3.3 Identification de la fibre à cœur creux pour l’application gyrométrique
3.3.2 Résultats des tests et sélection de la fibre
Le tableau 3.2 présente les résultats des différents tests opérés sur les fibres à cœur creux. Les valeurs avec un astérisque dans le tableau sont celles qui sont influencées par le rayon d’enroulement de la fibre. Nous allons commenter dans les paragraphes suivants les résultats obtenus pour ces fibres.
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Table 3.2 – Tableau récapitulatif des données mesurées sur les fibres à cœur creux que nous
avons eu l’occasion de tester. Les valeurs du tableau avec un astérisque sont celles qui sont influencées par le diamètre d’enroulement. Les valeurs en vert sont celles qui répondent aux critères pour les gyromètres, celles en rouge n’y répondent pas.
3.3.2.1 Fibre 19-cell à bande interdite photonique de chez X-Lim : le problème de
la contamination
Cette fibre répond à quasiment tous les critères de performances que l’on recherche, excepté celui de la contamination. Comme nous l’avons dit précédemment, la contamination, c’est le fait
que la transmission de la fibre diminue au cours du temps sans que rien d’autre n’ait changé dans le montage. Pour la 19-cell, la contamination fait passer la transmission de la fibre de 83 % après clivage à 70 % après 8h, et environ 60 % au bout de 24h. Nous avons établi que la contamination a lieu sur les faces d’entrée et de sortie de la fibre car en clivant environ 1 cm à chaque extrémité de la fibre, on retrouve la transmission de 83 % initiale. Cependant, cette propriété est très contraignante en termes de mesure et de prototypage, car la contamination implique de devoir cliver quotidiennement la fibre et donc réaligner quotidiennement une cavité résonante, ce qui est très limitant en matière d’expérimentation, et de reproductibilité.
C’est pourquoi, au cours de la thèse, nous avons mené un partenariat avec AlphaNov (à Bordeaux) et GLOphotonics (à Limoges) avec lesquels nous avons tenté de résoudre le problème de la contamination de la fibre à cœur creux d’X-Lim. Il semblerait, après discussion avec GLOphotonics, que la contamination vienne de l’air, et plus précisément de l’oxydation en surface de la silice constituant la gaine, à cause des atomes de Chlore présents dans cette dernière. Pour remédier à ce problème, Alphanov a développé un embout, (que nous appellerons "end-cap"), et dont la forme est présentée en figure 3.8. Cet embout se fixe hermétiquement aux extrémités de la fibre à cœur creux de manière à les isoler de l’air ambiant, et donc à théoriquement empêcher la contamination.
Figure 3.8 – (a) Schéma de principe de fonctionnement du end-cap fixé à la fibre à cœur
creux. Les faces du prisme sont inclinées et traitées anti-reflet afin d’éviter de rajouter des pertes intracavité, et de la rétrodiffusion. (b) Vue à l’aide d’un logiciel de conception optique du système end-cap.
Alphanov a réalisé des tests en transmission avec cet embout sur la fibre de chez X-Lim. La transmission a été mesurée sur 20 m avec et sans embouts à chaque extrémité. Elle est égale à 90% sans embouts et 89% avec. Cependant, la transmission de la fibre avec ses end-cap a baissé jusqu’à 60% au bout de quelques jours. La contamination a donc quand même lieu, malgré les end-cap, probablement due au dégazage de la colle utilisée pour fixer les embouts. La fibre avec ses embouts a ensuite été mise au four, et une transmission de 75% a pu être récupérée et maintenue dans le temps. Ce résultat est correct, mais pas suffisant, car la transmission de 90% n’est pas récupérée.
Nous avons donc envisagé de tester une autre solution de protection des extrémités de la fibre, à savoir un traitement sur les faces avec un dépôt métallique dont Alphanov garde le secret. Les premiers résultats concernant la transmission sont prometteurs (voir la figure 3.9), car ils semblent indiquer une absence de contamination au cours du temps sur 70 h. Cependant, ces mesures n’ont jusqu’alors été réalisées que sur 3 m de fibre à cœur creux. Or, la contamination semble aussi dépendre de la longueur de fibre utilisée, c’est pourquoi des tests sont actuellement en cours sur des longueurs de fibre de l’ordre de 20 m.
Figure 3.9 – À gauche évolution de la transmission de la fibre au cours du temps. À droite,
photo de surface de la fibre avec son recouvrement. Les tests ont été réalisés sur une portion de 3 m de la fibre.
En parallèle, GLOphotonics est en train de développer des fibres à bande interdite photonique à base de silice moins chlorée, ce qui pourrait rendre ces dernières insensibles à la contamination. En conclusion, la fibre creuse à bande photonique interdite de chez X-Lim semble idéale pour une application de gyromètre optique résonant, mais sa contamination la rend impossible à utiliser en pratique. Des recherches sont en cours pour trouver des solutions pour remédier à ce problème, mais à l’heure actuelle, il n’est toujours pas résolu (pour cette fibre), ce qui empêche son utilisation dans un gyromètre optique résonant.
3.3.2.2 Les fibres de chez NKT : pas de contamination, mais trop de pertes
Le fabricant NKT semble, quant à lui, avoir trouvé un moyen de résoudre le problème de contamination pour les fibres à bande interdite photonique. En effet, les fibres 7-cell et 19-cell qu’il nous a fournies sont des fibres à bande interdite photonique qui ne se contaminent pas (contamination-free). Cependant, la transmission mesurée de ces fibres est assez faible, de l’ordre de 70 %. Cela peut venir soit d’un mauvais couplage entre le mode de la fibre en silice et le mode de la fibre à cœur creux, soit d’une atténuation plus importante que celle annoncée par le constructeur. Pour départager ces deux hypothèses, nous avons réalisé une mesure du coefficient
d’atténuation de la fibre 19-cell de 19 m. Le cut-back réalisé entre L1 =22 m et L3=3 m nous a donné des pertes de 50 dB/km, bien plus importantes que les pertes annoncées par NKT (20 dB/km), et qui correspondent à un couplage d’environ 90 % dans la fibre.
Figure 3.10 – La courbe bleue représente schématiquement la transmission en décibel d’une
fibre à cœur creux, dont l’atténuation mesurée par les constructeurs serait de αdB =30 dB/km,
pour un couplage de C=90 %. La courbe jaune représente la transmission théorique de cette fibre sans tenir compte de l’atténuation plus importante des premiers mètres, donnée par l’équation (3.4). Le coefficient directeur des courbes, sur leur plage linéaire, donne directement le coefficient d’atténuation αdB. Ces courbes sont théoriques et ne reflètent aucune mesure.
Après discussion avec le fournisseur NKT5, il apparait que l’atténuation des fibres qu’ils nous ont fournies n’est pas constante sur toute leur longueur. En effet, un filtrage modal a lieu sur les premiers mètres de la fibre, ce qui rajoute des pertes supplémentaires. La figure 3.10 présente l’allure schématique de l’évolution de la transmission des fibres à cœur creux de chez NKT en fonction de la longueur de la fibre (courbe bleue).
L’atténuation αdBest mesurée par les constructeurs en "cut-back", sur des tronçons d’environ 100 m auxquels sont enlevés environ 50 m. Ils mesurent donc le coefficient directeur de la courbe bleue (figure 3.10) entre L = 100 m et L = 50 m, courbe qui est bien linéaire entre ces deux longueurs. Mais ce coefficient d’atténuation ne reflète pas la transmission que l’on obtient en sortie de la fibre, à cause de l’atténuation non constante des premiers mètres. C’est pour cela que les valeurs de transmission que nous mesurons en sortie de nos 19 m et 3 m de fibre (courbe bleue de la figure 3.10) sont plus faibles que les valeurs attendues à ces longueurs (courbe jaune sur la figure 3.10), compte tenu des pertes.
En conclusion, bien que les fibres de chez NKT ne se contaminent pas, leur faible transmission et surtout des doutes quant à la pérennité de leur disponibilité nous ont conduits à ne pas les utiliser pour notre application gyrométrique.
3.3.2.3 La fibre Kagomé GLOphotonics : un compromis acceptable
La fibre Kagomé de chez GLOphotonics que nous avons entourée en vert dans le tableau 3.2 répond à deux critères primordiaux, à savoir : une bonne transmission, et pas de contamination. Ses inconvénients majeurs sont que sa transmission et son caractère monomode dépendent de son rayon de courbure, et que la polarisation n’est pas très bien maintenue à l’intérieur de la fibre. Cependant, c’est cette fibre que nous avons retenue pour les tests, car nous avons privilégié le peu de pertes intracavité et l’absence de contamination par rapport au rayon de courbure de la cavité. C’est pourquoi, au cours de nos tests, nous avons réalisé une cavité de rayon important (environ 60 cm), avec des lames λ/2 et des polariseurs intracavité qui permettent de contrôler la polarisation.