CHAPITRE 3 : ARCHITECTURES BASEES SUR LA FIBRE MULTIMODE SILICE :
III. A Le composant basé sur la technologie fusion – étirage
l’autre et à les fusionner. Le contrôle de la distance cœur à cœur et de la longueur d’interaction du coupleur (d’environ 1 cm) permet d’obtenir le taux de couplage désiré. Une solution, proposée en 1978 [67], est caractérisée par une longueur de 13 mm. Comme le précisent les auteurs, par rapport à d’autres types de coupleur, il n’est nul besoin de créer des sections de fibres à diamètre variable, ou taper, et cette solution ne nécessite pas l’utilisation de liquide d’indice, comme dans le cas du coupleur à abrasion – collage, pour adapter les deux surfaces de fibre à coller entre elles. Le contrôle du couplage, lors de la fabrication, est réalisé à l’aide d’un laser He-Ne. Le couplage apparaît entre groupes de modes.
La technique de fabrication du coupleur à fusion – étirage a aujourd’hui l’avantage d’être simple à mettre en œuvre lorsque le banc de fabrication est optimisé. La production de coupleurs à l’échelle industrielle fait le plus souvent appel à cette technologie avec la possibilité d’assembler plus de deux fibres. Le coupleur 8×8 dont nous disposons est néanmoins réalisé en cascadant des coupleurs 2×2. C’est donc ce coupleur de base 2×2, ou coupleur en X, que nous étudions dans ce chapitre.
Pour modéliser un coupleur à fusion – étirage, mises à part les caractéristiques opto- géométriques des fibres individuelles, il est nécessaire de connaître les degrés de fusion et de réduction de la section du coupleur [68] :
et
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où est la distance entre les axes des cœurs, est le rayon de la gaine des deux fibres identiques et éventuellement partiellement dénudées par attaque chimique ou par usinage mécanique [69], est la plus grande dimension transversale, après fusion et avant étirage, et , plus grande dimension transversale au centre du coupleur après étirage. Il faut noter qu’à l’endroit le plus étroit (au col ou au waist) du coupleur, sa section n’est pas forcément circulaire. La forme de la section droite dépend du degré de fusion : elle est circulaire pour , et retrouve donc une symétrie de révolution ; elle est de forme elliptique ou en forme de « 8 » pour . Lors de l’étirage, il y a conservation des rapports dimensionnels [69], dans la section droite, entre les rayons du cœur et de la gaine et entre et , la distance entre les cœurs :
et [4.26]
Afin d’étudier le comportement du coupleur 8×8 utilisé pour les expérimentations, un coupleur de base 2×2 a été isolé (figure 79). L’observation de ce coupleur au microscope a permis de relever quelques dimensions géométriques. Les fibres utilisées, pour réaliser ce coupleur, sont des fibres multimodes de diamètres 50/125 µm (donnée constructeur).
Figure 79 : Photo du coupleur 2×2 à fusion – étirage
Tel que le montre la figure 80, nous avons mesuré . Ces fibres auraient donc été préalablement dénudées. et valent respectivement 15 et 120 µm. On en déduit que la distance entre les cœurs est . Ceci nous permet donc de calculer et d’après les équations [4.25]. L’équation [4.26] permet de déterminer les rayons des cœurs et des gaines au centre du coupleur qui valent respectivement environ 2,7 et 3,7 µm, en considérant que , vue la valeur de . On détermine également, d’après l’équation
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Figure 80 : Caractéristiques géométriques du coupleur 2×2 à fusion – étirage
Contrairement au mécanisme de propagation dans le cas de la technique de polissage, les fonctions de guidage des cœurs sont modifiées car l’amincissement des fibres produit une chute des indices effectifs associés aux guides. Nous allons voir que cette différence a des conséquences sur la manière de modéliser les deux types de coupleurs.
Si les fibres sont peu étirées, le déconfinement du champ est faible et la théorie des modes couplés est applicable. Cependant, dès lors que l’on diminue de manière importante le diamètre des cœurs (c’est notre cas avec un degré de réduction ), deux phénomènes interviennent. Le déconfinement du champ devient très important et les cœurs n’assurent plus leur rôle de guide. Le guidage du champ est alors assuré par l’interface gaine – milieu extérieur. L’expression du champ dans la structure formée par les deux fibres étirées ne peut plus alors être obtenue par une combinaison linéaire des champs des cœurs isolés. Ceci constitue alors un premier obstacle à la réalisation d’un modèle de coupleur 2×2 à fusion – étirage.
De plus, lorsque l’indice du milieu extérieur est très différent de celui de la gaine, l’approximation de faible guidage peut devenir caduque pour de fortes réductions de diamètre. Le matériau englobant le coupleur fusionné et étiré a alors un rôle dans les mécanismes de couplage. En effet, au col du coupleur, les performances du coupleur varient en fonction du matériau d’enrobage utilisé. Les pertes en excès varient exponentiellement pour un matériau dont l’indice de réfraction va de celui de l’air ( ) à celui du cœur de la fibre. Les pertes en excès sont presque nulles pour un indice de réfraction externe égal à 1. Elles sont de presque 9 dB lorsque est égal à l’indice du centre du cœur de la fibre [70]. Dans notre cas, nous ne connaissons pas exactement les indices de réfraction du cœur et de la gaine des fibres
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utilisées pour réaliser le coupleur (données non fournies par le constructeur). Nous ne savons pas non plus quel matériau est utilisé pour englober le coupleur et il ne peut pas être déterminé par simple observation. Ceci constitue donc un second obstacle pour la réalisation d’un modèle.
Nous ne sommes pas les seuls à nous être heurtés à ce problème. En effet, les auteurs de [69] caractérisent le taux de couplage d’une sortie du coupleur 2×2 en fonction de l’allongement. Leurs résultats, issus de calculs théoriques sur leur modèle et d’expérimentations, montrent des différences importantes. D’après les auteurs, cela peut être dû à une schématisation trop élémentaire de la géométrie du coupleur, ou encore à une invalidité du guidage faible à cause de la trop grande différence entre les indices de la gaine et du milieu extérieur.
Nous nous sommes alors focalisés sur l’autre principale technique de réalisation de coupleurs basés sur la fibre multimode, la technique abrasion – collage. Du fait que les profils d’indice des cœurs restent inchangés après abrasion, cette technologie semble être plus accessible à la modélisation. Nous nous sommes également heurtés à des secrets de fabrication lors de l’étude de ce type de coupleur, mais la découverte d’un fabricant français (SEDI – Fibres Optiques) et nos premiers contacts avec cette société nous ont permis de croire en nos chances d’aboutir à des résultats. Le modèle du coupleur à fusion – étirage a été abandonné par manque d’informations et de moyens pour corréler simulations et expériences et nous avons alors orienté l’étude exclusivement vers les coupleurs à abrasion – collage.