Inscription de réseaux de Bragg

Les premières expériences d’inscription de réseaux de Bragg remontent à 1978, lorsque l’équipe de K. O. Hill du CCR (Centre de Recherche sur les Communications optiques), Ottawa, Canada, mit en évidence le phénomène de photosensibilité du cœur d’une …bre op- tique dopée à l’oxyde de germanium [Hill 1978, Kawasaki 1978]. En y injectant un faisceau laser à 488 nm, ils observèrent une augmentation avec le temps de l’intensité de la lumière ré- trodi¤usée, jusqu’à rétrodi¤usion totale de la lumière injectée. Ce phénomène irréversible fut alors attribué à une modi…cation permanente de l’indice de réfraction du cœur de la …bre sous l’e¤et d’une irradiation. Dans le même temps, l’équipe de W.W. Morey et G. Meltz à l’UTRC (United Technologies Research Center) travaillent sur le même sujet [Morey 1989]. Ces deux laboratoires sont de fait les « co-inventeurs » des réseaux de Bragg et les propriétaires de plusieurs brevets de bases sur cette technologie.

2.2.2.1 Photosensibilité des …bres dopées à l’oxyde de germanium

Comme nous l’avons mentionné en amont, lors de la fabrication d’une …bre optique, le cœur est généralement dopé, par exemple à l’oxyde de germanium, a…n d’ajuster le pro…l d’indice. L’inscription d’un réseau de Bragg dans le cœur d’une …bre optique repose sur les propriétés de photosensibilité de la silice ainsi dopée, susceptible de subir une modi…cation permanente de son indice de réfraction sous l’action d’un rayonnement ultraviolet. La photosensibilité des …bres dopées à l’oxyde de germanium met en jeu des phénomènes complexes liés aux dopants, allant de la présence de bandes d’absorption situées autour de 240 nm [Hosono 1992] à la création de centres colorés [Hand 1990, Cohen 1957] en passant par la relaxation structurale et la densi…cation des molécules [Poumellec 1996].

Le pic d’absorption de la silice dopée à l’oxyde de germanium étant proportionnel à la concen- tration de dopants, la photosensibilité des …bres à haute teneur en germanium est accrue. Ce-

pendant, la fabrication de telles …bres s’avère complexe (fortes contraintes dans la préforme) et donc coûteuse. Cependant, plusieurs techniques permettent d’augmenter considérable- ment la photosensibilité d’une …bre faiblement dopée, la plus utilisée étant l’hydrogénation. Pour ce faire, la …bre est placée dans une enceinte sous pression (typiquement 200 bar) contenant de l’hydrogène pendant plusieurs jours [Lemaire 1993]. Les molécules d’hydrogène di¤usent dans le cœur de la …bre et réagissent avec le germanium pour créer des défauts supplémentaires, sensibles à l’irradiation au rayonnement ultraviolet. Ainsi, des …bres stan- dard et peu coûteuses comme celles destinées aux télécommunications peuvent être utilisées pour l’inscription de réseaux de Bragg. L’inconvénient de cette technique se situe au ni- veau des pertes par absorption induite par l’hydrogénation dans la fenêtre proche infrarouge utilisée dans les télécommunications optiques. Des travaux portant sur le remplacement de l’hydrogène par du deutérium [Stone 1987] ont montré que cette technique permettait de décaler cette bande d’absorption vers les hautes longueurs d’onde. Plus complexe et couteux, l’emploi de deutérium reste cependant marginal. D’autre part, des études ont montré que les réseaux de Bragg inscrits dans des …bres optiques photosensibilisées par hydrogénation à haute pression et température ambiante présentent une stabilité inférieure à celle des réseaux inscrits dans des …bres non traitées. La mise au point d’une nouvelle méthode de photo- sensibilisation, l’hypersensibilisation par UV, résulte de ce constat. Cette dernière consiste à insoler uniformément par rayonnement UV une …bre optique préalablement hydrogénée à haute pression. Cette méthode permet d’améliorer la ré‡ectivité des réseaux par rapport à ceux inscrits dans des …bres uniquement hydrogénées ou non traitées [Canning 2000]. Plus récemment, des chercheurs ont montré qu’il était possible d’augmenter considérablement la photosensibilité des …bres standard destinées aux télécommunications en leur appliquant une tension mécanique longitudinale (amplitude typique équivalente à un alongement de 3 %) lors de l’inscription du réseau [Salik 2000].

2.2.2.2 Méthodes d’inscription

Dans le cas particulier de l’expérience de K. O. Hill, l’inscription du réseau de Bragg résulte de la création d’une onde stationnaire se formant par interférence (succession de zones sombres et brillantes) entre les ondes incidente et rétrodi¤usée en bout de …bre par ré‡exion de Fresnel. La longueur d’onde de la lumière ré‡échie par le réseau est donc accordée sur celle de la lumière émise par le laser utilisé pour l’inscription, soit 488 nm.

Méthode interférométrique transverse Suite à la mise en évidence du phénomène de photosensibilité et à l’invention du réseau de Bragg, l’équipe de G. Meltz [Meltz 1989] proposa une amélioration fondamentale du procédé d’inscription. Il s’agit d’une méthode d’inscription transverse, permettant de créer des réseaux fonctionnant à n’importe quelle longueur d’onde. Au lieu d’inscrire le réseau selon un procédé longitudinal, l’inscription du réseau de Bragg dans le cœur d’une …bre optique dopée à l’oxyde de germanium résulte de l’insolation latérale avec une …gure d’interférence (succession de franges sombres et brillantes). De fait, toute

longueur d’onde caractéristique (longueur d’onde de Bragg) est accessible à ce type de réseau via l’ajustement du pas des franges d’interférences.

En 1981, une étude détaillée a montré qu’à 488 nm, la variation d’indice induite dans le cœur de la …bre est proportionnelle au carré de l’intensité de la lumière utilisée pour l’inscription du réseau, ce qui correspond à un processus d’absorption à deux photons [Lam 1981] (ab- sorption de deux photons, émission d’un photon). L’utilisation d’un seul photon de fréquence double et donc de longueur d’onde moitié, soit 244 nm, a permis d’améliorer considérable- ment l’e¢ cacité du processus d’absorption et par voie de conséquence celle du protocole d’inscription de réseau de Bragg. Dans l’expérience de G. Meltz, la …gure d’interférence est donc générée par un interféromètre à deux ondes et un laser à 244 nm. Le pas de la …gure d’interférences se réglant simplement en changeant l’angle entre les deux faisceaux qui in- terfèrent (cf. …g. 2.6), il est désormais possible de choisir la longueur d’onde de la lumière ré‡échie par le réseau. La relation entre le pas et l’angle est donnée par l’équation :

= 0

2 sin (2.10)

où 0 est la longueur d’onde du rayonnement UV servant à l’inscription du réseau. Le principal avantage du banc interférométrique transverse (par exemple de type miroir de Lloyd) est donc de donner accès à tout un éventail de longueurs d’ondes de Bragg ; son inconvénient se situe au niveau de la di¢ culté des réglages.

interfrange de la figure d’interférences

demis faisceaux laser UV

cœ ur de la fibre

zone d’interférences

Figure 2.6: Inscription d’un réseau par la méthode interférométrique transverse. Le pas du réseau est égal à l’interfrange de la …gure d’interférences, réglée en changeant l’angle entre les deux demis faisceaux.

Méthode du masque de phase Quelques année plus tard, une seconde méthode d’inscription fut mise au point, celle du masque de phase [Hill 1993a, Hill 1993b], dont le principal intérêt réside dans la simplicité du montage optique. Le masque de phase consiste en une lame de verre transparente aux UV, sur laquelle sont gravés des sillons régulièrement espacés d’une distance d. Le principe consiste à placer la …bre à insoler au quasi contact du masque, perpendiculairement aux traits de ce dernier, puis à éclairer l’ensemble à l’aide d’un faisceau UV collimaté en incidence normale. En traversant le masque, le faisceau UV est di¤racté suivant plusieurs ordres. Or, en jouant sur la profondeur des sillons, il est possible de

concentrer l’énergie dans les ordres impairs et obtenir ainsi jusqu’à 40 % de l’énergie dans les premiers ordres pour seulement quelques pour-cent dans l’ordre zéro. Les faisceaux d’ordre + 1 et –1 forment, en interférant, un système de franges qui éclaire la …bre (cf. …g. 2.7). La période du réseau de Bragg inscrit par cette méthode est donc égale à la moitié du pas du masque de phase ( = d=2). Comme le pas du réseau est …xé par celui du masque, il faut disposer d’un masque de phase pour chaque longueur d’onde de Bragg, c’est là l’inconvénient majeur de ce dispositif ; a contrario, il assure la reproductibilité des conceptions, très utile en production.. faisceau laser UV collimaté cœ ur de la fibre zone d’interférences d = 2 ordre -1 ordre +1 masque de phase

Figure 2.7: Inscription d’un réseau par la méthode du masque de phase. Le pas du réseau est égal à l’interfrange de la …gure d’interférences, soit la moitié du pas d du masque de phase.

Il existe d’autres méthodes d’inscription, mais celles qui viennent d’être présentées sont les deux les plus utilisées. Par ailleurs, il est important de rappeler que les caractéristiques …nales d’un réseau de Bragg ne dépendent pas seulement de son pas. D’autre paramètres d’inscription, tels que la longueur d’onde, le régime de fonctionnement (impulsionnel ou continu) et la puissance du laser utilisé, la longueur du réseau, l’indice e¤ectif de propagation des ondes dans la …bre optique utilisée pour l’inscription ou encore l’amplitude de la mo- dulation d’indice, ont une incidence. Ils agissent aussi bien sur la ré‡ectivité maximale à la longueur d’onde de Bragg du réseau, la largeur du pic à mi-hauteur ainsi que sur sa capacité à supporter des températures élevées [Guan 2000, Fokine 2004] ou de forts allongements. Aussi les qualités intrinsèques (coe¢ cients thermo-optique, élasto-optique) des matériaux (verres) qui constituent les …bres optiques ont-elles une in‡uence sur les propriétés de transduction des réseaux de Bragg.