Adaptive Kerr-assisted transverse mode selection in multimode fibers

Multimode optical fibers (MMFs) have recently regained interest because of the degrees of freedom associated with their different eigenmodes. In the nonlinear propagation regime in particular, new phenomena have been unveiled in graded-index (GRIN) MMFs such as geometric parametric instabilities and Kerr beam self-cleaning [1, 2]. The speckled pattern observed at the output of the MMF at low powers, is transformed at high powers into a bell-shaped beam close to the fundamental mode. Recent work has also demonstrated that Kerr beam self-cleaning can lead to a low-order spatial mode, different from a bell-shape, by adjusting the laser beam in-coupling conditions [3]. An attractive way to systematically control the spatial excitation conditions at the fiber input is provided by the use of a spatial light modulator (SLM) which permits to profile the beam wavefront entering the MMF. In most cases, experiments involving adaptive optics consider linear propagation through scattering plates or MMFs [4]. So far, few works have dealt with the nonlinear propagation regime[5, 6]

Spatio-temporal reshaping in multimode fibers

Multimode fibers received recently a renewed interest because of the ability to control the multimode propagation and to select, at the output, a quasi-single mode supporting the main part of the energy. In this paper we present results on spatial Kerr-beam self-cleaning in multimode optical fiber. We show how a speckled beam obtained because of multimode propagation can be transformed into a quasi-single-mode emission under the effect of the peak power increas

Optique adaptative et non linéaire pour le contrôle spatial de la propagation dans une fibre multimodale

Over the last decade, multimodal fibers have received renewed interest in the scientific community, largely due to the possibility of increasing the bandwidth of optical links using new spatial multiplexing techniques. This is not the only area of application ; so many adaptive optics techniques were developed to control the usually speckled beam profile at the output of multimode fibers. These wavefront shaping techniques have demonstrated their efficiency with light radiation propagating in linear regime generally, in particular for fiber-based imaging applications. At the same time, the Kerr beam self-cleaning phenomenon was recently observed in parabolic graded-index multimode fibers (GRIN). It leads to a progressive transfer of energy from the different propagated modes to the fundamental mode along the fiber. The higher the number of guided modes of the fiber, the more complex the nonlinear interactions are. This PhD work is at the crossroads of these two themes by using beam shaping techniques to control themodal propagation in GRIN fibers in the Kerr beam self-cleaning regime. I developed an adaptive optimization device including a deformable mirror to shape the wavefront of the laser beam launched into a 52μm core diameter GRIN fiber and a camera-based system at the output of the multimode fiber providing an objective function to be minimized. First, the parameters of the injection system, the optimization algorithm and the objective function were optimized to ensure a fast convergence of the propagated field profile towards the targeted mode. This device allowed to study the active control of the Kerr beam self-cleaning phenomenon in order to synthetize other modes than the fundamental one. Thus, in this nonlinear regime, I demonstrated the synthesis of six low order modes, besides the fundamental one, at the output of the GRIN fiber. The Kerr effect assists the optimization process to get output intensity pictures closely resembling the pattern of the target mode, which is impossible to obtain in a linear propagation regime under the same conditions. The study of the dynamics of modal synthesis assisted by Kerr beam self-cleaning has highlighted the different power thresholds required for the synthesis of the target modes. The influence of wavefront shaping on the modal population thermalization was numerically studied. This study shows the impact of modal groups in the energy exchange process, which makes modal synthesis robust, especially to the variations of the initial conditions. Finally, it showed that wavefront shaping enables the regulation of the modal population thermalization speed.Cette dernière décade, les fibres multimodales ont eu un regain d’intérêt dans la communauté scientifique, lié en grande partie à la possibilité d’augmenter la bande passante de liaisons optiques par les nouvelles techniques de multiplexage spatial. Ce n’est pas le seul domaine d’application, aussi nombre de techniques d’optique adaptative ont été développées pour contrôler le profil de champ, généralement tavelé, en sortie de fibre multimodale. Ces techniques, de pré-compensation de front d’onde, ont démontré leur efficacité avec des rayonnements se propageant en régime linéaire en général, pour par exemple faire de l’imagerie déportée par fibre. Dans le même temps, le phénomène d’autonettoyage par effet Kerr a récemment été observé dans des fibres multimodales à gradient d’indice parabolique (GRIN). Il conduit, au cours de la propagation dans la fibre, à un transfert progressif de l’énergie des modes propagés vers le mode fondamental, les interactions non linéaires en jeu étant d’autant plus complexes que le nombre de modes guidés est important. Ces travaux de thèse sont à la conjonction de ces deux thématiques, en appliquant ces techniques de contrôle spatial de la propagation modale au régime d’autonettoyage par effet Kerr, dans des fibres GRIN. Un dispositif d’optimisation adaptative a été développé, intégrant un modulateur spatial de lumière (miroir déformable) pour structurer le front d’onde du faisceau incident à une fibre GRIN de 52 μm de diamètre de cœur, et des caméras en sortie avec lesquelles une fonction objectif a été définie. Dans un premier temps, les paramètres du système d’injection, de l’algorithme d’optimisation et de la fonction objectif ont été optimisés pour assurer une convergence rapide du profil de champ propagé vers celui ciblé. Ce dispositif a permis d’étudier le phénomène d’autonettoyage par effet Kerr en l’appliquant à la synthèse d’autres modes que le fondamental. Ainsi, 6 modes d’ordre bas, en plus du mode fondamental, ont pu être synthétisés par ce dispositif d’optique adaptative en sortie de fibre GRIN. L’effet Kerr assiste le processus d’optimisation pour converger vers un champ avec une excellente correspondance avec le mode ciblé, impossible à obtenir en régime de propagation linéaire dans les mêmes conditions. L’étude de la dynamique de la synthèse modale assistée par autonettoyage Kerr a mis en évidence les différentes puissances seuils nécessaires à la synthèse des modes ciblés. L’influence de la pré-compensation de front d’onde sur le phénomène de thermalisation de la population modale a été étudiée numériquement. Cette étude montre l’importance des groupes modaux dans le processus d’échange d’énergie, qui rendent la synthèse modale robuste, notamment aux variations des conditions initiales. Enfin, elle a montré que la pré-structuration de front d’onde permet de réguler la vitesse de la thermalisation de la population modale

Adaptive and nonlinear optics for the spatial control of propagation in a multimode fiber

Cette dernière décade, les fibres multimodales ont eu un regain d’intérêt dans la communauté scientifique, lié en grande partie à la possibilité d’augmenter la bande passante de liaisons optiques par les nouvelles techniques de multiplexage spatial. Ce n’est pas le seul domaine d’application, aussi nombre de techniques d’optique adaptative ont été développées pour contrôler le profil de champ, généralement tavelé, en sortie de fibre multimodale. Ces techniques, de pré-compensation de front d’onde, ont démontré leur efficacité avec des rayonnements se propageant en régime linéaire en général, pour par exemple faire de l’imagerie déportée par fibre. Dans le même temps, le phénomène d’autonettoyage par effet Kerr a récemment été observé dans des fibres multimodales à gradient d’indice parabolique (GRIN). Il conduit, au cours de la propagation dans la fibre, à un transfert progressif de l’énergie des modes propagés vers le mode fondamental, les interactions non linéaires en jeu étant d’autant plus complexes que le nombre de modes guidés est important. Ces travaux de thèse sont à la conjonction de ces deux thématiques, en appliquant ces techniques de contrôle spatial de la propagation modale au régime d’autonettoyage par effet Kerr, dans des fibres GRIN. Un dispositif d’optimisation adaptative a été développé, intégrant un modulateur spatial de lumière (miroir déformable) pour structurer le front d’onde du faisceau incident à une fibre GRIN de 52 μm de diamètre de cœur, et des caméras en sortie avec lesquelles une fonction objectif a été définie. Dans un premier temps, les paramètres du système d’injection, de l’algorithme d’optimisation et de la fonction objectif ont été optimisés pour assurer une convergence rapide du profil de champ propagé vers celui ciblé. Ce dispositif a permis d’étudier le phénomène d’autonettoyage par effet Kerr en l’appliquant à la synthèse d’autres modes que le fondamental. Ainsi, 6 modes d’ordre bas, en plus du mode fondamental, ont pu être synthétisés par ce dispositif d’optique adaptative en sortie de fibre GRIN. L’effet Kerr assiste le processus d’optimisation pour converger vers un champ avec une excellente correspondance avec le mode ciblé, impossible à obtenir en régime de propagation linéaire dans les mêmes conditions. L’étude de la dynamique de la synthèse modale assistée par autonettoyage Kerr a mis en évidence les différentes puissances seuils nécessaires à la synthèse des modes ciblés. L’influence de la pré-compensation de front d’onde sur le phénomène de thermalisation de la population modale a été étudiée numériquement. Cette étude montre l’importance des groupes modaux dans le processus d’échange d’énergie, qui rendent la synthèse modale robuste, notamment aux variations des conditions initiales. Enfin, elle a montré que la pré-structuration de front d’onde permet de réguler la vitesse de la thermalisation de la population modale.Over the last decade, multimodal fibers have received renewed interest in the scientific community, largely due to the possibility of increasing the bandwidth of optical links using new spatial multiplexing techniques. This is not the only area of application ; so many adaptive optics techniques were developed to control the usually speckled beam profile at the output of multimode fibers. These wavefront shaping techniques have demonstrated their efficiency with light radiation propagating in linear regime generally, in particular for fiber-based imaging applications. At the same time, the Kerr beam self-cleaning phenomenon was recently observed in parabolic graded-index multimode fibers (GRIN). It leads to a progressive transfer of energy from the different propagated modes to the fundamental mode along the fiber. The higher the number of guided modes of the fiber, the more complex the nonlinear interactions are. This PhD work is at the crossroads of these two themes by using beam shaping techniques to control themodal propagation in GRIN fibers in the Kerr beam self-cleaning regime. I developed an adaptive optimization device including a deformable mirror to shape the wavefront of the laser beam launched into a 52μm core diameter GRIN fiber and a camera-based system at the output of the multimode fiber providing an objective function to be minimized. First, the parameters of the injection system, the optimization algorithm and the objective function were optimized to ensure a fast convergence of the propagated field profile towards the targeted mode. This device allowed to study the active control of the Kerr beam self-cleaning phenomenon in order to synthetize other modes than the fundamental one. Thus, in this nonlinear regime, I demonstrated the synthesis of six low order modes, besides the fundamental one, at the output of the GRIN fiber. The Kerr effect assists the optimization process to get output intensity pictures closely resembling the pattern of the target mode, which is impossible to obtain in a linear propagation regime under the same conditions. The study of the dynamics of modal synthesis assisted by Kerr beam self-cleaning has highlighted the different power thresholds required for the synthesis of the target modes. The influence of wavefront shaping on the modal population thermalization was numerically studied. This study shows the impact of modal groups in the energy exchange process, which makes modal synthesis robust, especially to the variations of the initial conditions. Finally, it showed that wavefront shaping enables the regulation of the modal population thermalization speed

Optique adaptative et non linéaire pour le contrôle spatial de la propagation dans une fibre multimodale

Over the last decade, multimodal fibers have received renewed interest in the scientific community, largely due to the possibility of increasing the bandwidth of optical links using new spatial multiplexing techniques. This is not the only area of application ; so many adaptive optics techniques were developed to control the usually speckled beam profile at the output of multimode fibers. These wavefront shaping techniques have demonstrated their efficiency with light radiation propagating in linear regime generally, in particular for fiber-based imaging applications. At the same time, the Kerr beam self-cleaning phenomenon was recently observed in parabolic graded-index multimode fibers (GRIN). It leads to a progressive transfer of energy from the different propagated modes to the fundamental mode along the fiber. The higher the number of guided modes of the fiber, the more complex the nonlinear interactions are. This PhD work is at the crossroads of these two themes by using beam shaping techniques to control themodal propagation in GRIN fibers in the Kerr beam self-cleaning regime. I developed an adaptive optimization device including a deformable mirror to shape the wavefront of the laser beam launched into a 52μm core diameter GRIN fiber and a camera-based system at the output of the multimode fiber providing an objective function to be minimized. First, the parameters of the injection system, the optimization algorithm and the objective function were optimized to ensure a fast convergence of the propagated field profile towards the targeted mode. This device allowed to study the active control of the Kerr beam self-cleaning phenomenon in order to synthetize other modes than the fundamental one. Thus, in this nonlinear regime, I demonstrated the synthesis of six low order modes, besides the fundamental one, at the output of the GRIN fiber. The Kerr effect assists the optimization process to get output intensity pictures closely resembling the pattern of the target mode, which is impossible to obtain in a linear propagation regime under the same conditions. The study of the dynamics of modal synthesis assisted by Kerr beam self-cleaning has highlighted the different power thresholds required for the synthesis of the target modes. The influence of wavefront shaping on the modal population thermalization was numerically studied. This study shows the impact of modal groups in the energy exchange process, which makes modal synthesis robust, especially to the variations of the initial conditions. Finally, it showed that wavefront shaping enables the regulation of the modal population thermalization speed.Cette dernière décade, les fibres multimodales ont eu un regain d’intérêt dans la communauté scientifique, lié en grande partie à la possibilité d’augmenter la bande passante de liaisons optiques par les nouvelles techniques de multiplexage spatial. Ce n’est pas le seul domaine d’application, aussi nombre de techniques d’optique adaptative ont été développées pour contrôler le profil de champ, généralement tavelé, en sortie de fibre multimodale. Ces techniques, de pré-compensation de front d’onde, ont démontré leur efficacité avec des rayonnements se propageant en régime linéaire en général, pour par exemple faire de l’imagerie déportée par fibre. Dans le même temps, le phénomène d’autonettoyage par effet Kerr a récemment été observé dans des fibres multimodales à gradient d’indice parabolique (GRIN). Il conduit, au cours de la propagation dans la fibre, à un transfert progressif de l’énergie des modes propagés vers le mode fondamental, les interactions non linéaires en jeu étant d’autant plus complexes que le nombre de modes guidés est important. Ces travaux de thèse sont à la conjonction de ces deux thématiques, en appliquant ces techniques de contrôle spatial de la propagation modale au régime d’autonettoyage par effet Kerr, dans des fibres GRIN. Un dispositif d’optimisation adaptative a été développé, intégrant un modulateur spatial de lumière (miroir déformable) pour structurer le front d’onde du faisceau incident à une fibre GRIN de 52 μm de diamètre de cœur, et des caméras en sortie avec lesquelles une fonction objectif a été définie. Dans un premier temps, les paramètres du système d’injection, de l’algorithme d’optimisation et de la fonction objectif ont été optimisés pour assurer une convergence rapide du profil de champ propagé vers celui ciblé. Ce dispositif a permis d’étudier le phénomène d’autonettoyage par effet Kerr en l’appliquant à la synthèse d’autres modes que le fondamental. Ainsi, 6 modes d’ordre bas, en plus du mode fondamental, ont pu être synthétisés par ce dispositif d’optique adaptative en sortie de fibre GRIN. L’effet Kerr assiste le processus d’optimisation pour converger vers un champ avec une excellente correspondance avec le mode ciblé, impossible à obtenir en régime de propagation linéaire dans les mêmes conditions. L’étude de la dynamique de la synthèse modale assistée par autonettoyage Kerr a mis en évidence les différentes puissances seuils nécessaires à la synthèse des modes ciblés. L’influence de la pré-compensation de front d’onde sur le phénomène de thermalisation de la population modale a été étudiée numériquement. Cette étude montre l’importance des groupes modaux dans le processus d’échange d’énergie, qui rendent la synthèse modale robuste, notamment aux variations des conditions initiales. Enfin, elle a montré que la pré-structuration de front d’onde permet de réguler la vitesse de la thermalisation de la population modale

Nonlinear modal control by Kerr beam self-cleaning and wavefront shaping in graded-index multimode fiber

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Multidimensional Shaping of Spatiotemporal Waves in Multimode Nonlinear Fibers

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Multidimensional Shaping of SpatiotemporalWaves in Multimode Nonlinear Fibers (invited)

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Nonlinear Dynamics in multimode fibers

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