File 20171016 31002 uxbdue.jpg?ixlib=rb 1.1

Et soudain, le barrage se rompit, laissant jaillir les grains de lumière…

Exemple d'effet nonlinéaire qui peut être observé dans une fibre optique. L'ensemble des couleurs de l'arc en ciel est généré en sortie alors qu'une seule couleur est présente à l'entrée. On parle de supercontinuum. Auteur, Author provided

Et soudain, le barrage se rompit, laissant jaillir les grains de lumière…

Des physiciens de l’Université de Lille, en collaboration avec l’Université de Ferrara en Italie, ont fait entrer une rivière dans un laboratoire d’optique… Ils viennent ainsi d’observer la rupture d’un barrage de photons dans une fibre optique, un phénomène directement comparable avec la rupture d’un barrage posé sur le lit d’une rivière.

Nous et nos collègues avons tiré profit de l’analogie existant entre la propagation de vagues dans les rivières et la propagation d’impulsions lumineuses dans les fibres optiques pour étudier en détail la formation de la déferlante qui suit immédiatement la rupture d’un barrage sur une rivière. Et ce, confortablement installés dans notre laboratoire d’optique sans courir aucun risque.

Des gouttes d’eau dans une fibre optique ?

C’est plus qu’une analogie : dans certaines conditions, les équations qui régissent la propagation de ces ondes sont rigoureusement identiques pour chacun de ces milieux. Il est alors vraiment surprenant de constater que le comportement de ces deux systèmes physiques, a priori complètement différents, soit identique. Plus précisément, nous avons montré que les minuscules gouttes d’eau prises au piège derrière le barrage se comportent comme les grains de lumière – les photons – d’un faisceau laser lorsqu’ils se propagent dans une fibre optique. On peut souligner que cette analogie avait été notamment mise à profit il y a déjà plus de dix ans pour étudier la formation de vagues scélérates.

La situation que nous avons étudiée est complètement différente. Il s’agit d’un barrage posé sur le lit d’une rivière qui se brise brutalement (rien à voir avec une vague scélérate). Afin de mimer la rupture d’un barrage dans une fibre optique, les physiciens français et italiens ont injecté dans une fibre un faisceau laser dont la variation d’intensité lumineuse dans le temps correspond à la différence de niveau d’eau située en amont et en aval du barrage.

Pour ce faire, on force le laser à émettre une bouffée de lumière en forme de marche d’escalier, le niveau des marches correspondant à la luminosité du laser. Une première marche, de très faible intensité suivie d’une seconde de très forte intensité lumineuse. Les niveaux d’intensité lumineuse s’apparentent alors aux niveaux d’eau dans la rivière. Il est important de souligner que pour que la correspondance soit valable, il est primordial que la transition soit extrêmement rapide entre ces deux marches d’escalier : usuellement de 20 picosecondes, soit 20 milliardièmes de millisecondes, ce qui rend ces expériences très délicates tant pour la génération des signaux que pour leur caractérisation. Des dispositifs ultra-performants sont nécessaires pour atteindre ce niveau de précision.

Impulsions en marche d’escalier

Lors de sa propagation dans la fibre optique, l’allure temporelle de l’impulsion laser, initialement en marche d’escalier, se modifie car, d’une part, de nouvelles couleurs sont générées, et d’autre part, ces couleurs ne voyagent pas à la même vitesse. La transition brutale entre ces deux marches d’escalier évolue alors progressivement et inextricablement vers une transition plus douce. Le barrage est rompu ! La déferlante se traduit par la génération d’une onde de choc et de raréfaction qui connecte les deux marches d’escalier.

Ces deux ondes assurent la transition entre les deux niveaux d’intensité dans le cadre du laser, ou les deux niveaux d’eau dans le cadre d’un barrage sur une rivière. Soulignons, c’est important, que l’ensemble des observations expérimentales a été validé par des simulations numériques. Cela permet de confirmer que l’équation utilisée décrit précisément le phénomène et donc de renforcer la rigueur de l’analogie.

La principale différence réside dans le fait qu’en optique, l’évolution se fait le long de la fibre, alors que dans le cas d’une rivière, le paramètre d’évolution est le temps. Ainsi, pour suivre la formation de la vague suite à la rupture d’un barrage, il convient d’enregistrer l’allure temporelle du laser pour différentes longueurs de fibres, comme le montre la figure ci-dessous.

Brisure d’un barrage d’après des simulations numériques sur une rivière/dans une fibre optique. auteur

Contrairement à la rupture d’un barrage sur une rivière, l’expérience réalisée dans un laboratoire d’optique est sans risque, peut-être répétée et l’ensemble des paramètres finement ajustés. Il est en effet très facile de changer la puissance du laser, sa couleur ou alors le type de fibre optique. Ainsi, il est possible de balayer une large gamme de paramètres pour aboutir à une compréhension fine du phénomène (nous avons profité de la centrale FiberTech Lille du laboratoire PHLAM, basée à l’IRCICA pour développer et fabriquer des fibres optiques optimisées pour cette expérience).

Équipements de la centrale de fabrication de fibres optiques Fibertech Lille. Auteur

Démarche scientifique et perspectives

De par l’analogie formelle existant entre ces deux domaines, l’ensemble des conclusions et interprétations peut être transposé au cas de la rupture d’un barrage sur une rivière. Ces travaux constituent la première observation expérimentale de prévisions théoriques faites par le mathématicien G.B. Whitham il y a plusieurs dizaines d’années et le système expérimental mis en œuvre permettra d’étudier un problème plus général, posé par le célèbre mathématicien Riemann au XIXe siècle.

Enfin, ces travaux de recherche illustrent la démarche que suivent les physiciens au quotidien. Ils développent des modèles les plus universels possible pour parvenir à décrire et à prédire ce que l’on observe dans la nature, et ce, en collaborant avec des experts venant de différents pays. Nos travaux viennent d’être publiés dans la revue Physical Review Letters et mis en avant par son équipe éditoriale dans la rubrique « Editor’s Pick ».