FR3095703A1 - Dispositif de couplage pour fibres optiques à coeur creux à couplage inhibé - Google Patents
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Abstract
Dispositif de couplage (1, 10, 50, 100, 500, 1000) pour fibre optique comprenant deux fibres (2, 3) à cœurs creux à couplage inhibé présentant des parois de cœur à courbure négative, un profil de fuite donné et possédant chacune une gaine microstructurée (4) avec une structure donnée et comprenant un coupleur (7), ledit dispositif étant caractérisé en ce que : - la structure de chacune des gaines microstructurées (4) des deux fibres (2, 3) à cœurs creux à couplage inhibé est composée d’un unique motif tubulaire, réparti en un seul anneau, un premier motif tubulaire de rayon maximal transverse Rm1 associé à une première fibre à cœur creux et un deuxième motif tubulaire de rayon maximal transverse Rm2 associé à une deuxième fibre à cœur creux; - les gaines microstructurées (4) des deux fibres dans le coupleur sont espacés d’une distance (40), appelée distance de rapprochement, inférieure à Rm1 +Rm2; - les deux fibres (2, 3) dans le coupleur (7) possèdent des orientations azimutales (ϕ2, ϕ3) adaptées pour maximiser le recouvrement des profils de fuite des deux fibres (2, 3) dans le coupleur (7). et procédé de fabrication (20) d’un dispositif de couplage. Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
L’invention relève du domaine des fibres optiques à cœur creux et des gyromètres à fibres optiques résonants.
Ces gyromètres, appelés R-FOG, sont constitués d’une fibre optique rebouclée par un coupleur afin de constituer un résonateur optique. Actuellement, la grande majorité des R-FOG utilisent des fibres optiques conventionnelles en silice à cœur solide. Cependant, les effets thermiques et non linéaires de ces fibres conventionnelles limitent considérablement la performance des gyromètres R-FOG.
Nous rappelons brièvement ci-après le principe d’un coupleur à fibre optique standard composé de deux fibres optiques à cœur solide à symétrie circulaire (fibre monomode de cœur d’indice n1et de gaine d’indice n2). Le rayonnement se propageant dans une fibre à cœur plein produit une onde évanescente à la réflexion totale interne à l’interface entre le cœur et la gaine optique. En rapprochant les cœurs des deux fibres par diverses techniques (polissage par exemple), les gaines optiques des deux fibres se recouvrent et une partie de la lumière propagée dans une première fibre optique se propage dans une deuxième fibre optique. On obtient un dispositif à 4 ports à savoir les 4 extrémités des deux fibres optiques couplées. Dans ce cas de figure, les caractéristiques du coupleur, déterminées par la matrice de transfert entre les ports, ne dépendent pas de l’état de polarisation de la lumière et de l’agencement radial de la zone de couplage.
Dans un coupleur à fibre optique à cœur solide monomode à maintien de polarisation, on introduit des contraintes dans une direction donnée de façon à créer une biréfringence dans le cœur. Dans ce cas, les caractéristiques du coupleur dépendent de l’état de polarisation et de l’agencement radial dans la zone de couplage. Des techniques ont été développées pour maîtriser l’alignement respectif des directions de contrainte de chaque fibre lors de l’opération de rapprochement des cœurs.
Afin de lever les limitations de performance du R-FOG dues à l’utilisation de fibres optiques conventionnelles, des travaux de recherche sont menés depuis plusieurs années sur les R-FOG à fibre creuse et plus particulièrement les fibres à guidage à bande interdite (HC-PCF-PBG pour Hollow-Core ; Photonic-Cristal-Fiber ; Photonic BandGap en anglais). Ce type de fibre possède de nombreux avantages pour une utilisation dans des R-FOG : elles présentent de faibles pertes, il est possible de maintenir un état de polarisation dans un anneau résonant, ou d’extraire d’un anneau résonant un état de polarisation. Cependant, il n’existe actuellement pas de coupleur dont la performance soit comparable à celle des coupleurs utilisant des fibres solides conventionnelles.
Des coupleurs de fibre à bande interdite HC-PCF-PBG sont à l’étude (voir Xu, Z.et al.,Design of single-polarization coupler based on dual-core photonic band-gap fiber implied in resonant fiber optic gyro. Optics Communications, 380, 302-309, (2016)). Cependant, leur réalisation est extrêmement complexe en raison même du principe de guidage. En effet le guidage dans les fibres PCF-PBG est provoqué par l’existence de bandes interdites photoniques créées par la périodicité de la structure de la gaine microstructurée. Ici, le guidage est réalisé dans un défaut de périodicité (le cœur) qui est d’indice n1inférieur à celui de la gaine. Les fibres HC-PCF-PBG possèdent des cœurs creux (section transverse d’air, indice n1=1). Ce guidage est donc différent de celui des fibres à gaines microstructurées PCF « classiques » où le guidage et le confinement de la lumière dans le cœur est provoqué par la réflexion totale interne entre le cœur d’indice n1et la gaine microstructurée possédant un indice moyen n2effinférieur à n1.
Ainsi, réaliser un coupleur utilisant des fibres PCF-PBG (HC ou non) suppose de travailler la gaine microstructurée de façon à supprimer une section sans altérer l’intégrité physique de la gaine ni ses propriétés optiques. Le but étant de rapprocher les cœurs à une distance de l’ordre de la longueur d’onde (~1 micron) pour recouvrir le champ évanescent des deux modes du cœur des deux fibres creuses à coupler. Concrètement, il est très difficile de modifier la structure de la gaine microstructurée de manière à rapprocher suffisamment les deux cœurs, sans trop impacter la qualité de la fibre et le confinement par PBG.
Ainsi, réaliser un coupleur utilisant des fibres PCF-PBG (HC ou non) suppose de travailler la gaine microstructurée de façon à supprimer une section sans altérer l’intégrité physique de la gaine ni ses propriétés optiques. Le but étant de rapprocher les cœurs à une distance de l’ordre de la longueur d’onde (~1 micron) pour recouvrir le champ évanescent des deux modes du cœur des deux fibres creuses à coupler. Concrètement, il est très difficile de modifier la structure de la gaine microstructurée de manière à rapprocher suffisamment les deux cœurs, sans trop impacter la qualité de la fibre et le confinement par PBG.
Il est connu un autre type de fibre à cœur creux HC-PCF-IC possédant un principe de guidage différent appelé couplage inhibé IC. Il est connu que ces fibres peuvent être utilisées dans un R-FOG . Les fibres IC peuvent présenter des parois de cœur à courbure négative, offrant une faible atténuation, une capacité à conserver la polarisation, des modes de cœur d’une dimension relativement grande, un chevauchement spatial très faible entre le mode de cœur et la paroi en silice du cœur et une efficacité de couplage dépassant 90% (voir Fsaifes, Ihsan, et al. "A test resonator for Kagome Hollow-core Photonic Crystal Fibers for resonant rotation sensing." Optics Communications 383 (2017): 485-490).
A l’inverse des fibres HC-PCF de type PBG, il n’existe pas de bandes interdites photoniques dans les fibres HC-PBG de type IC. Dans une fibre à cœur creux HC-PCF de type IC, le mode de cœur et le mode de gaine ayant le même indice effectif, la lumière se propageant dans le cœur pourrait donc théoriquement se propager dans la gaine. Cependant, le confinement et le guidage du mode de cœur dans ces fibres est basé sur l’inhibition entre couplage du mode de cœur et du mode de la gaine, cette inhibition étant obtenue par la structure de la gaine microstructurée et celle du contour du coeur. En d’autres termes, le produit scalaire entre le champ électrique du mode de cœur |ϕcoeuret celui du mode de la gaine |ϕgaineest très faible. Le terme de couplage entre ces deux modes peut être réduit en ayant une faible intersection spatiale entre les champs |ϕcoeuret |ϕgaineou par un fort décalage entre la phase spatiale transverse du mode de cœur et celui du mode de la gaine.
L’invention vise à pallier certains des problèmes précités de l’art antérieur.
A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif tel que décrit par les revendications.
L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’un tel dispositif.
A cet effet, un objet de l’invention est un dispositif de couplage pour fibre optique comprenant deux fibres à cœurs creux à couplage inhibé présentant des parois de cœur à courbure négative, un profil de fuite donné et possédant chacune une gaine microstructurée avec une structure donnée et comprenant un coupleur, ledit dispositif étant caractérisé en ce que :
- la structure de chacune des gaines microstructurées des deux fibres à cœurs creux à couplage inhibé est composée d’un unique motif tubulaire, réparti en un seul anneau, un premier motif tubulaire de rayon maximal transverse Rm1associé à une première fibre à cœur creux et un deuxième motif tubulaire de rayon maximal transverse Rm2associé à une deuxième fibre à cœur creux ;
- les gaines microstructurées des deux fibres dans le coupleur sont espacés d’une distance, appelée distance de rapprochement, inférieure à Rm1+Rm2;
- les deux fibres dans le coupleur possèdent des orientations azimutales adaptées pour maximiser le recouvrement des profils de fuite des deux fibres dans le coupleur.
- la structure de chacune des gaines microstructurées des deux fibres à cœurs creux à couplage inhibé est composée d’un unique motif tubulaire, réparti en un seul anneau, un premier motif tubulaire de rayon maximal transverse Rm1associé à une première fibre à cœur creux et un deuxième motif tubulaire de rayon maximal transverse Rm2associé à une deuxième fibre à cœur creux ;
- les gaines microstructurées des deux fibres dans le coupleur sont espacés d’une distance, appelée distance de rapprochement, inférieure à Rm1+Rm2;
- les deux fibres dans le coupleur possèdent des orientations azimutales adaptées pour maximiser le recouvrement des profils de fuite des deux fibres dans le coupleur.
Selon des modes particuliers de l’invention :
- le motif réparti en un seul anneau dans la gaine microstructurée d’au moins une des deux fibres est un tube de forme elliptique, le grand axe des ellipses étant orienté radialement ;
- la gaine microstructurée d’au moins une des deux fibres est de structure « nested », le motif réparti en un seul anneau étant un tube contenant au moins un tube concentrique ;
- les deux fibres à cœurs creux à couplage inhibé possèdent des gaines microstructurées avec une structure composée d’au moins 4 tubes de rayons compris entre 1μm et 100μm, l’épaisseur des tubes étant comprise entre 100nm et 5μm et l’espacement entre les tubes étant compris entre 0,5μm et 10µm ;
- le rayon des cœurs des deux fibres est compris entre 5 µm et 50 µm ;
- la structure des gaines microstructurées des deux fibres est identique ;
- la structure des gaines microstructurées des deux fibres est différente ;
- la structure des gaines microstructurées des deux fibres comporte une cassure de symétrie, les gaines microstructurées présentant chacun un interstice élargi, les orientations azimutales des deux fibres dans le coupleur étant adaptées pour que les interstices élargis des deux gaines microstructurées soient en vis-à-vis dans le coupleur ;
- la dimension du coupleur selon la direction de propagation du rayonnement dans les fibres est supérieure à 1mm et inférieure à 1m ;
- le motif réparti en un seul anneau dans la gaine microstructurée d’au moins une des deux fibres est un tube de forme elliptique, le grand axe des ellipses étant orienté radialement ;
- la gaine microstructurée d’au moins une des deux fibres est de structure « nested », le motif réparti en un seul anneau étant un tube contenant au moins un tube concentrique ;
- les deux fibres à cœurs creux à couplage inhibé possèdent des gaines microstructurées avec une structure composée d’au moins 4 tubes de rayons compris entre 1μm et 100μm, l’épaisseur des tubes étant comprise entre 100nm et 5μm et l’espacement entre les tubes étant compris entre 0,5μm et 10µm ;
- le rayon des cœurs des deux fibres est compris entre 5 µm et 50 µm ;
- la structure des gaines microstructurées des deux fibres est identique ;
- la structure des gaines microstructurées des deux fibres est différente ;
- la structure des gaines microstructurées des deux fibres comporte une cassure de symétrie, les gaines microstructurées présentant chacun un interstice élargi, les orientations azimutales des deux fibres dans le coupleur étant adaptées pour que les interstices élargis des deux gaines microstructurées soient en vis-à-vis dans le coupleur ;
- la dimension du coupleur selon la direction de propagation du rayonnement dans les fibres est supérieure à 1mm et inférieure à 1m ;
L’invention au aussi pour objet un procédé de fabrication d’un dispositif de couplage pour fibre optique comprenant deux fibres à cœurs creux à couplage inhibé présentant un profil de fuite donné et possédant chacune une gaine microstructurée avec une structure composée d’un unique motif tubulaire, réparti en un seul anneau, un premier motif tubulaire de rayon maximal transverse Rm1associé à une première fibre à cœur creux et un deuxième motif tubulaire de rayon maximal transverse Rm2associé à une deuxième fibre à cœur creux, et un coupleur (8), ledit procédé comprenant:
a. le réglage des orientations azimutales des deux fibres dans deux parties séparées du coupleur à l’aide de moyens de rotation ;
b. le polissage des gaines externes des deux fibres donnant ainsi une face polie pour chaque fibre de manière à ce que, une fois les deux face polies mise en vis-à-vis la distance entre les gaines microstructurées des fibres appelée distance de rapprochement est inférieure à Rm1+Rm2; et
c. le rapprochement des deux parties séparées du coupleur, la mise en vis-à-vis puis la soudure des deux faces polies des deux fibres ;
d. le réglage des orientations azimutales effectué lors de l’étape a étant réalisé de telle sorte que le recouvrement des profils de fuite des deux fibres soit maximisé à l’issue de l’étape c.
a. le réglage des orientations azimutales des deux fibres dans deux parties séparées du coupleur à l’aide de moyens de rotation ;
b. le polissage des gaines externes des deux fibres donnant ainsi une face polie pour chaque fibre de manière à ce que, une fois les deux face polies mise en vis-à-vis la distance entre les gaines microstructurées des fibres appelée distance de rapprochement est inférieure à Rm1+Rm2; et
c. le rapprochement des deux parties séparées du coupleur, la mise en vis-à-vis puis la soudure des deux faces polies des deux fibres ;
d. le réglage des orientations azimutales effectué lors de l’étape a étant réalisé de telle sorte que le recouvrement des profils de fuite des deux fibres soit maximisé à l’issue de l’étape c.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement :
Les références aux figures, quand elles sont identiques, correspondent aux mêmes éléments.
Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle.
Afin de surmonter les problèmes de l’art antérieur liés à l’utilisation de fibres conventionnelles (à cœurs solides en silice par exemple) dans des gyromètres de type R-FOG et la complexité de réalisation de coupleurs « tout fibre » avec des fibres HC-PCF-PBG, l’invention a pour objet, entre autre, un coupleur utilisant des fibres à cœur creux à couplage inhibé (HC-PCF-IC). Conformément à l’invention, le couplage entre deux fibres HC-PCF-IC utilise les champs de fuite des fibres et plus particulièrement la distribution radiale spécifique des champs de fuite et le recouvrement de ces champs de fuites.
Les fibres utilisées dans les modes de réalisations des figures présentées ci-dessous possèdent une gaine microstructurée (ou gaine interne) avec une structure composée d’un seul anneau de tubes (gaine SR-TL pour Single-Ring Tubular-Lattice en anglais). Par la suite, une fibre sera définie par son nombre N de tubes, l’agencement azimutal des tubes au sein de la gaine microstructurée, l’épaisseur t des tubes, le rayon Rtdes tubes (donné par la distance entre le centre d’un tube et la paroi externe de ce tube) et la présence ou non d’une cassure de symétrie de la gaine microstructurée par exemple par omission ou par insertion d’un tube différent en termes de rayon et/ou en termes d’épaisseur de tubes. Le rayon du cœur Rcd’une fibre est relié au nombre N de tubes, à l’espacement entre deux tubes δ et au rayon Rtdes tubes par la formule suivante, connue de l’homme du métier :
L’espacement entre deux tubes ou encore le gap δ, est défini comme la distance minimale entre parois externes de deux tubes adjacents.
Pour une structure de gaine microstructurée de fibres HC-PCF-IC SR-TL, les paramètres influant sur l’efficacité de couplage sont donc : la distance entre les deux cœurs des fibres, les orientations azimutales des deux fibres dans le coupleur et la distance de couplage selon l’axe de propagation du rayonnement dans les fibres.
Dans le mode de réalisation de la figure 2A, la structure des gaines internes des deux fibres est identique. Les deux gaines microstructurées sont composées d’un anneau de 8 tubes de Rt=5.88μm de rayon. L’épaisseur de la paroi de chaque tube est de t=465nm et le gap entre deux tubes (ou la distance minimale entre deux tubes adjacent) est de δ=3.7μm. Le rayon des cœurs de chacune des fibres est de 15.25μm. A noter que l’épaisseur de la paroi des tubes est choisie en fonction de la longueur d’onde pouvant être guidée par la fibre. Ces deux fibres présentent des pertes par propagation extrêmement faibles (7.7dB/km à 750nm, voir Debord, B., et al. "Ultra-low transmission loss (7.7 dB/km at 750 nm) inhibited-coupling guiding hollow-core photonic crystal fibers with a single ring of tubular lattice cladding." arXiv preprint arXiv:1610.01513 (2016). et B. Debord, A. Amsanpally, M. Chafer, A. Baz, M. Maurel, J. M. Blondy, E. Hugonnot, F. Scol, L. Vincetti, F. Gérôme, and F. Benabid, "Ultralow transmission loss in inhibited-coupling guiding hollow fibers," Optica 4, 209-217 (2017). La distance 40 entre les deux gaines microstructurées des fibres 2 et 3 est supérieure à 0 et inférieure à 2(Rt+t). La dimension Rt+t est le rayon maximal transverse du tube réparti en un seul anneau dans la gaine microstructurée. La distance de rapprochement est donc inférieure à deux fois le rayon maximal transverse du motif réparti en un seul anneau de tube. Cette distance correspond à l‘épaisseur de la paroi séparant les gaines microstructurées des deux fibres, on l’appellera « distance de rapprochement ». Elle correspond aussi à la distance entre les deux cercles (en rouge dans la figure 2A) passant chacun par les centres des tubes des gaines microstructurées des fibres 2 et 3. Cette distance de rapprochement est un paramètre critique qui influe fortement sur l’efficacité de couplage entre les deux fibres. Si cette distance est trop supérieure à la longueur d’onde, le recouvrement maximal entre les champs de fuite des deux fibres, que l’on peut obtenir en ajustant les orientations azimutales, sera fortement diminué. On souhaite donc garder la distance entre les deux cœurs la plus proche possible de la longueur d’onde du rayonnement se propageant dans les deux fibres.
Le champ radial du vecteur de Poynting des fibres du dispositif 1 est représenté dans la figure 2B et permet d’observer la distribution radiale du champ de fuite. Dans la figure 2B, plus une région est sombre, plus le champ électrique dans cette région est élevé. Bien que le champ le plus intense soit celui confiné dans le cœur de la fibre, on observe qu’il existe un champ de fuite non négligeable. On note que, dans les fibres du dispositif de couplage 1, la fuite se fait principalement par les sections des tubes touchant la gaine externe 6, représentées par les zones 8 dans la figure 2B. Le fait que le canal de fuite se fasse par les sections des tubes touchant la gaine externe est lié à une valeur de gap δ entre deux tubes (d’une même fibre) suffisamment faible. Lorsque cette valeur dépasse une valeur critique δc, la zone de fuite n’est plus la même et cela fait l’objet du mode de réalisation de la figure 3A. Cette valeur (ou gamme de valeurs) critique est obtenue par simulation numérique. Dans le dispositif 1, les orientations azimutales ϕ2et ϕ3dans le coupleur 7 des fibres 2 et 3 respectivement sont adaptées pour maximiser le recouvrement des profils de fuite des deux fibres dans le coupleur pour obtenir une efficacité de couplage optimale. Pour cela, les deux fibres sont orientées de manière à ce qu’une section 8 du tube touchant la gaine externe d’une fibre soit mise en vis-à-vis avec une section 8 du tube touchant la gaine externe de l’autre fibre, comme le schématise la figure 2A. Cet arrangement est appelé « tube à tube ». Dans ce mode de réalisation, les canaux de fuite correspondant aux tubes eux même, il est nécessaire que les tubes soient suffisamment rapprochés pour obtenir une efficacité de couplage optimale.
La dimension du coupleur du dispositif 1 selon la direction de propagation du rayonnement dans les fibres est supérieure à 1mm et préférentiellement inférieure à 1m. Cette distance est choisie de manière à optimiser l’efficacité de couplage.
La structure des gaines internes des deux fibres du dispositif de couplage 10 est identique. Les deux gaines internes 4 sont composées d’un anneau de 8 tubes de 5.1μm de rayon. L’épaisseur de la paroi de chaque tube est de 580nm et le gap entre deux tubes ou (la distance minimale entre deux tubes adjacent) est de 8μm. Le rayon des cœurs de chacune des fibres est de 18.5μm. Comme dans le mode de réalisation précédent, la distance de rapprochement 40 des fibres 2 et 3 est supérieure à 0 et inférieure à 2(Rt+t).
Le champ du vecteur de Poynting des fibres du dispositif 10 est représenté dans la et permet d’observer le champ de fuite. Tout comme dans la figure 2B, dans la figure 3B, plus une région est sombre, plus le champ électrique dans cette région est élevé. On observe que le champ électrique est moins fortement confiné dans le cœur des fibres du dispositif 10 que dans le cœur des fibres du dispositif 1. En effet, la structure de la gaine interne microstructurée des fibres du dispositif 10 est différente de celle des fibres du dispositif 1, avec un espacement entre tubes δ plus grand. Le couplage entre le mode de gaine et le mode de cœur est plus fortement inhibé avec la structure de gaine interne des fibres du dispositif 1 qu’avec celles du dispositif 10. Dans les fibres du dispositif 10, la distribution radiale du champ de fuite montre que la fuite se fait principalement à travers les interstices (ou les gaps) 9 entre les tubes de la gaine microstructurée, ceux-ci étant de plus grande taille (8μm) que dans les fibres du dispositif 1 (gaps de 3.7μm). Dans le dispositif 10, les orientations azimutales ϕ2 et ϕ3 dans le coupleur 7 des fibres 2 et 3 respectivement sont choisies pour maximiser le recouvrement des profils de fuite des deux fibres dans le coupleur afin d’améliorer l’efficacité de couplage. Pour cela, les deux fibres sont orientées de manière à ce qu’un gap 9 entre les tubes de la gaine microstructurée d’une fibre soit mis en vis-à-vis avec un gap similaire de l’autre fibre. Cet arrangement est appelé « gap à gap ».
La dimension du coupleur du dispositif 10 selon la direction de propagation du rayonnement dans les fibres est supérieure à 1mm et préférentiellement inférieure à 1m. Cette distance est choisie de manière à optimiser l’efficacité de couplage.
Les deux gaines internes 4 sont composées d’un anneau de 8 tubes de de rayon Rt2pour la fibre 2 et de rayon Rt3pour la fibre 3. Dans ce mode de réalisation, l’épaisseur de la paroi de chaque tube t est identique. Aussi afin d’obtenir un recouvrement maximal des champs de fuite, la distance de rapprochement 40 des fibres 2 et 3 est supérieure à 0 et inférieure à 2t+Rt2+Rt3et de préférence elle est égale à Rt2+t.
Cette différence de structure implique que la distribution radiale du champ de fuite est différente pour chaque fibre : dans la fibre du bas, la fuite se fait principalement à travers les interstices 9 entre les tubes de la gaine microstructurée alors que pour la fibre du haut la fuite se fait principalement par les sections des tubes touchant la gaine externe. Ainsi, dans le mode de réalisation de la , les orientations azimutales ϕ2 et ϕ3 des deux fibres 2 et 3 dans le coupleur 7 sont choisies de manière à ce que le recouvrement des profils de fuite des deux fibres dans le coupleur soit maximal. Cela signifie qu’un interstice de la fibre du bas est mis en vis-à-vis avec une section du tube touchant la gaine externe de la fibre du haut. Cet arrangement est appelé « tube à gap ». Alternativement, dans cet arrangement, la structure des gaines microstructurées des fibres peut être identique. En effet, comme on le voit dans la figure 3B, il est possible d’avoir des fibres possédant des structures de gaines telles que l’intensité des deux champs de fuites (à travers les interstices 9 entre les tubes de la gaine microstructurée et par les sections des tubes touchant la gaine externe) est comparable. Il est donc possible de coupler deux fibres possédant une structure de gaines identique dans un coupleur 7 avec un arrangement « tube à gap » tout en ayant une bonne efficacité de couplage, par exemple avec la structure de gaine des fibres du mode de réalisation de la figure 3A. Les orientations azimutales ϕ2 et ϕ3 des deux fibres 2 et 3 dans le coupleur 7 sont choisies de manière à ce qu’il y ait recouvrement du profil de fuite d’une fibre se faisant à travers les interstices entre les tubes de la gaine microstructurée et du profil de fuite de l’autre fibre se faisant par les sections des tubes touchant la gaine externe.
Par ailleurs, dans tous les arrangements des modes de réalisation des figures 2, 3, 4A (« tube à tube », « gap à gap », « défaut à défaut », etc…) des fibres dans le coupleur, les structures des gaines microstructurées (épaisseurs des parois, rayons des tubes, gap entre les tubes…) des fibres peuvent être différentes, à condition que l’orientation les orientations azimutales ϕ2et ϕ3des deux fibres dans le coupleur soient choisies de manière à ce que le recouvrement des profils de fuite des deux fibres dans le coupleur soit maximal.
La structure de chacune des gaines interne 4B comporte une cassure de symétrie azimutale sur le nombre de tubes de la structure, les gaines microstructurées 4 présentant chacune un interstice élargi ou défaut 11. Les deux gaines internes 4 sont composées d’un anneau de 7 tubes de 6.15μm de rayon. L’épaisseur de la paroi de chaque tube est de 415nm et le gap entre deux tubes (ou la distance minimale entre deux tubes adjacent) est de 2.7μm. Le rayon des cœurs de chacune des fibres est de 13.75μm. Comme dans les modes de réalisations précédents, la distance de rapprochement 40 des fibres 2 et 3 est supérieure à 0 et inférieure à 2(Rt+t).
Dans le mode de réalisation de la , l’interstice élargi est situé dans une zone 11 où un tube de la gaine interne serait situé si la structure de cette gaine était symétrique azimutalement en nombre de tubes. Dans un autre mode de réalisation, l’interstice élargi entre les tubes fait une taille comprise entre 2Rt et 4Rt dans les fibres 2 et 3, avec Rt le rayon des tubes de la gaine microstructurée.
Cet interstice élargi permet de modifier la distribution du profil du champ de fuite et de favoriser un canal de fuite par l’interstice élargi 11. Ce canal de fuite est plus intense que les autres canaux de fuite fuyant par les sections des tubes touchant la gaine externe 6. Les orientations azimutales ϕ2et ϕ3des deux fibres 2 et 3 dans le coupleur 7 sont donc adaptées pour que les interstices élargis 11 des deux gaines microstructurées 4 soient en vis-à-vis dans le coupleur. Cet arrangement est appelé « défaut à défaut ». La dimension du coupleur du dispositif 100 selon la direction de propagation du rayonnement dans les fibres est supérieure à 1mm et préférentiellement inférieure à 1m.
Dans le mode de réalisation de la figure 4B, les fibres 2 et 3 du dispositif de couplage 1000 sont des fibres -HC-PCF-IC SR-TL. Les deux fibres 2 et 3 ne possèdent pas la même structure de gaine microstructurée 4.
Dans le dispositif 50, la structure de la gaine interne de la fibre du haut 3 comporte une cassure de symétrie azimutale sur le nombre de tubes de la structure, la gaine microstructurée 4 présentant un interstice élargi ou défaut 11 alors que la structure de la gaine interne de la fibre du bas 2 ne comporte pas de cassure de symétrie.
Cette différence de structure implique que la distribution radiale du champ de fuite est différente pour chaque fibre. Dans la fibre 2 du bas, de par la structure de la gaine interne 4 par exemple similaire à celle des fibres du mode de réalisation de la figure 3, la fuite se fait principalement par les gaps ou interstices entre les tubes de la gaine microstructurée alors que pour la fibre du haut la fuite se fait principalement à travers l’interstice élargi 11. Ainsi, dans le mode de réalisation de la figure 5A, les orientations azimutales ϕ2et ϕ3des deux fibres 2 et 3 dans le coupleur 7 sont choisies de manière à ce que le recouvrement des profils de fuite des deux fibres dans le coupleur soit maximal. Cela signifie qu’un gap entre les tubes de la fibre 2 du bas est mis en vis-à-vis avec l’interstice élargi 11 de la fibre du haut 3. Cet arrangement est appelé « gap à défaut ».
Dans le dispositif 500, la structure de la gaine interne de la fibre du haut 3 comporte une cassure de symétrie azimutale sur le nombre de tubes de la structure, la gaine microstructurée 4 présentant un interstice élargi ou défaut 11 alors que la structure de la gaine interne de la fibre du bas 2 ne comporte pas de cassure de symétrie.
Cette différence de structure implique que la distribution radiale du champ de fuite est différente pour chaque fibre. Dans la fibre 2 du bas, de par la structure de la gaine interne 4 par exemple similaire à celle des fibres du mode de réalisation de la figure 2, la fuite se fait principalement par les sections des tubes touchant la gaine externe alors que pour la fibre du haut la fuite se fait principalement à travers de l’interstice élargi 11 de la gaine microstructurée.
Ainsi, dans le mode de réalisation de la figure 5B, les orientations azimutales ϕ2et ϕ3des deux fibres 2 et 3 dans le coupleur 7 sont choisies de manière à ce que le recouvrement des profils de fuite des deux fibres dans le coupleur soit maximal. Cela signifie que dans la fibre du bas 2, une section du tube touchant la gaine externe de la fibre du haut 3 est mise en vis-à-vis avec l’interstice élargi 11 de la fibre du haut 3. Cet arrangement est appelé « tube à défaut ».
Il est possible d’utiliser les différentes structures de gaines microstructurées présentées dans les différents modes de réalisation dans les autres modes de réalisation, à condition que les orientations azimutales ϕ2et ϕ3des deux fibres 2 et 3 dans le coupleur 7 soient choisies de manière à ce que le recouvrement des profils de fuite des deux fibres dans le coupleur soit maximal.
Dans tous les modes de réalisation précédents, la structure des gaines microstructurées des deux fibres 2 et 3 n’est pas limitée aux exemples donnés. De manière plus générale, dans tous les modes de réalisation, les deux fibres 2 et 3 à cœurs creux à couplage inhibé possèdent des gaines microstructurées avec une structure composée d’au moins N=4 tubes de rayons Rtétant de préférence compris entre 1µm et 100µm, l’épaisseur des tubes t étant de préférence comprise entre 100nm et 5µm, l’espacement entre les tubes δ étant de préférence compris entre 0,5 et 10µm, le rayon des cœurs des deux fibres étant donné par un calcul liant le rayon des tubes Rtet le nombre de tubes N. La distance de rapprochement 40 des fibres 2 et 3 est supérieure à 0 et inférieure à 2(Rt+t). Le rayon est généralement compris (mais pas limité à cet intervalle) entre 5µm et 27µm. La dimension du coupleur du dispositif selon la direction de propagation du rayonnement dans les fibres est supérieure à 1cm et préférentiellement inférieure à 1m. La structure de la gaine de chaque fibre peut être indifféremment identique ou différente et présenter une cassure de symétrie ou non, l’orientation azimutale de chaque fibre dans le coupleur étant choisie de manière à ce que le recouvrement des profils de fuite des deux fibres dans le coupleur soit maximal.
Dans un autre mode de réalisation, les fibres du dispositif de couplage possèdent une structure de gaine microstructurée qui n’est pas SR-TL mais présente tout de même un unique motif de forme tubulaire réparti en un seul anneau, les fibres présentant des canaux de fuite préférentiels similaires à ceux présentés par les fibres SR-TL des dispositifs de l’invention. La gaine restant un anneau de formes tubulaires, la définition de la distance de rapprochement reste identique à celle précédemment utilisée : la distance entre les deux cercles définie par les centres des motifs tubulaires des gaines microstructurées des deux fibres. On définit le rayon maximal transverse du motif tubulaire comme la moitié de la plus grande dimension transverse du motif tubulaire, cette dimension comprenant l’épaisseur de la paroi du motif tubulaire. Par exemple dans le cas où les motifs sont de forme elliptique de rayon de grand axe Rget d’épaisseur de paroi t, le rayon maximal transverse vaut Rg+t. La distance de rapprochement des fibres est inférieure à deux fois le rayon maximal transverse du motif tubulaire.
Dans les modes de réalisation de l’invention où chaque fibre dans le coupleur possède un même motif tubulaire qui se répète réparti en anneau et différent de celui de l’autre fibre, on définit un premier rayon maximal transverse Rm1associé au motif tubulaire d’une première fibre du coupleur et un deuxième rayon maximal transverse Rm2associé au motif tubulaire d’une deuxième fibre du coupleur. Dans ce cas, la distance de rapprochement des fibres dans le coupleur est inférieure à deux fois le rayon maximal transverse du motif tubulaire, c’est à dire Rm1+Rm2. Dans un autre mode de réalisation, la distance de rapprochement est égale à deux fois le rayon maximal transverse, c’est à dire Rm1+Rm2 .
Le motif réparti en un seul anneau de la gaine interne pourra par exemple être de structure « nested », c’est-à-dire une imbrication de différents tubes concentriques avec des diamètres de plus en plus petits.
Dans un autre mode de réalisation, le motif tubulaire réparti en un seul anneau d’au moins une des deux fibres pourra être des tubes de formes elliptiques, le grand axe des ellipses étant orienté radialement, vers le centre de la fibre. On appelle centre de la fibre, le centre du cœur de la fibre ou le centre du cercle défini par les centres des motifs tubulaires de la fibre.
Un autre objet de l’invention est un procédé de fabrication 20 des dispositifs de couplage pour fibre optique de l’invention 1, 10, 100, 1000 comprenant chacun deux fibres à cœurs creux à couplage inhibé 2 et 3 présentant des profils de fuite donnés, chacune des fibres possédant une gaine microstructurée avec une structure composée d’un unique motif tubulaire, réparti en un seul anneau , un premier motif tubulaire de rayon maximal transverse Rm1associé à une première fibre à cœur creux et un deuxième motif tubulaire de rayon maximal transverse Rm 2associé à une deuxième fibre à cœur creux, les dispositifs comprenant un coupleur 7. Fig. 6 illustre les différentes étapes (a, b, c) de ce procédé. Ce procédé 20 comprend :
- le réglage des orientations azimutales des deux fibres dans deux parties séparées du coupleur 7 à l’aide de moyens de rotation ;
- le polissage des gaines externes 6 des deux fibres donnant ainsi une face polie pour chaque fibre de manière à ce que, une fois les deux face polies mise en vis-à-vis, la distance entre les gaines microstructurées des deux fibres soit inférieure à Rm1+Rm2;
- le rapprochement des deux parties séparées du coupleur, la mise en vis-à-vis puis la soudure des deux faces polies des deux fibres ;
Comme expliqué précédemment, le réglage des orientations azimutales des deux fibres dans le coupleur (étape a) et le polissage des gaines externes permettent d’optimiser l’efficacité de couplage en contrôlant respectivement le recouvrement des champs de fuite et l’espacement entre les gaines (qui influe indirectement sur le recouvrement des champs de fuite). Le réglage des orientations de chaque fibre peut être réalisé par des moyens de rotation mécanique (vernier), des moyens piézo-électriques ou tous autres moyens connus de l’homme du métier. Le polissage des gaines externes des deux fibres (étape b) et la soudure des deux faces polies obtenues après polissage (étape c) sont réalisés par des techniques connues de l’homme du métier. Aussi, la soudure des deux gaines externes peut être réalisée par arc de plasma (PAW pour Plasma Arc Welding en anglais) ou par laser.
Claims (10)
- Dispositif de couplage (1, 10, 50, 100, 500, 1000) pour fibre optique comprenant deux fibres (2, 3) à cœurs creux à couplage inhibé présentant des parois de cœur à courbure négative, un profil de fuite donné et possédant chacune une gaine microstructurée (4) avec une structure donnée et comprenant un coupleur (7), ledit dispositif étant caractérisé en ce que :
- la structure de chacune des gaines microstructurées (4) des deux fibres (2, 3) à cœurs creux à couplage inhibé est composée d’un unique motif tubulaire, réparti en un seul anneau, un premier motif tubulaire de rayon maximal transverse Rm1associé à une première fibre à cœur creux et un deuxième motif tubulaire de rayon maximal transverse Rm2associé à une deuxième fibre à cœur creux ;
- les gaines microstructurées (4) des deux fibres dans le coupleur sont espacés d’une distance (40), appelée distance de rapprochement, inférieure à Rm1+Rm2;
l- les deux fibres (2, 3) dans le coupleur (7) possèdent des orientations azimutales (ϕ2, ϕ3) adaptées pour maximiser le recouvrement des profils de fuite des deux fibres (2, 3) dans le coupleur (7). - Dispositif de couplage pour fibre optique selon la revendication 1, dans lequel le motif réparti en un seul anneau dans la gaine microstructurée d’au moins une des deux fibres est un tube de forme elliptique, le grand axe des ellipses étant orienté radialement.
- Dispositif de couplage pour fibre optique selon la revendication 1, dans lequel la gaine microstructurée d’au moins une des deux fibres est de structure « nested », le motif réparti en un seul anneau étant un tube contenant au moins un tube concentrique.
- Dispositif de couplage pour fibre optique selon la revendication 1, dans lequel les deux fibres à cœurs creux à couplage inhibé possèdent des gaines microstructurées avec une structure composée d’au moins 4 tubes de rayons compris entre 1μm et 100μm, l’épaisseur des tubes étant comprise entre 100nm et 5μm et l’espacement entre les tubes étant compris entre 0,5μm et 10µm.
- Dispositif de couplage pour fibre optique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le rayon des cœurs (5) des deux fibres est compris entre 5 µm et 50 µm.
- Dispositif de couplage (1, 10, 100) pour fibre optique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la structure des gaines microstructurées des deux fibres est identique.
- Dispositif de couplage (1000) pour fibre optique selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la structure des gaines microstructurées des deux fibres est différente.
- Dispositif de couplage (100) pour fibre optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle la structure des gaines microstructurées des deux fibres comporte une cassure de symétrie, les gaines microstructurées présentant chacun un interstice élargi (11), les orientations azimutales des deux fibres dans le coupleur étant adaptées pour que les interstices élargis (11) des deux gaines microstructurées soient en vis-à-vis dans le coupleur.
- Dispositif de couplage pour fibre optique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la dimension du coupleur selon la direction de propagation du rayonnement dans les fibres est supérieure à 1mm et inférieure à 1m.
- Procédé de fabrication (20) d’un dispositif de couplage (1, 10, 50, 100, 500, 1000) pour fibre optique comprenant deux fibres (2, 3) à cœurs creux à couplage inhibé présentant un profil de fuite donné et possédant chacune une gaine microstructurée (4) avec une structure composée d’un unique motif tubulaire, réparti en un seul anneau, un premier motif tubulaire de rayon maximal transverse Rm1associé à une première fibre à cœur creux et un deuxième motif tubulaire de rayon maximal transverse Rm2associé à une deuxième fibre à cœur creux, et un coupleur (8), ledit procédé comprenant:
- le réglage des orientations azimutales (ϕ2, ϕ3) des deux fibres dans deux parties séparées du coupleur à l’aide de moyens de rotation ;
- le polissage des gaines externes (6) des deux fibres donnant ainsi une face polie pour chaque fibre de manière à ce que, une fois les deux face polies mise en vis-à-vis la distance (40) entre les gaines microstructurées des fibres appelée distance de rapprochement est inférieure à Rm1+Rm2; et
le réglage des orientations azimutales effectué lors de l’étape a étant réalisé de telle sorte que le recouvrement des profils de fuite des deux fibres soit maximisé à l’issue de l’étape c.
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