Discussion

4.6.1 Autres modèles de combinateurs de signal

Comme il a été expliqué en début de ce chapitre, l’étude d’un seul type de combinateur a été réalisée dans les sections précédentes. Cependant, les tendances qui ont été obtenues peuvent s’appliquer à la fabrication de n’importe quel type de combinateur. Tout d’abord, comme il a été exposé, il faut toujours prendre en considération que le nombre de supermodes excités dans un combinateur est égal au nombre de cœurs que celui-ci comporte, en considérant que seulement le mode fondamental des cœurs est excité. L’injection du mode fondamental dans les cœurs d’un combinateur à n cœurs provoquera donc l’excitation de n supermodes. Si le combinateur a été optimisé comme il se doit, ces supermodes ont ensuite le potentiel d’exciter les n modes inférieurs d’une fibre multimode. Puisque la qualité de faisceau est directement reliée à la distribution de puissance dans les modes de la fibre de multimode de sortie, on comprend donc que plus le nombre de cœurs est élevé, plus le facteur de qualité de faisceau se détériore. Afin que la puissance se propageant dans la fibre de sortie soit bel et bien contenue dans les n modes inférieurs supportés par celle-ci, il est alors nécessaire de déterminer les valeurs optimales du facteur de rétrécissement et de la longueur de l’ensemble de fibres effilées ainsi que les paramètres de la fibre multimode de sortie.

4.6.2 Arrangement des fibres d’entrée

Il est possible de noter que l’arrangement des fibres d’entrée, qui sont entassées en configuration hexagonale, satisfait les recommandations données par Fontaine et al. [36]. En effet, il est suggéré que pour s’assurer que les n supermodes supportés initialement par les cœurs d’une structure évoluent pour devenir les n modes inférieurs d’une fibre multimode, il est nécessaire d’entasser les fibres d’entrée dans une configuration qui reflète bien les profils modaux de ces n modes inférieurs. Si cette configuration n’est pas respectée, il devient alors possible d’observer un croisement entre les indices effectifs des supermodes et des modes de gaine lorsque le diamètre de la structure diminue, ce qui favorise le couplage de la puissance vers des modes supérieurs. Cependant, dans le cas du combinateur de signal étudié dans ce chapitre, aucun croisement n’est observable, comme le démontre la figure 4.5, étant donné que la disposition des cœurs reflète bien les profils des modes de la fibre multimode qu’il est nécessaire d’exciter. Il est donc possible de conclure que l’arrangement hexagonal, qui est l’arrangement naturel que prennent sept fibres de diamètre équivalent lorsqu’elles sont entassées, constitue l’arrangement optimal permettant d’exciter les modes inférieurs d’une fibre multimode.

4.7

Conclusion

L’objectif principal de ce chapitre a été d’exposer les différents paramètres entrant en jeu dans la fabrication d’un combinateur de signal. Comme il a été présenté, les deux principaux para- mètres à déterminer lors de la conception d’un tel composant sont le facteur de rétrécissement et la longueur.

Le point principal à retenir par rapport au facteur de rétrécissement est que celui-ci doit être assez élevé pour permettre aux supermodes, initialement guidés par les cœurs, de s’élargir suffisamment pour devenir guidés par l’interface entre la gaine et l’air. De cette manière, il est possible d’obtenir un excellent facteur de recouvrement entre les supermodes et les modes supportés par une fibre multimode dont le diamètre du cœur est égal au diamètre final de l’ensemble de fibres effilées. Dans le cas du combinateur étudié, caractérisé par sept fibres d’entrée 15-125-0.10 entassées en structure hexagonale, le facteur de rétrécissement minimal permettant d’optimiser le facteur de qualité de faisceau est de 8.3, ce qui fait que le diamètre final de l’ensemble de fibres effilées est de 40 µm. En soudant cet ensemble de fibres effilées à une fibre multimode ayant un diamètre de cœur de 40 µm et une ouverture numérique typique de 0.22, il est possible d’atteindre une facteur de qualité de faisceau effectif de ∼2.8. Comme il a été mentionné, il est possible d’effectuer une combinaison de faisceaux à l’intérieur d’une fibre multimode ayant un diamètre de cœur beaucoup plus grand que 40 µm, à condition d’utiliser la méthode d’adaptation modale à deux étages présentée.

Une fois que le facteur de rétrécissement optimal de l’ensemble de fibres effilées est déterminé, il est ensuite possible de déterminer les conditions d’adiabaticité. Pour ce faire, il suffit de déterminer la fraction de la puissance contenue dans les sept supermodes de l’ensemble de fibres effilées en fonction de la longueur de celui-ci. En utilisant le critère selon lequel la limite d’adiabaticité est la longueur permettant d’obtenir plus de 99% de la puissance dans les sept supermodes en sortie de l’ensemble de fibres effilées, il a été conclu que la condition d’adiabaticité était de 35 mm. Cependant, il est tout de même possible d’obtenir une bonne qualité de faisceau si la longueur de l’ensemble de fibres effilées est supérieure à 15 mm. Sous cette valeur, il y a une dégradation abrupte du facteur de qualité de faisceau.

Après avoir déterminé le facteur de rétrécissement et les conditions d’adiabaticité, il est enfin nécessaire de se questionner sur les paramètres de la fibre de multimode de sortie. Tel que démontré, afin de minimiser la dégradation de qualité de faisceau, cette fibre multimode devrait avoir un cœur de même diamètre que la sortie de l’ensemble de fibres effilées. Cependant, cela n’est pas possible du point de vue expérimental. En effet, lors de la fabrication d’un combinateur de signal en laboratoire, il est important de sélectionner une fibre multimode dont le cœur a un diamètre plus élevé que le diamètre final de l’ensemble de fibres effilées. Cela permet de minimiser la puissance indésirable qui est injectée dans les modes de gaine de la fibre multimode suite à la soudure. Cependant, comme on l’a démontré, une différence de 90

diamètre est directement reliée à une dégradation de qualité de faisceau. Il est donc nécessaire de choisir une différence de diamètre assez élevée pour minimiser la puissance injectée dans la gaine de la fibre multimode et assez faible pour obtenir une dégradation de qualité de faisceau acceptable. Cela sera abordé plus en détail au chapitre5. Enfin, on a démontré que l’ouverture numérique de la fibre de livraison laser a très peu d’influence sur la qualité de faisceau. De ce fait, on recommande tout simplement de conserver une ouverture numérique supérieure à 0.20 lors de la conception d’un combinateur de signal.

Chapitre 5

Résultats expérimentaux

Au chapitre précédent, plusieurs simulations numériques ont permis de démontrer comment les paramètres de fabrication d’un combinateur de signal influencent les propriétés du faisceau obtenu en sortie de celui-ci. Afin de confirmer les résultats théoriques obtenus, il est mainte- nant pertinent de passer à l’étape de la fabrication de combinateurs de signal en laboratoire. Ce chapitre porte sur les résultats expérimentaux obtenus suite à la fabrication de ces combi- nateurs. Pour débuter, la section 5.1 présentera les paramètres sélectionnés afin de fabriquer les combinateurs. Pour continuer, la section 5.2 exposera les méthodes de fabrication d’un combinateur de signal et présentera certaines données qui peuvent être recueillies pendant le processus de fabrication. Ensuite, la section5.3abordera les propriétés du faisceau obtenu à la sortie des combinateurs fabriqués, alors que la section5.4s’attardera aux pertes d’insertion de ces combinateurs. Enfin, la section 5.5 présentera les performances thermiques des différents composants qui ont été fabriqués.

5.1

Choix des paramètres de fabrication

Pour débuter, on peut se rappeler que les simulations numériques réalisées au chapitre 4 ont permis de comprendre l’influence des paramètres de fabrication d’un combinateur de signal sur le facteur de qualité de faisceau obtenu en sortie de celui-ci. Dans le cas spécifique où sept fibres optiques de type (15-125-0.10) sont utilisées en entrée du combinateur, il a été possible de déterminer un ensemble de conditions qui doivent être respectées afin d’obtenir un facteur de qualité de faisceau minimal en sortie du composant. Cet ensemble de conditions peut se résumer selon les quatre critères suivants. Notons que les sections antérieures associées à chacun de ces critères sont indiquées.

1. Le diamètre du cœur de la fibre multimode de sortie doit être le plus près possible du diamètre final de l’ensemble de fibres effilées, en demeurant toujours supérieur à ce dernier (section 4.5.1).

2. L’ensemble de fibres effilées doit avoir un diamètre final plus faible que 40 µm (section

4.3).

3. La longueur de l’ensemble de fibres effilées doit être plus élevée que 35 mm (section4.4). 4. L’ouverture numérique de la fibre multimode de sortie doit être supérieure à 0.20 (section

4.5.2).

Notons que les quatre critères précédents ont été présentés selon un ordre allant du plus important au moins important. Tout d’abord, le paramètre le plus important à considérer est la différence entre le diamètre du cœur de la fibre multimode et le diamètre final de l’ensemble de fibres effilées. Par exemple, comme on l’observe à la figure 4.14, lorsque cette différence dévie de 10 µm par rapport à la valeur idéale, une dégradation de qualité de faisceau de 0.6 est obtenue. À titre comparatif, le fait que le diamètre final de l’ensemble de fibres effilées soit de 10 µm plus élevé que la valeur maximale de 40 µm provoque une dégradation de qualité de faisceau d’environ 0.2, comme l’a présenté la figure4.9. On comprend donc le classement des critères 1 et 2. Pour ce qui est de la longueur de l’ensemble de fibres effilées, le critère d’adiabaticité qui a été défini permet d’affirmer que celle-ci devrait être plus élevée que 35 mm. Cependant, on remarque à la figure 4.12 que le fait de diminuer cette longueur d’un facteur deux provoquerait une dégradation de qualité de faisceau d’environ 0.1. Une légère déviation entre la longueur utilisée et la longueur idéale entraîne donc très peu de conséquences sur la qualité de faisceau, d’où le fait que le critère de la longueur prenne la troisième place. Enfin, l’ouverture numérique de la fibre multimode est un paramètre qui a une influence extrêmement faible sur la qualité de faisceau (figure 4.15), ce qui explique le fait que ce critère prenne la quatrième position.

Dans le cadre de ce mémoire, certaines raisons pratiques ont fait qu’il n’a pas été possible de suivre à la lettre les quatre recommandations données ci-dessus afin de fabriquer les différents combinateurs de signal. L’objectif de cette section consiste à examiner comment il a été possible d’utiliser les quatre critères donnés précédemment afin de définir des paramètres de fabrication réalisables de façon expérimentale et qui se rapprochent au mieux des valeurs théoriques idéales.

Tout d’abord, bien que la condition 2 stipule qu’il est possible de choisir tout diamètre final plus faible que 40 µm pour l’ensemble de fibres effilées, il est en pratique plus judicieux d’utiliser la valeur maximale permise qui est de 40 µm. En effet, plus le diamètre final de l’ensemble de fibres effilées est faible, plus celui-ci devient fragile et difficile à manipuler. De plus, un diamètre final trop petit rend la soudure avec la fibre multimode de sortie difficile à réaliser étant donné la grande différence entre le diamètre des deux guides d’onde (le diamètre de gaine d’une fibre de sortie est généralement situé entre 125 et 250 µm). La difficulté à souder deux guides d’onde ayant des dimensions différentes provient du fait que pour effectuer cette opération, il est nécessaire d’élever la température de ceux-ci près de leur point de fusion. Or, 94

l’énergie que doit fournir l’appareil de soudure afin qu’un guide d’onde atteigne la température idéale varie en fonction des dimensions de ce dernier. Lorsque deux guides d’onde ont des dimensions trop différentes, il devient donc difficile de s’assurer que le plus gros d’entre eux reçoive assez d’énergie et que le plus petit n’en reçoive pas trop, ce qui rend la soudure difficile à réaliser. Dans un premier temps, il est donc judicieux de viser à ce que le diamètre de sortie de l’ensemble de fibres effilées prenne la valeur maximale permise qui est de 40 µm.

Ensuite, il est nécessaire d’établir un critère par rapport à la recommandation 1 donnée ci- dessus, qui mentionne que le diamètre du cœur de la fibre multimode doit être légèrement plus élevé que le diamètre final de l’ensemble de fibres effilées. Tel qu’il a été expliqué au chapitre

4, le fait qu’il y ait une partie de l’ensemble de fibres effilées qui ne recouvre pas le cœur de la fibre multimode suite à la soudure entre ces derniers favorise l’injection de puissance vers les modes de gaine de la fibre multimode, ce qui n’est pas souhaitable. Étant donné l’incertitude expérimentale sur le diamètre de l’ensemble de fibres effilées suite à l’étirement, l’erreur de concentricité du cœur de la fibre multimode et l’erreur d’alignement des guides d’onde par la soudeuse, il est nécessaire de viser à ce que le diamètre du cœur de la fibre multimode soit légèrement plus élevé que le diamètre final de l’ensemble de fibres effilées, comme le mentionne la recommandation 1. On doit cependant se rappeler que plus le diamètre du cœur de la fibre multimode diffère du diamètre final de l’ensemble de fibres effilées, plus la détérioration de qualité de faisceau suite à la soudure est prononcée (figure 4.14). Le critère utilisé pour la conception des combinateurs consiste donc à choisir le diamètre du cœur de la fibre multimode afin que celui-ci soit de 5 µm plus élevé que le diamètre final de l’ensemble de fibres effilées. Comme il sera présenté dans la section 5.4, ce critère permet d’obtenir des pertes d’insertion très faibles, ce qui prouve la validité de ce critère.

On peut maintenant s’intéresser au choix de la fibre multimode qui est utilisée en sortie du combinateur. Étant donné les arguments donnés dans les deux paragraphes précédents, cette fibre optique devrait avoir un cœur dont le diamètre est déterminé en ajoutant 5 µm au diamètre final de l’ensemble de fibres effilées, qui est de 40 µm. La fibre multimode devrait donc avoir un cœur de 45 µm. Cependant, il n’a pas été possible de se procurer une telle fibre lors la réalisation des expérimentations. Les deux fibres disponibles dont le diamètre de cœur se rapprochait le plus du diamètre visé ont été les suivantes : une fibre standard (50- 125-0.22) et une fibre à double gaine (56-250-0.22). On se rappelle qu’une fibre à double gaine est constituée d’un revêtement dont le polymère a un indice de réfraction plus faible que la silice, ce qui permet au signal se propageant dans la gaine d’être guidé. Pour les applications de haute puissance, il est nécessaire d’utiliser des fibres à double gaine afin de s’assurer que le signal qui se propage dans la gaine ne soit pas éjecté dans le revêtement en polymère, ce qui provoquerait des échauffements importants susceptibles de causer la défaillance du système. Afin de caractériser le comportement des combinateurs fabriqués à haute puissance, il est donc nécessaire que ceux-ci utilisent la fibre multimode (56-250-0.22) comme fibre de sortie.

Une série de combinateurs a donc été fabriquée à l’aide de cette fibre : il s’agit de la série A. Étant donné le critère spécifié dans le paragraphe précédent qui stipule que le diamètre final de l’ensemble de fibres effilées doit être de 5 µm plus faible que le diamètre du cœur de la fibre multimode, il devient alors nécessaire de fixer le diamètre final de l’ensemble de fibres effilées à une valeur de 51 µm. De ce fait, il y a un écart de 11 µm entre la valeur visée et la valeur théorique maximale de 40 µm. Cet écart provoquera une légère déviation du facteur de qualité de faisceau par rapport à la valeur théorique minimale, comme le montre la figure4.9. Afin de se rapprocher des valeurs théoriques permettant de minimiser le facteur de qualité de faisceau, il est aussi possible de fabriquer une autre série de combinateurs en utilisant la fibre multimode (50-125-0.22) comme fibre de sortie. Il s’agit des combinateurs de la série B. Dans ce cas, le diamètre final de l’ensemble de fibres effilées peut alors être fixé à 45 µm. Il y a donc une différence de 5 µm entre la valeur visée et la valeur théorique maximale de 40 µm, ce qui constitue un écart moins important que pour les combinateurs de la série A. Les combinateurs de la série B ne pourront pas être caractérisés à haute puissance étant donné que la fibre de sortie n’est pas une fibre à double gaine, mais il sera tout de même possible d’obtenir la qualité de faisceau en sortie de ceux-ci et de les comparer avec les combinateurs de la série A. On peut enfin noter que bien que le diamètre final de l’ensemble de fibres effilées soit légèrement plus élevé que la valeur idéale pour les combinateurs des séries A et B, le mince écart qu’on impose ne devrait pas entraîner une détérioration sévère du facteur de qualité de faisceau, comme le montre la figure4.9.

Pour ce qui est de la recommandation 3 portant sur la longueur de l’ensemble de fibres effilées, il n’a pas été possible de fabriquer des composants ayant une longueur de 35 mm. En effet, les équipements disponibles au moment des expérimentations permettaient d’obtenir une lon- gueur maximale de 30 mm. Cependant, tel que mentionné précédemment, le fait de diminuer légèrement la longueur du composant n’engendre pas d’élévation marquée du facteur de qua- lité de faisceau. Tous les composants fabriqués ont donc une longueur de 30 mm. Il est enfin possible de noter que la recommandation 4, qui mentionne que l’ouverture numérique de la fibre multimode doit être plus élevée que 0.20, est vérifiée pour les combinateurs de la série A et de la série B puisque l’ouverture numérique est de 0.22 dans les deux cas.

En résumé, certaines contraintes expérimentales font qu’il est impossible de suivre à la lettre les quatre recommandations données au début de cette section, notamment à cause du fait que les fibres multimode de sortie disponibles présentent un diamètre de cœur supérieur à 45 µm. Cependant, en se basant sur les résultats présentés au chapitre4, les paramètres de conception sélectionnés devraient tout de même permettre la fabrication de combinateurs de signal ayant un facteur de qualité de faisceau se rapprochant de la valeur théorique minimale. Le tableau

5.1permet de résumer les paramètres de conception sélectionnés pour les combinateurs de la série A et de la série B. Au cours des expérimentations qui ont été réalisées, 12 combinateurs appartenant à la série A et 12 combinateurs appartenant à la série B ont été fabriqués.

Théorie Série A Série B Diamètre cœur fibre multimode > diamètre final 56 µm 50 µm

ensemble fibres effilées

Diamètre final ensemble fibres effilées < 40 µm 51 µm 45 µm Longueur ensemble fibres effilées > 35 mm 30 mm 30 mm

NA fibre multimode > 0.20 0.22 0.22

Tableau 5.1 – Résumé des paramètres de conception sélectionnés pour la fabrication des combinateurs de signal et comparaison avec les recommandations théoriques.