Guides courbés et coupleurs, caractérisation à 2850 nm

Le schéma du montage de caractérisation des guides d’onde et des coupleurs à une longueur d’onde de 2850 nm est montré à la Figure 3.4. La source est un laser continu à fibre dopée erbium émettant à 2850 nm [99]. Les fibres d’injection et de collection du signal sont identiques : des fibres en verre fluorozirconate monomodes à 2850 nm (Le Verre Fluoré ND7), de diamètre du cœur de 14,8 µm et d’ouverture numérique de 0,12. La puissance transmise est mesurée avec un détecteur à thermopile (Gentec XLP12).

Figure 3.4 : (a) Schéma du montage pour la caractérisation des guides d’onde et des coupleurs à une longueur d’onde de 2850 nm. (b) La transmission d’un guide d’onde est déterminée par rapport à la puissance de référence Pref. (c) Image de la zone de couplage en vue de dessus dans l’échantillon FBGG65, prise au microscope optique en lumière blanche.

Pour évaluer les pertes causées par les courbures, 10 guides d’onde courbés ont été inscrits, comprenant des portions courbées avec des rayons de courbure allant de 30 à 75 mm. Ces guides courbés sont des « demi-coupleurs », c’est-à-dire une branche de coupleur comme ceux montré à la Figure 3.5, mais non couplée avec une deuxième branche. Le décalage latéral des guides (H) est toujours de 75 µm, mais la longueur des portions courbées baisse avec le rayon de courbure (de 4,7 à 3 mm pour des rayons de courbure de 75 à 30 mm).

Figure 3.5 : Schéma représentant deux branches de coupleur (ou « demi-coupleurs ») superposées, construites avec des rayons de courbure différents : le guide rouge a un rayon de courbure plus petit que le guide bleu. Le décalage H reste constant mais les longueurs des portions courbées (Lrouge et Lbleu) changent.

Les mesures de transmission des guides en fonction du rayon de courbure sont présentées à la Figure 3.6-a. On remarque que les pertes dues à la courbure deviennent négligeables à partir d’environ 60 mm, la transmission totale d’un guide droit étant en moyenne de 49 %.

Le rayon de courbure de 75 mm choisi pour les coupleurs est donc suffisant pour éviter les pertes par courbure.

La meilleure transmission mesurée à 2850 nm pour un guide d’onde non couplé est de 53,8 %. L’accord modal entre la fibre de collection ou d’injection a été calculé numériquement à 95 % dans le cas d’un alignement optimal et pour des guides d’onde idéaux à saut d’indice. Pour chaque mesure, les distances entre le bloc et les fibres d’injection de collection sont ajustées pour maximiser la transmission. On suppose que la transmission des cavités Fabry-Perot à l’entrée (ou à la sortie) du guide d’onde est de 99,6 %. La transmission due à la propagation dans le guide d’onde est donc estimée à 60 %. Le guide d’onde étant long de 1,49 cm, on estime les pertes de propagation dans le guide à 1,49 dB/cm. D’après des mesures de spectre en transmission sur un échantillon de 4 mm d’épaisseur, on a une atténuation de 1,34 dB/cm à 2850 nm.

11 coupleurs ont été inscrits, avec une longueur de couplage variant de 0 à 5 mm. L’écart entre les guides d’onde dans la zone de couplage est de 25 µm centre à centre, ou ~ 3,8 µm bord à bord. Pour chaque coupleur testé, on a quatre mesures de puissance transmise : deux mesures (PA et PB) avec la fibre d’injection couplée avec l’entrée du guide A et deux autres mesures avec la fibre d’injection couplée avec le guide B. On définit la transmission relative Tr d’un coupleur comme étant le rapport PX/PAB, PX étant la puissance mesurée à la

sortie du guide non couplé avec la fibre d’injection et PAB étant la somme des deux

puissances de sortie. On a représenté à la Figure 3.6-b la transmission relative Tr des

coupleurs ainsi que la transmission totale Ttot du coupleur (PAB/Pref) en fonction de la

longueur de la zone de couplage Lc. On remarque que la transmission totale des coupleurs

Figure 3.6 : Résultats de mesures de transmission à 2850 nm dans l’échantillon FBGG65 de (a) guides d’ondes courbés en fonction du rayon de courbure et (b) de coupleurs en fonction de la longueur de couplage Lc. Pour les coupleurs on a représenté la transmission totale (triangles, axe de droite) et la transmission relative entre les deux sorties (cercles, axe gauche). Les deux derniers points encadrés en rouge n’ont pas été pris en compte pour l’ajustement de la courbe bleu.

La transmission relative des coupleurs (qui ne prend pas en compte les pertes des guides d’ondes) évolue de ~22 % à ~99 %. La courbe ne commence pas à 0 % car même avec Lc = 0 mm, les portions courbées contribuent au couplage. D’après (11) et (12), la courbe

obtenue peut être modélisée par une équation de la forme 𝑦 = sin2(𝐶 ⋅ 𝑥 + 𝐾) ou 𝐶 est le coefficient de couplage au centre du coupleur et 𝐾 représente la contribution des portions courbées du coupleur. K est une constante qui ne dépend pas de Lc car les portions

courbées sont les mêmes pour chaque coupleur. On a construit une courbe en ajustant les paramètres 𝐶 et 𝐾 pour correspondre au mieux aux valeurs expérimentales (minimisation du 𝜒2). On a choisi de retirer le dernier point (coupleur #11 pour lequel Lc = 5 mm) pour

l’ajustement des paramètres, car ce dernier semble « défectueux » par rapport aux autres. On trouve un coefficient de couplage 𝐶 = 0,293 mm-1 _{et 𝐾 = 0,484, avec un coefficient de}

détermination R = 0,0563 (courbe en bleu à la Figure 3.6-b). D’après l’équation (9), le coefficient de couplage théorique pour deux guides d’onde de section circulaire de rayon a = 10,6 µm, séparés de 25 µm (centre à centre), d’indice nc = 1,703, dans un milieu d’indice

nm = 1,7, le coefficient de couplage à  = 2850 nm est 𝐶𝑡 = 0,287 mm-1, soit ~98 % de la

valeur extraite des données expérimentales. Nous avons précédemment supposé que les mesures de ∆n étaient valables dans l’infrarouge moyen, et ce calcul ne met pas en défaut cette hypothèse, du moins à une longueur d’onde de 2850 nm. Ceci pourrait être compatible avec l’hypothèse d’une très faible dispersion spectrale des indices de réfraction pour ces verres, en particulier vers l’infrarouge.

Pour résumer, nous avons une série de coupleurs opérationnels dans l’infrarouge moyen dans un échantillon de verre BGG. À une longueur d’onde de 2850 nm, les mesures montrent qu’on arrive à un ratio de transfert de 98,9 % dans le guide d’onde couplé. Les pertes totales des coupleurs sont équivalentes à celles d’un guide d’onde droit. Les mesures des caractéristiques des guides d’onde (variation d’indice de réfraction) sont validées par le calcul théorique du coefficient de couplage qui correspond à la valeur déterminée expérimentalement. Dans la partie suivante, nous essayons de faire le même type de coupleurs dans un verre de silice.