réseaux optiques à base de fibres monomodes. Nos recherches se sont penchées sur de nouveaux types de guides cylindriques à cœur creux à base de capillaires en silice ainsi que des guides plans à cœur creux à base de pellicules en nitrocellulose et d'étalons de silice. Ce genre de fibre creuse se comportant comme un guide à perte peut aussi jouer le rôle d'un résonateur Fabry-Perot. Ainsi, grâce à ses propriétés Fabry-Perot, on a pu exploiter et étudier la compensation de la dispersion chromatique à large bande. Les fibres à cœur creux proposées ont montré les fonctions attendues et ciblées dans cette thèse. De futures recherches devraient mener à l'amélioration de la compensation de la dispersion ainsi que l'expérimentation de la partie couplage entre une fibre à cœur creux et une fibre monomode. REMERCIEMENTS Une thèse de doctorat est un travail intensif, exigeant et rigoureux qui renforce notre savoir et nous aide à acquérir une méthodologie cohérente dans le but de mener à bout des idées innovatrices et de les concrétiser pour réaliser un projet final. Une thèse de doctorat est un travail méthodique et appliqué, c'est le défi de surmonter les difficultés de chaque étape du projet et de résoudre les différents types de problèmes qu'on croise le long de ce voyage scientifique. Cependant, c'est aussi la réalisation d'un rêve ; le nôtre et celui de nos proches, et c'est l'unique opportunité pendant laquelle on peut toucher à tous les sujets avant de se spécialiser dans un domaine précis. Le long de cette thèse, on vit la chance de partager ce qu'on a appris avec les membres de notre groupe de recherche et de comprendre que sans ces personnes, un projet de doctorat ne peut se réaliser d'une manière isolée loin de ces gens là et de leur aide judicieuse et continue. Tous les travaux effectués dans cette thèse ont été réalisés au sein des laboratoires du Centre d'Optique Photonique et Laser du département de génie électrique et de génie informatique de l'Université Laval, dont je remercie les membres. J'exprime ma plus profonde reconnaissance au docteur Michel A. Duguay pour avoir dirigé mes travaux et m'avoir permis de travailler sur un sujet aussi passionnant, et surtout, pour m'avoir transmis sa passion et son enthousiasme sur les guides à cœur creux. Sans son aide et ses idées innovatrices, les découvertes réalisées dans cette thèse n'auraient pas été iv possibles. Le docteur Duguay a toujours cru en mes travaux et m'a souvent encouragée à poursuivre, pendant des moments difficiles de ma vie, pour mener à terme ce doctorat. J'exprime ma gratitude à mes collègues de l'équipe de recherche du docteur Duguay. En effet, le long de mon séjour au COPL, j'ai rencontré des personnes exceptionnelles que je tiens à remercier pour leur encouragement, leur aide judicieuse et leur patience : Charles Lavoie, Bertrand Morasse, Etienne Grondin, Geoffroy Deltel, Pierre Yves Cortès, Majid Naji, Francis Pronovost, etc. Je dis à tout ce monde : merci ! Merci de m'avoir laissée réaliser mes mesures dans l'obscurité du laboratoire sans se plaindre, merci pour vos idées et merci pour votre présence agréable... Je tiens à remercier le docteur Michel Piché, professeur au COPL du département de physique de l'Université Laval, pour m'avoir prêté son laser accordable à colorant et de m'avoir laissée librement expérimenter dans ses laboratoires avec son grand sourire et aussi d'avoir accepté d'être membre de mon jury. Je tiens aussi à remercier le docteur Christine Tremblay, professeure au département de génie électrique à l'École de Technologie Supérieure, de m'avoir accueillie chaleureusement dans ses laboratoires et d'avoir accepté de faire partie de mon jury. Je tiens à exprimer ma reconnaissance pour le docteur Çetin Aktik, professeur au département de génie électrique à l'Université de Sherbrooke, d'avoir accepté de faire partie de mon jury. J'exprime ma reconnaissance aussi à nos techniciens du laboratoire : André Ferland, Philippe Chrétien, Martin Blouin et Patrick Larochelle, qui ont su me venir en aide avec beaucoup de rigueur tout en conservant une bonne humeur quotidienne et un sens de l'humour tout a fait appréciable. Je remercie particulièrement André pour m'avoir fait profiter de sa grande culture en matière d'optique, mécanique et chimie. v Malheureusement, je ne peux pas me permettre de remercier toutes les personnes qui m'ont apporté car je réécrirais alors un manuscrit, mais je me permets de citer quelques noms de personnes chères qui m'ont témoigné leur soutien et leur amitié sincère: Essma Chaalane, Imane Belkhrouf, Inhel Rekik, Nizar El Ghali, .... Ce travail est une occasion privilégiée pour moi d'exprimer ma tendresse et mon amour à mes parents et à des proches qui comptent beaucoup dans ma vie. Je remercie mon papa Noureddine pour sa générosité et son sens de l'écoute malgré sa maladie, ma mère Fatma pour sa sincérité, sa gentillesse et ses prières continues pour que je réussisse et que je fonde une famille, ma sœur Ikbel et son mari Fethi pour leur ouverture d'esprit et leur bonté. Mon cher frère Nidhal qui compte énormément pour moi, pour ses encouragements et ses courriels bourrés de cartes. Je termine par ma petite sœur pétillante Ferdawess qui bouillonne d'énergie et avec qui j'ai passé, passe et passerai beaucoup de moments heureux à chaque fois que je rentre au bled. Un remerciement spécial à ma chère grande tante Teber et ma grand-mère Fatma qui ont été toujours présentes pendant mon enfance et qui ont participé à ce que je suis devenue aujourd'hui. La famille est le socle sur lequel tout se bâtit. Ce travail de thèse m'a permis d'acquérir des connaissances scientifiques, notamment grâce à des discussions avec des personnes aussi disponibles que compétentes. Je mets tout particulièrement en avant l'aspect humain des rencontres réalisées dans le cadre de mes activités d'enseignement, de formation et de recherche qui sont à l'origine du plaisir que j'ai eu à réaliser ce travail. Imen Arfaoui Sainte-Foy, 24 Avril 2006 VI TABLE DES MATIÈRES Résumés Remerciements Table des matières v " xi Liste des figures Liste des tableaux Notation Introduction Générale 1 Cadre général 1 Historique et motivation 3 Revue des technologies existantes 7 Composants proposés 15 Objectifs et plan de la thèse 17 Chapitre I : Théorie de base des fibres optiques 1.1 Théorie de la transmission par fibre optique 22 1.1.1 Réflexion et réfraction 23 1.1.2 Fibres diélectriques 26 1.1.3 Fibres à cœur creux 30 1.2 Dispersion 31 1.2.1 Dispersion intermodale 31 1.2.2 Dispersion intramodale 33 1.2.3 Dispersion du matériau 40 1.2.4 Dispersion de guide 42 1.2.5 Dispersion de polarisation 45 1.3 Pertes en transmission dans les fibres optiques 48 1.3.1 Absorption 48 Table des matières viii 1.3.2 Pertes par diffusion 50 1.3.3 Atténuation 54 Chapitre II : Théorie de base des guides à cœur creux 2.1 Historique 56 2.2 Théorie de la propagation dans les GCC 60 2.2.1 Transmission dans les guides cylindriques à cœur creux 65 2.2.2 Équation d'onde pour un GCCC droit 66 2.2.3 Méthode des rayons pour les GCCC droits 68 2.3 Atténuation dans les GCCC courbés 69 2.4 Couplage uploads/Ingenierie_Lourd/ imen-arfaoui-2006.pdf