CHAPITRE 8 DISCUSSION GÉNÉRALE
8.1 Choix de la méthode de couplage optique
En ce moment, avec la collaboration des géants de l’industrie du téléphone mobile, la méthode optimale pour intégrer les dispositifs au téléphone est recherchée, i.e. comment lier l’écran de verre fonctionnalisé à l’électronique interne du téléphone. L’industrie est déjà prête à concevoir un design pour accueillir la technologie, mais elle doit connaître quels éléments seront intégrés et quel volume sera nécessaire. Pour se faire, il faut choisir une méthode de couplage optique à l’entrée et à la sortie des dispositifs intégrés à l’écran.
Jusqu’à maintenant, la méthode de couplage (excluant l’optique en espace libre) utilisée dans cette thèse est la fibre optique, dont l’axe optique est aligné avec celui du guide d’ondes du dispositif (appelée en anglais butt coupling method). Évidemment, une fibre optique sortant d’un téléphone mobile ne serait aucunement ergonomique en plus d’être très fragile.
Le défi est de concevoir une méthode à la fois efficace, robuste, ergonomique et permettant une fabrication massive à la chaîne afin que l’augmentation du prix due à cette nouvelle technologie ne décourage pas l’achat du téléphone. Voici les trois méthodes de couplage proposées à étudier davantage.
8.1.1 Couplage par réseau de diffraction
Un réseau de diffraction est formé par une variation périodique de l’indice de réfraction. À l’aide d’un réseau de diffraction, il est bien connu qu’une lumière traversant une lame de verre peut être couplée à un guide d’ondes intégré à cette lame [121]. De la même façon, il est aisé de détecter (à l’œil dans le cas de la lumière visible) une lumière guidée dans un guide d’ondes à l’endroit où est inscrit un réseau. Cette lumière sort à des angles précis (appelés ordres de diffraction) et peut donc être aussi être injectée à ces mêmes angles.
Avantages. Possibilité de faire le couplage sous la vitre du téléphone au lieu de sur le côté. Possibilité d’utiliser la lumière provenant déjà du téléphone (de l’afficheur ou de la lampe DEL) pour être couplée au dispositif. Des tests de faisabilité sont en cours.
Désavantages. Le couplage par réseau de diffraction est habituellement utilisé pour les guides d’ondes plans. Pour les guides d’ondes linéaires (c’est le cas pour cette thèse), un couplage efficace est plus difficilement obtenu. En effet, en plus de devoir être incidente au bon angle, la lumière doit atteindre le volume du guide qui est de l’ordre de quelques microns. Pour augmenter l’efficacité, une lentille pourrait être ajoutée, mais un alignement précis serait nécessaire. Enfin, la lumière ambiante extérieure pourrait être couplée par le réseau et altérer les résultats. Néanmoins, puisque la lumière d’intérêt proviendrait du derrière de l’écran, la lumière ambiante pourrait probablement être bloquée par un obturateur sans affecter les fonctions primaires de l’écran de verre du téléphone.
8.1.2 Couplage direct d’une diode/photodiode
Puisque la dimension d’une diode laser (source de lumière) ou d’une photodiode (détecteur) est de l’ordre de quelques microns sans encapsulation, il serait possible de les coller directement sur le côté de l’écran, comme le montre la Figure 8-1.
Figure 8-1 : Couplage par collage de diode laser et photodiode sur les facettes de l’écran. Afin de ne pas affecter les fonctions et l’ergonomie de l’écran, deux méthodes sont en cours d’analyses :
1. L’intégration de la diode dans une mince lamelle de verre (ou autre polymère transparent), dont les dimensions épousent parfaitement le rebord de l’écran et ayant une épaisseur d’une fraction de millimètre. La lamelle serait ensuite collée à l’écran avec un
adhésif optique à durcissement UV (produit NOA61 chez Thorlabs par exemple) afin de pouvoir aligner la diode avec le guide d’ondes avant le durcissement.
2. Fabrication d’un trou poli (semblable à celui déjà fait dans l’écran devant le haut-parleur du téléphone) sur le rebord de l’écran. La diode serait intégrée dans un prisme épousant les parois de ce trou. Le tout collé comme en 1.
Avantages. Alignement simple et grossier avec la photodiode à la sortie du guide d’ondes. Connexions uniquement électriques entre l’écran et le téléphone, ce qui facilite l’intégration ainsi que le remplacement lors de bris.
Désavantages. Le bris d’un écran de verre d’un téléphone oblige le remplacement de la diode et/ou photodiode. Besoin de l’intégration d’une microlentille entre la diode laser et l’entrée du guide d’ondes afin d’augmenter l’efficacité de couplage.
8.1.3 Couplage avec une fibre optique polie à 45°
Puisque la fonctionnalisation des écrans de téléphone est une nouvelle technologie, les besoins de couplage et d’ergonomie sortent de l’ordinaire. La Figure 8-2 montre une méthode adaptée au téléphone avec l’utilisation d’une fibre optique. Lorsque le bout d’une fibre optique est poli à 45°, la lumière guidée sort à 90° par rapport à la fibre, à cause de la réflexion totale interne, et peut donc être couplée à un guide d’ondes placé perpendiculairement à la fibre. La fibre peut être collée le long du bord de l’écran, ce qui diminue la fragilité habituelle d’une connexion parallèle au guide (butt coupling), et courbée jusqu’en dessous de l’écran pour être connectée de façon standard à l’électronique. La fibre pourrait aussi être intégrée à une lamelle, comme mentionné dans la section précédente, afin d’être plus efficacement collée.
Avantages. L’efficacité (à tester) devrait être semblable à la méthode butt coupling et donc plus élevée que le réseau de diffraction. Aucune électronique sur l’écran (peut être conservée lors du remplacement de l’écran brisé). Plusieurs diodes laser avec de différentes longueurs d’ondes peuvent être connectées à cette seule fibre à l’aide de coupleurs optiques, ce qui augmente la capacité d’analyse pour un seul senseur.
Désavantages. Plus fragile lors du remplacement de l’écran. Possible besoin d’une expertise lors du remplacement de l’écran.
8.1.4 Amélioration du couplage en facette par guide conique
L’alignement du couplage optique requiert une précision micrométrique. Comme le montre la Figure 8-3a, le déplacement Δy de quelques microns d’une source de lumière initialement couplée de façon optimale peut facilement diminuer de moitié l’efficacité de couplage (possiblement perdre totalement le signal). Par exemple, lors du collage d’une fibre optique (couplée en butt coupling), le déplacement de la fibre à cause de la gravité exercée sur la colle durant le temps du séchage peut augmenter les pertes de couplage.
Figure 8-3 : a : Couplage non efficace par une fibre optique décalée par rapport au guide d’ondes. b : Couplage amélioré avec un guide d’ondes conique.
L’utilisation d’un guide d’onde légèrement conique afin d’obtenir une section de couplage plus grande à la facette, voir la Figure 8-3b, pourrait peut-être diminuer ces pertes dues au déplacement. Des tests de fabrication de ce guide d’ondes conique à l’aide de plusieurs scans laser fs autour du guide d’onde initial sont prévus.
Puisque cette zone, à quelques dizaines de microns de la facette, n’est pas limitée par le besoin d’être invisible, une étude plus approfondie pour optimiser le couplage devrait être réalisée. Par exemple, la variation d’indice peut être augmentée.