Éléments mécaniques

Afin de réduire les effets non-linéaires au maximum, le diamètre du cœur d’une fibre LMA est maximisé tout en assurant une émission monomode. Pour ce faire, l’ouverture numérique de la fibre est très faible, mais pour une fibre à saut d’indice, l’ouverture numérique ne devrait pas passer sous le seuil du 0,06, car le guidage devient plus faible et des pertes considérables seront causées par les imperfections de la fibre et les courbures [83]. Il est donc nécessaire d’utiliser des profils d’indice plus complexes pour diminuer l’ouverture numérique sous cette valeur. Dans une fibre à saut d’indice, la très faible ouverture numérique aura pour impact de réduire le confinement des modes supérieurs, qui seront sensibles aux pertes par courbure. Ainsi, en utilisant un enroulement d’un diamètre approprié, il sera possible d’induire des pertes majeures aux modes supérieurs en infligeant seulement des pertes mineures au mode fondamental, ce qui permettra de conserver un gain laser positif seulement pour le mode fondamental. Puisque le gain laser de ce mode sera largement supérieur à celui des autres modes, seul le mode fondamental sera favorisé lors de l’émission laser, générant ainsi un faisceau monomode en sortie. Afin de déterminer le diamètre approprié pour l’enroulement, le logiciel de calcul RP Fiber Power possède la fonction de résolution des pertes pour chaque mode de propagation en fonction du rayon de courbure dans une fibre LMA.

À la Figure 6.1, il est facile d’observer qu’un rayon de courbure inférieur à 45 mm serait néfaste pour la propagation monomode, mais qu’il doit être inférieur à 70 mm pour filtrer efficacement tous les modes supérieurs. Rappelons qu’une longueur de 46 m de fibre sera enroulée et que les pertes présentées sur la Figure 6.1 sont en dB/m. Toutefois, on veut utiliser un rayon de courbure aussi grand que possible pour deux raisons, d’une part pour éviter de générer des pertes au mode fondamental [83], d’autre part pour éviter d’induire des contraintes mécaniques trop importantes dans la fibre qui risqueraient de mener à sa rupture [84].

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Figure 6.1 : Pertes des modes de propagation de la fibre selon le diamètre d’enroulement, où l’on peut voir qu’un rayon de courbure de 70 mm (140 mm de diamètre) induit des pertes majeures pour les modes

supérieurs, mais très faibles pour le mode fondamental.

Figure 6.2 : Durée de vie en années selon le diamètre d’enroulement d’une fibre de 400 μm de diamètre de gaine pour atteindre une probabilité de bris de 0,1%. Pour un diamètre de 140 mm, la durée de vie est de

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Les travaux réalisés par Walorny et al. chez Nufern ont permis de mettre en lumière un phénomène causant des bris sur des fibres optiques à large gaine. En raison de leur grand diamètre de verre (souvent 400 μm), lorsque ces fibres sont enroulées à un certain diamètre, les contraintes de compression (à l’intérieur de l’enroulement) et de tension (à l’extérieur de l’enroulement) deviennent très grandes, pouvant ainsi causer des ruptures en cas de présence de défauts de fabrication [84]. Ils utilisent un modèle permettant d’établir la durée de vie d’un enroulement de fibre pour atteindre un pourcentage de fiabilité en fonction de la géométrie et de la composition de la fibre utilisée, de la longueur de l’enroulement, du diamètre de l’enroulement et des divers paramètres de résistance mécanique et à la corrosion de la fibre. Ainsi, les équations et paramètres pour la fibre Nufern LMA-YDF-20/400 sont tirés de [84]. La probabilité de bris est fixée à 0,1%, la longueur de l’enroulement a été déterminée à 47 m (voir section 4.1.2) par les simulations laser et le diamètre de l’enroulement est varié. Les résultats sont présentés à la Figure 6.2, où l’on peut voir qu’un enroulement de 140 mm de diamètre a une durée de vie à 0,1% de 13 612 ans, ce qui est très nettement suffisant pour le un déploiement commercial.

Le diamètre d’enroulement de l’assemblage du projet est donc fixé à 140 mm pour respecter les contraintes de filtrage modal et de résistance mécanique. Une plaque refroidie à l’eau a été conçue par Frédéric Pettigrew chez TeraXion pour tenir le rouleau de fibre en place et faciliter l’inscription et l’assemblage du laser. La plaque est présentée à la Figure 6.3. Le rouleau de fibre est positionné horizontalement sur la plaque et des sillons sont faits pour permettre de refroidir la fibre en tout point et pour avoir un endroit pour passiver efficacement les FBG inscrits. Pour terminer, des montures sont prévues pour des boitiers de refroidissement de TeraXion (en noir), puisque de tels boitiers sont utilisés pour protéger les épissures lors du transport requis pour l’inscription des FBG au laser femtoseconde. Un intérêt majeur du design est qu’il rend possible le déplacement des épissures et des fenêtres dégainées sans avoir à dérouler la fibre autour de la bobine, facilitant grandement les manipulations, ce qui diminue les risques de bris et de contamination.

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Figure 6.3 : Plaque utilisée pour manipuler et refroidir la fibre de gain lors de la réalisation du laser et des tests de caractérisation.

6.1.2 Épissures

Tel qu’il a été mentionné ci-haut, les épissures de ce laser ont été effectuées avant de l’inscription des FBG. Puisqu’il est primordial de minimiser la distance entre les FBG et les épissures pour éviter les effets parasites décrits au chapitre 5. Les expériences réalisées avec la cavité laser sans épissure en fibre de haute luminosité ont révélé qu’il est plus facile d’inscrire les FBG avec espace restreint qu’il ne l’est de faire les fusions critiques.

Des fusions de grande qualité ont été réalisées de manière semblable à celles de la section 5.2.2, qui s’appuient sur l’alignement actif proposé dans [51]. Les méthodes de dégainage et de nettoyage de fibres de TeraXion ont également été employées pour assurer une qualité supérieure et une fusionneuse Fujikura FSM 100-P a été utilisée pour fusionner les extrémités de la fibre dopée à des segments de fibre passive Nufern LMA-GDF-20/400. Une fois réalisées, les fusions ont été conditionnées dans un boitier pour réseau de Bragg de TeraXion afin de les protéger lors des prochaines étapes d’assemblage. En plus de protéger l’intégrité mécanique des épissures lors des manipulations, les boitiers ont l’avantage supplémentaire d’avoir été optimisés pour maximiser la dissipation thermique du composant conditionné.

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Il est nécessaire d’assurer une qualité très grande des épissures puisqu’une fois installées dans le boitier, il ne sera plus possible de les refaire sans endommager les FBG qui seront inscrits l’étape suivante, ce qui créerait d’importants retards au projet. Leur performance thermique a été donc caractérisée, en injectant aux épissures une puissance de pompe à 915 nm dans la gaine et en mesurant l’élévation de température des épissures avec une caméra thermique. Les boitiers sont déposés sur une plaque ayant un ruban adhésif pour minimiser la dissipation thermique et ainsi caractériser les épissures dans le pire cas.

Pour tester les épissures sans endommager les pompes, il est nécessaire de fusionner des FBG tertiaires à chaque extrémité des fibres de rallonge, dans le but de créer une cavité laser contrôlée. Ainsi, puisqu’une grande puissance pompe est injectée dans la fibre de gain, un effet laser contrôlé sera généré et émis vers une thermopile, prévenant ainsi les bris d’équipement.

En procédant ainsi, une puissance pompe de 200 W est injectée et aucune élévation de température notable n’est mesurée. La sensibilité de la caméra thermique FLIR A655sc est de 0,1 °C. À ce niveau de puissance, il est sécuritaire de croire qu’une fois les boitiers en contact thermique sur la plaque refroidie à l’eau, l’élévation de température des épissures n’excédera pas 80 °C à 1000 W.

6.1.3 Réseaux de Bragg inscrits

Une fois les épissures réalisées, la prochaine étape consiste à inscrire les FBG dans la fibre de gain LMA-YDF-20/400-M de Nufern. De la même manière que pour la fibre de haute luminosité, les techniques de TeraXion ont été utilisées pour effectuer le dégainage des fenêtres pour FBG et le nettoyage des fibres. Les fenêtres dégainées ont par la suite été protégées et transportées à l’Université Laval pour procéder à l’inscription par laser femtoseconde. Un masque de phase d’une largeur de 27 mm a été utilisé pour inscrire les FBG. Ce masque a été fabriqué avec la technique de photolithographie, rendant le masque de phase de meilleure qualité que les masques utilisés précédemment. Toutefois, la largeur du masque est insuffisante et il fut donc possible d’inscrire un HR-FBG d’une largeur maximale de 2,5 nm, alors que la cible était de 3 nm. Les FBG inscrits ont été mesurés en réflexion seulement, car la fibre de gain absorbe tout le signal en transmission à la longueur d’onde d’opération. De plus, les mesures en réflexion présentées à la Figure 6.4 ont été effectuées du côté des grandes longueurs d’onde, ce qui explique leur forme

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d’apparence désastreuse. Toutefois, cette forme spectrale est normale, puisque les FBG mesurés par les grandes longueurs d’onde montrent beaucoup de pertes par modes de gaine qui ne sont pas présentes dans la cavité laser, bruitant considérablement la mesure. Malgré tout, à l’aide de tests de calibration effectués sur d’autres segments de fibre, il est possible d’estimer que le HR- FBG a une réflectivité de plus de 99% et une largeur de 2,2 nm après vieillissement. Pour sa part, le LR-FBG a une réflectivité approximative de 10% et une largeur de 0,22 nm.

Malheureusement, une défectuosité d’équipement lors de l’inscription du LR-FBG a contraint l’écriture. Ainsi, malgré la largeur cible de 1 nm pour limiter l’effet Raman [49], une largeur de 0,22 nm a été inscrite, car aucun balayage de la platine de translation n’a eu lieu, inscrivant un FBG de la largeur du faisceau laser. Ce LR-FBG étant toutefois suffisamment performant pour réaliser une cavité laser sans épissure, il a été conservé dans le but d’être testé.

Figure 6.4 : Spectres en réflexion des FBG inscrits dans la cavité laser 20/400. Les mesures sont effectuées par les grandes longueurs d’onde, impliquant de très fortes pertes par modes de gaine, tel

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