Une fibre optique est un guide d’onde dont les propriétés de guidage sont gouver- nées par son profil d’indice. Il existe diverses géométries de fibres optiques des plus classiques aux plus spécifiques. Dans le cadre de ce travail, nous allons présenter un certain nombre de fibres que nous avons regroupées en trois catégories : les fibres conventionnelles, les fibres en anneau et les fibres microstructurées.
1.4.1 Fibres conventionnelles
Le profil d’indice guidant le plus simple est la SSIF (Figure1.1). C’est aussi ce profil qui est visé dans la fabrication de la fibre G652 (e.g. la fibre SMF28) standard par exemple. Le nombre total de modes (guidés et de radiation) dans une SSIF donné par [28] : Mtot = V2 4∆, (1.39) avec V= ak q n2
1−n22, la fréquence normalisée de la fibre reliant tous les paramètres optogéométriques et∆ = (n2
1−n22)/2×n21. Le nombre de modes guidés, en comp- tant les deux dégénérescences en polarisation de chaque mode, est déterminée par :
Mbm= V2
2 (1.40)
Les fibres à profils d’indice parabolique encore appelées fibres à gradient d’indice sont souvent préférées aux SSIF multimodes, à cause des effets négatifs de la disper- sion modale sur les capacités de transmission de ces dernières (voir rubrique1.2.2). En effet, une distribution quadratique de l’indice de réfraction (Figure1.14) permet de réduire la dispersion modale. Comme exemple, on peut citer les fibres standards multimodes OM1, OM2, OM3 et OM4.
En dehors des fibres conventionnelles, il existe d’autres géométries émergentes telles que les fibres en anneau et les fibres légèrement multimodes d’une manière générale. 1.4.2 Fibres en anneau
Une fibre en anneau (RCF) est constituée de trois principales couches assurant le gui- dage de la lumière. La couche intermédiaire, l’anneau, possède l’indice de réfraction le plus élevé n1, tandis que ses deux couches adjacentes ont des indices n2et n0plus
r a -a 0 n n2 n1 Gaine
Figure 1.14 – Section transverse et profil d’indice d’une fibre à gradient
d’indice : a représente le rayon du cœur et n1et n2représentent l’indice de
réfraction maximum du cœur et l’indice de réfraction de la gaine respective- ment.
bas et peuvent se retrouver dans trois configurations différentes à savoir n2 = n0 (RCF à cœur solide), n2 > n0 et n2 < n0. Une RCF est également caractérisée par deux paramètres géométriques a et b qui représentent les rayons interne et externe de l’anneau (Figure1.15). r a 0 -a -b b n n2 n0 n1 Région Centrale r a 0 -a -b b n n2 n1 Anneau Gaine
Figure 1.15 – Sections transverses et profils d’indice de fibres en anneau
avec a et b les rayons internes et externes de l’anneau, n2, n1et n0les indices
de réfraction de la gaine, de l’anneau et de la région centrale respectivement :
(gauche) RCF à cœur solide avec n2=n0et (droite) fibre à cœur creux avec
n2>n0.
Pour n2 >n0(Figure1.15(droite)), lorsque l’indice n0est égal à celui de l’air (n0 '1), on l’appelle parfois RCF à cœur creux.
De même que pour les fibres conventionnelles, les indices effectifs des modes gui- dés dans une RCF se retrouvent dans l’intervalle n2 < neff < n1 (entre l’indice de réfraction le plus élevé qui est celui de l’anneau et l’indice de la gaine).
Les RCFs tout comme les fibres conventionnelles sont fabriquées par un processus en deux étapes, consistant à produire une préforme (de taille centimétrique) par déposition chimique en phase de vapeur modifiée (MCVD) ou par OVD (Outside Vapor Deposition en anglais) et à l’étirer aux dimensions réelles (souvent autour de la centaine de micromètres) de la fibre.
Tandis que les SSIFs, les fibres à gradient d’indice et les RCFs ont des couches ho- mogènes, il existe des fibres avec des gaines non homogènes appelées fibres micro- structurées.
1.4.3 Fibres optiques microstructurées
Inclusions Cœur
Λ d
20µm 20µm
Figure 1.16 – Image obtenue au microscope électronique à balayage (MEB)
des sections transverses de fibre à cristaux photoniques (PCF)s guidant (gauche) par réflexion totale interne modifiée avec des inclusions en air et (droite) par bande interdite photonique (BIP) avec des inclusions en silice dopées à l’oxyde de germanium (source : FiberTech Lille).
La fibre microstructurée encore appelée PCF a généralement un cœur homogène et une gaine diversement microstructurée. Selon les mécanismes de guidage, les PCFs peuvent être classées en deux groupes : les unes guidant par réflexion totale interne modifiée et les autres par effet de BIP. La gaine des PCFs est le plus souvent com- posée de plusieurs couronnes arrangées de façon hexagonale pour laquelle l’assem- blage est aisé. Lorsque cet arrangement est périodique, on peut dégager deux pa- ramètres géométriques essentiels : l’espacement entre deux inclusions quelconques dans le maillage, notéΛ, et leur diamètre, d (Figure1.16) [25].
Les PCFs sont fabriquées par la méthode d’assemblage-étirage, un processus en plu- sieurs étapes généralement différent de celui utilisé pour les fibres optiques conven- tionnelles. En effet, la préforme initiale est fabriquée à partir de grands tubes (et/ou tiges) en verre qui sont préalablement étirés et découpés en un nombre nécessaire de capillaires. Ces derniers sont ensuite assemblés et placés à l’intérieur d’un tube
Tirage Assemblage Tirage Tirage
tiges tiges
Figure 1.17 – Étapes de fabrication d’une PCF. Les données entre paren-
thèses sont les ordres de grandeur de longueur et de diamètre respectivement
(source : modifiée de [25]).
manchon. Cette préforme initiale est ensuite étirée en plusieurs cannes de dimen- sions réduites. Chaque canne sélectionnée est gainée dans un tube de verre puis étirée en la fibre finale (Figure1.17).
Du fait de la dimension finie de la gaine, les modes confinés dans le cœur sont des modes à fuite et les pertes par confinement ne doivent pas être négligées [25]. Ces pertes sont calculées par la relation [51] :
CL= 20
ln 10=m(β) (1.41)
1.4.3.1 PCF guidant par BIP
Une PCF guidant par BIP est composée d’un cœur d’indice bas entouré d’une gaine périodique constituée d’éléments alternant indice élevé et indice bas à l’échelle de la longueur d’onde. Il en existe à cœur creux ou solide. A travers le développement des PCFs à cœur creux, il y a encore aujourd’hui la quête de fibres ayant des pertes extrêmement faibles voire inférieures à celles des standards de SMF actuels, dont les meilleures performances peuvent descendre jusqu’à 0.1419 dB/km. Une valeur de 1.2 dB/km dans une fibre à cœur creux légèrement multimode a été déjà atteinte [52].
1.4.3.2 PCF guidant par réflexion totale interne modifiée
Une PCF guidant par réflexion totale interne modifiée est souvent constituée d’un cœur solide (silice par exemple) entouré d’une gaine microstructurée d’indice moyen inférieur à celui du cœur. Les inclusions constituant la gaine microstructurée sont généralement des trous d’air, de sorte que la moyenne géométrique de l’indice de réfraction de la gaine est toujours inférieure à celle du cœur tout solide. Cependant, considérer la moyenne géométrique pour définir l’indice de la gaine n’a de sens que si la longueur d’onde est grande par rapport à la microstructuration. L’indice ef- fectif du mode de gaine d’ordre le plus bas, appelé nSFM (pour space-filling mode
en anglais) est considéré comme l’indice réel de la gaine et peut-être calculé par la MEF présentée à la rubrique1.1.6.2. Il existe aussi des approches analytiques pour l’estimer.
Les pertes par confinement peuvent être améliorées en augmentant le nombre N de couronnes d’inclusions ou le rapport d/Λ [25]. Les pertes globales dans les PCFs deviennent alors limitées par les mêmes mécanismes que ceux rencontrés pour les fibres conventionnelles auxquels s’ajoute la diffusion de surface à cause de la mul- titude d’interfaces qu’elles comportent. Il a cependant été possible d’atteindre des valeurs de l’ordre de 0.18 dB km−1[53]. Par ailleurs, à cause des effets non-linéaires importants et d’autres propriétés qu’il est possible d’obtenir grâce à des géomé- tries appropriées (notamment le contrôle de la dispersion chromatique de vitesse de groupe), ces fibres trouvent beaucoup d’applications dans le domaine des cap- teurs, de la génération de supercontinuum, de la conversion de fréquence, des lasers de sorties hautes puissances et à grandes aires effectives, de décalage solitonique etc [25].