Après avoir caractérisé la qualité de faisceau et les pertes d’insertion des combinateurs de signal qui ont été fabriqués, il est finalement nécessaire d’évaluer les performances thermiques de ceux-ci. Mentionnons tout d’abord qu’avant de fabriquer les différents combinateurs de signal qui ont été présentés dans ce chapitre, plusieurs itérations ont été réalisées afin d’optimiser le processus de fabrication et de vérifier la validité de ces composants. Lors de ces itérations, des élévations thermiques significatives ont pu être observées à cinq endroits différents à l’intérieur des combinateurs. Pour débuter cette section, il est donc pertinent de présenter les cinq zones d’un combinateur où il est susceptible d’y avoir des élévations thermiques. La figure5.12illustre ces cinq zones et les paragraphes qui suivent décrivent pourquoi des élévations thermiques peuvent être observées à chacune de ces zones.
Soudure Extracteur des modes de gaine D´ebut du revˆetement de la fibre multimode Fibre multimode Ensemble de fibres effil´ees
Figure 5.12 – Illustration des cinq zones d’un combinateur de signal où on peut observer des élévations thermiques.
Tout d’abord, le premier endroit où il peut y avoir des élévations thermiques est la zone de rétrécissement des fibres optiques formant le combinateur. En effet, il est possible que le processus d’étirement des fibres ne soit pas réalisé de manière optimale, ce qui peut avoir comme conséquence de provoquer une déformation indésirable des guides d’onde. Si cette déformation est importante, la propagation du signal peut alors être perturbée, provoquant ainsi une élévation thermique. De plus, il est aussi possible qu’un dépôt de contaminants dans la zone de rétrécissement des fibres provoque des échauffements. En effet, comme il
a été présenté au chapitre 4, le signal qui se propage initialement dans le cœur de chaque fibre s’élargit progressivement lorsque le diamètre de l’ensemble de fibres effilées diminue. À partir d’un certain facteur de rétrécissement, le signal n’est plus guidé par les différents cœurs, mais plutôt par l’interface entre la gaine et l’air libre. On peut donc comprendre que s’il y a présence de contaminants sur le l’ensemble de fibres effilées à cet endroit, ceux-ci sont susceptibles d’absorber une partie du signal, causant ainsi une élévation thermique.
Ensuite, la seconde zone où il peut y avoir des élévations thermiques est à l’endroit de la soudure entre l’ensemble de fibres effilées et la fibre multimode. En effet, il est possible que le processus de soudure provoque une modification indésirable des propriétés des guides d’onde ou bien qu’une impureté s’incorpore au verre à ce moment. Dans de tels cas, un échauffement ponctuel pourrait être observé au niveau de la soudure.
La troisième zone où il y a des risques d’élévation thermique est sur la gaine de la fibre multimode, entre la soudure et le début du revêtement de polymère. Suite à la soudure, il est en effet impossible que la totalité du signal se propage à l’intérieur du cœur de la fibre multimode. La faible fraction de la puissance se propageant dans la gaine est alors guidée par l’interface entre la silice et l’air libre. Dans le cas où il y aurait présence de contaminants sur la surface de la fibre multimode, le signal peut alors être capté par ces contaminants, causant ainsi des échauffements.
Ensuite, la quatrième zone où il est possible d’observer des élévations thermiques est située à l’endroit où le revêtement de la fibre multimode débute. On peut se rappeler que cette fibre multimode est une fibre à double gaine, ce qui implique que le polymère constituant son revêtement possède un indice de réfraction plus faible que la silice. Tel que mentionné précédemment, une certaine fraction de la puissance est injectée dans la gaine de la fibre multimode suite à la soudure entre celle-ci et l’ensemble de fibres effilées. Cette puissance est tout d’abord guidée par l’interface entre la silice et l’air libre, ce qui implique une ouverture numérique très importante. Cependant, l’ouverture numérique chute brusquement lorsque le revêtement débute. À cet endroit, les modes de gaine qui ont une divergence plus élevée que la nouvelle ouverture numérique sont alors éjectés dans le polymère, qui a une absorption très importante par rapport à la silice. Tout dépendant de la répartition de la puissance dans les différents modes de gaine, il est alors possible d’observer une élévation thermique à l’endroit où le revêtement de la fibre multimode débute.
Enfin, tel que mentionné à la section précédente, il est nécessaire d’utiliser un extracteur de modes de gaine en sortie du combinateur afin de minimiser la puissance qui se propage dans la gaine de la fibre multimode. De ce fait, l’extracteur des modes de gaine est le cinquième endroit où il est possible d’observer une élévation thermique. Cette élévation dépend évidemment du niveau de puissance guidé par la gaine de la fibre multimode. Puisque la répartition de la puissance dans les modes de cœur et les modes de gaine se fait à l’endroit de la soudure entre
l’ensemble de fibres effilées et la fibre multimode, on comprend donc que l’élévation thermique au niveau de l’extracteur des modes de gaine est reliée à la qualité de cette soudure.
5.5.1 Méthodologie
Tel qu’il a été expliqué précédemment, seuls les combinateurs de la série A peuvent être soumis aux tests de caractérisation thermique puisque la fibre optique présente en sortie de ceux-ci est une fibre à double gaine. Tout d’abord, afin de réaliser les mesures thermiques, la méthode la plus simple consiste à utiliser plusieurs lasers de haute puissance afin d’injecter simultanément un signal dans les six branches du combinateur. Comme il a été mentionné dans l’introduction de ce mémoire, l’objectif visé est que les combinateurs fabriqués démontrent des performances thermiques qui leur permettent de supporter une puissance totale de 6 kW. Cela impliquerait donc qu’une puissance de 1 kW soit injectée simultanément dans chacune des six branches de périphérie du composant. Cependant, au moment où les expérimentations ont été effectuées, un seul laser de haute puissance était disponible pour réaliser la caractérisation thermique. Il a donc été nécessaire de procéder à cette caractérisation branche par branche en réalisant le montage présenté à la figure 5.13.
Combinateur de signal ´epissure D´etecteur de puissance Laser 1 kW
Figure 5.13 – Illustration du montage réalisé pour mesurer les performances thermiques d’un des ports en entrée d’un combinateur. Les flèches représentent les extracteurs de modes
de gaine.
Pour réaliser le montage présenté à la figure précédente, un laser monomode (M2 < 1.10)
pouvant atteindre une puissance maximale de 1 kW et émettant à une longueur d’onde de 1080 nm a été utilisé. Il est possible de brancher directement ce laser aux combinateurs de signal fabriqués puisque la fibre optique en sortie de celui-ci est de type (15-125-0.10). Suite à l’épissure entre le laser et un des ports en entrée du combinateur, un extracteur de modes de gaine est utilisé afin de s’assurer que le signal qui entre dans le combinateur est concentré uniquement dans le cœur de la fibre optique. En sortie du combinateur, un extracteur de modes de gaine est aussi utilisé étant donné que l’élévation thermique de ce composant doit être évaluée. Enfin, le faisceau obtenu en sortie de la fibre multimode est dirigé sur un détecteur (absorbeur Gentec UP55C-2.5KW-HD) permettant de mesurer des puissances de plusieurs kilowatts. La longueur typique de la fibre multimode entre le combinateur et le détecteur est de 5 mètres.
Une fois le montage illustré à la figure5.13 réalisé, il est possible de mesurer, à l’aide d’une caméra thermique (FLIR T55901), l’élévation thermique des cinq régions présentées à la figure
5.12lorsque le laser opère à sa puissance maximale de 1 kW. Suite à ces premières mesures, le laser peut ensuite être branché sur un second port du combinateur afin de mesurer à nouveau l’élévation thermique des cinq régions d’intérêt. En répétant cette procédure pour chacun des six ports d’entrée, il est possible d’obtenir six résultats d’élévation thermique pour chacune des cinq régions d’intérêt présentées à la figure 5.12. En additionnant les six élévations ther- miques obtenues pour chacune de ces cinq régions, on peut enfin obtenir l’élévation totale qu’il serait possible de mesurer pour chacune de ces régions si une puissance totale de 6 kW était injectée. Notons que la méthode décrite ci-dessus, qui utilise la sommation des élévations de température afin de prédire la température résultante à une puissance de 6 kW, est une approximation qui considère que l’élévation thermique est linéaire en fonction de la puissance injectée dans le composant. Cette approximation est basée sur le fait que l’élévation thermique a un comportement fortement linéaire lorsqu’on fait varier la puissance injectée dans une des branches du combinateur entre 0 W et 1000 W. Il est donc considéré que cette linéarité est conservée lorsque le composant est soumis à des puissances au-delà de 1 kW. Il est enfin perti- nent de noter que la température ambiante était de 22°C lorsque la caractérisation thermique des combinateurs a été réalisée. On peut ainsi obtenir la température absolue d’une région en additionnant l’élévation thermique mesurée à la température ambiante.
5.5.2 Résultats
Tout d’abord, après avoir réalisé les mesures thermiques pour tous les combinateurs de la série A, il a été remarqué que des élévations de température significatives se produisent uniquement au niveau de l’ensemble de fibres effilées et de l’extracteur des modes de gaine. Le tableau5.4
présente les résultats obtenus pour ces deux zones.
Le premier point qu’il est possible de remarquer dans le tableau 5.4est la grande variabilité de l’élévation thermique au niveau de l’ensemble de fibres effilées. En effet, les résultats pré- sentés montrent des élévations qui passent de 0°C à 380°C. Après avoir examiné les différents composants au microscope, il a été découvert que ces élévations thermiques sont causées par la présence de contaminants sur l’ensemble de fibres effilées. Plus précisément, cette conta- mination apparaît lors du processus de soudure entre l’ensemble de fibres effilées et la fibre multimode. Suite à cette observation, des changements ont été apportés à la procédure de fabrication afin de minimiser tout risque de contamination des composants. Ces changements ont été mis en place à partir du combinateur A07. Comme on peut l’observer, les élévations thermiques observées au niveau de l’ensemble de fibres effilées ont aussi chuté à partir du combinateur A07, ce qui prouve que l’échauffement était bel et bien dû à la contamination du guide d’onde. Enfin, notons que malgré le fait que les élévations thermiques observées au niveau de l’ensemble de fibres effilées vont jusqu’à 380°C, celles-ci demeurent quand même 114
#composant Ensemble de fibres effilées Extracteur des modes de gaine A01 10 41 A02 160 48 A03 97 70 A04 295 31 A05 115 57 A06 380 26 A07 - 30 A08 62 27 A09 - 32 A10 56 28 A11 - 25 A12 39 25
Tableau 5.4 – Élévations thermiques (°C) prédites pour une puissance injectée de 6 kW au niveau de l’ensemble de fibres effilées et de l’extracteur des modes de gaine. Les tirets
signifient qu’aucune élévation thermique n’a été mesurée.
assez faibles pour permettre l’injection d’une puissance totale de 6 kW à l’intérieur du com- posant. En effet, puisque le matériau qui subit l’élévation thermique est du verre de silice, les échauffements mesurés demeurent beaucoup plus faibles que la température de transition vitreuse, qui est située au-delà de 1000°C. Il est néanmoins souhaitable de tenter de minimiser les élévations thermiques en évitant un dépôt de contaminants sur l’ensemble de fibres effilées. Ensuite, on peut noter que les élévations thermiques obtenues pour l’extracteur des modes de gaine varient de 25°C à 70°C pour une opération à 6 kW. Sachant que la température ambiante lors des tests était de 22°C, les températures atteintes vont donc de 47°C à 92°C. Il est généralement considéré que la température d’un polymère entourant une fibre optique ne doit pas dépasser 80°C afin qu’une opération à haute puissance et à long terme puisse être envisageable [95]. Considérant ce critère, seul le combinateur A03 ne permettrait pas une opération à 6 kW. Puisque l’élévation thermique de l’extracteur est directement reliée aux propriétés de la soudure entre l’ensemble de fibres effilées et la fibre multimode, il est possible d’affirmer que les paramètres utilisés pour réaliser cette soudure sont adéquats. Il est tout de même pertinent de s’interroger sur la variabilité observée sur l’élévation thermique de l’extracteur des modes de gaine. Deux hypothèses peuvent être formulées pour expliquer ce phénomène. La première provient du niveau de répétabilité du processus de soudure entre l’ensemble de fibres effilées et la fibre multimode. Plus précisément, la procédure d’alignement des guides d’onde effectuée par la soudeuse peut varier d’une fois à l’autre, et la puissance de l’arc électrique est aussi susceptible de fluctuer d’une soudure à l’autre. De ce fait, il est possible que la fraction de la puissance injectée dans la gaine de la fibre multimode varie entre
les différents combinateurs fabriqués. La seconde hypothèse provient des propriétés physiques des guides d’onde préalablement à la soudure. En effet, il est possible que le diamètre de sortie de l’ensemble de fibres effilées, le diamètre du cœur de la fibre multimode et la concentricité du cœur de la fibre multimode varient légèrement d’un composant à l’autre. Cela modifie alors le recouvrement entre la sortie de l’ensemble de fibres effilées et le cœur de la fibre multimode, causant ainsi une variation de la puissance injectée dans la gaine de cette dernière. Il serait pertinent d’explorer ces hypothèses lors de travaux futurs.
Enfin, comme on l’a souligné précédemment, aucune élévation thermique n’a été mesurée au niveau de la soudure, de la gaine de la fibre multimode et du revêtement de la fibre multimode. Cependant, comme on l’a expliqué plus tôt, il n’est pas impossible d’observer des élévations de température dans ces trois différentes zones lorsqu’on caractérise un combinateur de signal. En effet, préalablement à la fabrication des combinateurs présentés dans ces travaux, plusieurs échantillons de combinateur ont été fabriqués afin d’optimiser le processus de fabrication. Lors de la caractérisation thermique de ces échantillons, des élévations thermiques significatives ont parfois été observées au niveau de la soudure, de la gaine de la fibre multimode et du revêtement de la fibre multimode. Il est donc pertinent d’évoquer ces trois zones puisque l’absence d’élévation thermique au niveau de celles-ci constitue un résultat positif et témoigne du fait que le processus de fabrication des combinateurs de la série A est optimal.
Pour conclure cette section sur la caractérisation thermique des combinateurs de signal, il est possible d’affirmer que la grande majorité des composants testés permettrait une opération sécuritaire à 6 kW, ce qui était le but recherché. De plus, étant donné que tous les combinateurs fabriqués après le composant A07 ont démontré d’excellentes propriétés thermiques, il serait aussi possible d’envisager une opération à une puissance bien plus élevée que 6 kW. Cependant, tel qu’il a été expliqué précédemment, les données présentées ne sont pas mesurées mais plutôt calculées en additionnant les élévations thermiques obtenues lors de l’injection d’une puissance de 1 kW dans chacune des branches. Il serait donc pertinent de confirmer les conclusions obtenues en injectant simultanément un signal de 1 kW à l’intérieur des six fibres de périphérie des combinateurs afin d’obtenir une puissance de sortie de 6 kW, ce qui n’a pas pu être réalisé dans le cadre de ce mémoire.
5.6
Conclusion
Dans ce chapitre, on a d’abord expliqué que pour certaines raisons pratiques, il n’a pas été possible d’utiliser les paramètres optimaux définis au chapitre 4 lors de la fabrication des combinateurs de signal. Il a alors été possible de définir deux modèles de combinateur. D’abord, les combinateurs de la série A sont caractérisés par une légère déviation des paramètres de fabrication avec les valeurs optimales et possèdent une fibre optique de sortie à double gaine, ce qui permet au composant de supporter des hautes puissances. Les combinateurs de la série 116
B possèdent quant à eux des paramètres de fabrication plus proches des valeurs optimales, mais ont une fibre de sortie qui ne permet pas une opération à haute puissance. La fabrication de deux modèles différents avait comme objectif de vérifier si un meilleur facteur de qualité de faisceau pouvait être obtenu avec les combinateurs de la série B.
Après que la section 5.2ait présenté les étapes de la fabrication d’un combinateur, la section
5.3 s’est intéressée aux propriétés des faisceaux obtenus à la sortie des composants fabriqués. Il a été démontré que les combinateurs de la série A possèdent un facteur de qualité de faisceau moyen de 4.02, alors que les combinateurs de la série B possèdent un facteur de qualité de faisceau moyen de 3.95. Cette légère différence peut être expliquée par le fait que les combinateurs de la série B possèdent des paramètres de conception plus rapprochés des valeurs optimales que ceux de la série A. Cependant, la différence est très faible et les valeurs obtenues dans les deux cas présentent un certain écart avec la valeur minimale de 2.8 qu’il est théoriquement possible d’atteindre lorsque les paramètres de fabrication ont été optimisés. Tel que discuté, il existe plusieurs facteurs expérimentaux qui peuvent expliquer l’écart observé, et il serait pertinent de réaliser une étude permettant d’évaluer l’importance de chacun d’eux. Néanmoins, en comparant les résultats obtenus avec les valeurs publiées pour un combinateur à sept fibres d’entrée, tous les composants qui ont été fabriqués présentent un facteur de qualité de faisceau qui se situe sous la valeur minimale rapportée à ce jour, qui est de 4.6. Cependant, bien que le facteur de qualité de faisceau ne varie théoriquement pas en fonction de la puissance injectée dans le composant, il serait pertinent de valider cette affirmation en réalisation une caractérisation du dispositif à haute puissance. Cela n’a malheureusement pas pu être vérifié au cours de ces travaux.
Pour continuer, la section5.4a eu comme objectif d’évaluer les pertes d’insertion des différents combinateurs qui ont été fabriqués. Après avoir réalisé la mesure sur six combinateurs de la série A, on a pu observer que les pertes se situaient entre 0.9% et 1.3%. Étant donné qu’un des objectifs de ce mémoire était de fabriquer des combinateurs qui ont moins de 2% de pertes d’insertion, on peut affirmer que ce but a été atteint. De plus, comme dans le cas du facteur de qualité de faisceau, les valeurs obtenues se situent parmi les meilleurs résultats rapportés dans la littérature.
Finalement, la section 5.5 a présenté la caractérisation thermique des combinateurs de la série A. Il a été montré que parmi les 12 combinateurs fabriqués, on pourrait en utiliser 11 afin de réaliser une combinaison de faisceaux à 6 kW. De plus, les propriétés thermiques de certains combinateurs fabriqués permettraient théoriquement une opération à une puissance bien plus élevée que 6 kW. Plus précisément, les résultats présentés ont montré que pour tous les combinateurs fabriqués, aucun échauffement n’était observé au niveau de la soudure, de la gaine de la fibre multimode et du revêtement de la fibre multimode. Des élévations thermiques variant entre 0°C et 380°C ont cependant été mesurées au niveau de l’ensemble de fibres effilées formant le combinateur. Or, il a été découvert que la cause de ces échauffements provenait
d’une contamination de l’ensemble de fibres effilées pendant la fabrication, et il a été possible de modifier la technique de fabrication afin de minimiser l’impact de cette contamination.