Description du sujet de thèse

Dynamiques non-linéaires dans les résonateurs en fibres optiques de type Fabry-Perot

Contexte de travail

Cette thèse sera effectuée au Laboratoire ICB dans l'équipe safir sous la direction de Julien Fatome et Erwan Lucas. Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet de recherche financé par l’ANR (Projet Comby) et dans le cadre d’un projet IRP financé par le CNRS : projet WALL-IN mené en collaboration entre le laboratoire ICB et l’Université d’Auckland (NZ).
Il porte sur l’étude des dynamiques non-linéaires dans des cavités fibrées Fabry-Pérot multi-composantes (vectorielles ou légèrement multimodes).

Contexte scientifique: Une part importante de la recherche mondiale en photonique se focalise sur le développement de nouvelles sources laser large-bande et à haute cohérence, appelées peignes de fréquences. Ces sources de lumières, qualifiées également de règles fréquentielles optiques sont à l’origine d’avancées majeures dans de nombreux domaines scientifiques tels que la spectroscopie, l’astronomie, la métrologie ou les télécommunications. La recherche sur les peignes de fréquences s’est très fortement accélérée depuis une dizaine d’années grâce à l’exploitation de l’optique non-linéaire au sein de résonateurs optiques et en particulier la mise en évidence de structures temporelles dissipatives ultra-robustes : les solitons de cavité. L’émergence de ces solitons est rendue possible grâce à un double équilibre physique alliant pertes et pompage cohérent d’une part ainsi que dispersion chromatique et non-linéarité d’autre part. Pour cette dernière raison, les solitons de cavité ne sont observables que dans des matériaux pour lesquels la dispersion du guide est dite anormale à la longueur d’onde de pompe. Or, de nombreux matériaux possèdent une dispersion opposée dans des régions spectrales importantes pour la spectroscopie ou les télécommunications. Par conséquent, la génération de peignes de fréquences au sein de ces matériaux ou de ces fenêtres spectrales est rendue intrinsèquement plus complexe. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce sujet de thèse. Nous proposons plusieurs avancées technologiques basées sur l’émergence de structures temporelles ultra-courtes dans des résonateurs non-linéaires via l’exploitation d’un phénomène de brisure de symétrie en polarisation. Le contrôle de ces structures permettra alors la génération de peignes de fréquences dans des matériaux et à des longueurs d’ondes jusque-là inaccessibles.

La première partie de cette thèse aura pour objectif d’étudier le caractère vectoriel de la lumière dans des résonateurs macroscopiques constitués de fibre optique à dispersion normale. Nous montrerons alors que les interactions non-linéaires en polarisations croisées permettent la génération de structures temporelles ultrabrèves, appelées platicons vectoriels et faticons. Dans un second temps, nous réduirons la taille de ces résonateurs d'au moins deux ordres de grandeur grâce à des cavités Fabry-Pérot de (1-10 cm), avant de les tester au sein de microrésonateurs intégrés fournis par différents collaborateurs. Notre troisième objectif consistera à réduire les seuils de puissance des régimes de fonctionnement décrits précédemment en introduisant un milieu à gain à l'intérieur des cavités fibrées. Finalement, en complément des effets non-linéaires en polarisation, ce projet de thèse étudiera la possibilité de généraliser ces phénomènes dans des cavités fibrées faiblement multimodes.

Références :
B. Garbin, J. Fatome et al. “Dissipative polarization domain walls in a passive driven Kerr resonator, Phys. Rev. Lett. 126, 023904 (2021).
G. Xu,…, J. Fatome et al. “Spontaneous symmetry breaking of dissipative optical solitons in a two-component Kerr resonator,” Nat. Commun. 12, 4023 (2021).
N. Englebert,…, and J. Fatome. “Bloch oscillations of coherently driven dissipative solitons in a synthetic dimension,” Nat. Phys. 19, 1014 (2023).
S. Coen,… and J. Fatome. “Nonlinear topological symmetry protection in a dissipative system,” Nat Commun 15, 1398 (2024).
E. Lucas,…, and J. Fatome. “Polarization faticons: Chiral localized structures in self-defocusing Kerr resonators,” arXiv:2412.05116 (2025).

Connaissances et compétences requises : Le ou la candidate devra être titulaire d’un Master 2 en physique ou équivalent. De solides connaissances en optique non-linéaire et dans le domaine des fibres optiques sont requises. De bonnes connaissances en simulations numériques (Matlab de préférence) sont également nécessaires ainsi qu’un bon niveau d’anglais : publications scientifiques et conférences seront en langue anglaise. Rigueur scientifique, autonomie et curiosité intellectuelle sont essentielles à la réussite de ce projet.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.