GUIDE D’ONDE À FAIBLES PERTES DANS UN VERRE BGG

Nous avons vu que l’inscription par laser femtoseconde dans les verres BGG permet la fabrication de guides d’onde stables avec une nette augmentation de l’indice de réfraction. Des guides d’onde de section faiblement elliptique (ellipticité < 0,4), avec un ∆n régulier et homogène, sont réalisables avec un seul passage du faisceau laser. Nous allons voir dans cette partie que les guides d’onde guident efficacement la lumière grâce aux expériences réalisées avec le montage décrit dans la partie 2.1.3.

Figure 2.19 : Images au microscope optique (50x) de la section transverse (à gauche) et longitudinale (à droite) d’un guide d’onde inscrit dans l’échantillon FBGG65 (Ep = 0,65 µJ, v = 5 mm/s) avec le système laser à impulsions sub-100 fs.

Figure 2.20 : Profils d’intensité des modes guidés dans un guide d’onde de l’échantillon FBGG65 à plusieurs longueurs d’onde. Les pertes mesurées sont écrites pour chaque longueur d’onde. La ligne blanche représente 20 µm sur chaque image. Pour les longueur d’onde 1550 et 2785 nm, l’image du haut correspond à l’alignement de la fibre d’injection donnant le maximum de puissance transmise.

L’échantillon testé est le FBGG65, car c’est celui dont la transmission dans l’infrarouge moyen est la meilleure. La source utilisée pour l’inscription des guides d’onde testés ici est celle délivrant des impulsions de 85 fs, à un taux de répétition de 250 kHz et une longueur d’onde de 800 nm et avec un objectif de microscope d’ouverture numérique de 0.55 pour focaliser le faisceau laser. Les paramètres d’irradiation ont été ajustés pour produire plusieurs guides d’onde monomodes à la longueur d’onde de la source de caractérisation à 2,785 µm. Les guides, inscrits à 150 µm sous la surface, ont une longueur de 16 mm,

longueur totale de l’échantillon de FBGG65 après inscription et polissage. Une image de la section transverse et longitudinale d’un guide d’onde est visible à la Figure 2.19. Les résultats dont nous parlons dans cette partie sont basés sur ce guide d’onde en particulier. D’après les mesures de ∆n, l’ouverture numérique du guide est de 0,096. Pour évaluer ses performances, différentes longueurs d’onde (515, 1550 et 2785 nm) ont été injectées dans ce guide d’onde. Les images des modes guidés à ces longueurs d’onde et les pertes en transmission mesurées sont représentées à la Figure 2.20.

Le guide d’onde supporte deux modes à 2785 nm : un mode fondamental, semblable au mode LP01 [103,104] (mais avec une ellipticité de 0,17), et un mode d’ordre supérieur semblable au mode LP11 [103,104]. Ce dernier est observé quand la fibre d’injection est désalignée dans le sens du grand axe du guide d’onde, il porte peu de puissance. On peut retrouver ces modes en utilisant un logiciel qui résout les modes propres de structures modélisées (Lumerical, MODE). Le guide est modélisé par un cœur d’indice nc = 1,7027 de

section ovale, dans un milieu d’indice ng = 1,7000 (la mesure de ∆n a été faite pour une

longueur d’onde visible d’environ 550 nm, mais pour ces calculs nous considérons que le ∆n à 2,8 µm est le même qu’à 555 nm). Les profils d’intensité des modes stables trouvés par le solveur sont présentés à la Figure 2.21. Chaque profil peut représenter deux modes de polarisations perpendiculaires. On a donc quatre modes stables pour ce guide d’onde. L’ellipticité du mode fondamental simulé est de 0,17, comme mesuré expérimentalement. À partir de cette simulation, on a pu calculer numériquement l’efficacité de couplage du guide d’onde photo-inscrit avec le guide d’onde de la fibre optique d’injection (diamètre de cœur = 14,8 µm et O.N. = 0.12). On trouve une transmission de 91 %.

Figure 2.21 : Profils d’intensité des modes portés par le guide d’onde (à 2785 µm) modélisé dans le logiciel Lumerical. Le guide d’onde modélisé a une section ovale (28 par 19 µm) et a un indice de réfraction supérieure de 0,0027 par rapport au milieu environnant (n = 1,7000). Les bords du guide d’onde sont marqués en rouge.

Les pertes totales dues à la traversée du guide d’onde s’élèvent à -1,14 dB. Ces pertes viennent d’une part de la propagation dans le guide d’onde (diffusion et absorption) et des pertes aux interfaces (réflexions de Fresnel et désaccord modal). Les pertes de couplage à l’insertion ont été estimées à -0,41 dB à l’aide du solveur de modes (dans une configuration idéale avec alignement optimal et pour des guides d’onde à saut d’indice de section circulaire ou elliptique). Les pertes de couplage à la collection du signal sont considérées comme nulles, car tout le signal en sortie du guide d’onde BGG entre dans le cône d’acceptance de la fibre multimode. En ce qui concerne les réflexions, nous avons remarqué qu’un ajustement approprié de la distance fibre-bloc permettait de maximiser la transmission par un effet de cavité Fabry-Perot (c.f. Annexe : Cavité Fabry-Perot entre deux guides d’ondes): les calculs d’interférences dues aux réflexions aux interfaces prévoient un maximum de transmission de 0,994 et un minimum de 0,831 avec une période spatiale de 1,425 µm. La somme des pertes causées par les réflexions de Fresnel à l’insertion et à la collection est évaluée à -0,05 dB. Il s’agit d’une borne supérieure atteinte seulement si le positionnement des fibres par rapport au bloc est précis et stable à 0,1 µm près, ce qui est très difficilement atteignable.

Si nous retirons l’estimation des pertes à l’entrée et à la sortie du guide d’onde (borne supérieure), on obtient au plus -0,68 dB pour les pertes de propagation le long du guide d’onde. L’échantillon faisant 1,6 cm de long, cela donne une atténuation de ~0,43 dB/cm Cette valeur est très certainement surestimée compte tenu du fait qu’on a supposé une

efficacité de couplage idéale. Une petite fraction de la lumière non guidée peut être collectée par la fibre multimode, d’un diamètre de cœur de 110 µm. Un simple calcul de propagation de faisceau permet d’estimer la contribution du faisceau non guidée dans la puissance transmise mesurée. Une borne supérieure de -0,5 ±0,1 dB/cm a été déterminée avec cette méthode. D’après des mesures de spectre en transmission sur un échantillon de 4 mm d’épaisseur, on a une atténuation de ~0,40 dB/cm à 2785 nm.

Pour les longueurs d’onde de 520 et 1550 nm, les pertes totales en transmission s’élèvent à 2,1 et 1,7 dB respectivement. Ces pertes, plus élevées malgré l’absorption plus faible du matériau, sont dues au caractère multimodal du guide d’onde, les modes d’ordre élevés subissant plus de pertes de guidage qu’un mode fondamental.