EP4639244A1 - Interconnexion d'une fibre a coeur creux avec une fibre monomode en silice standard - Google Patents

Interconnexion d'une fibre a coeur creux avec une fibre monomode en silice standard

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EP4639244A1
EP4639244A1 EP23834206.7A EP23834206A EP4639244A1 EP 4639244 A1 EP4639244 A1 EP 4639244A1 EP 23834206 A EP23834206 A EP 23834206A EP 4639244 A1 EP4639244 A1 EP 4639244A1
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EP
European Patent Office
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fiber
section
fgi
gradient index
fcc
Prior art date
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Pending
Application number
EP23834206.7A
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German (de)
English (en)
Inventor
Philippe Chanclou
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Orange SA
Original Assignee
Orange SA
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Filing date
Publication date
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    • G02B6/3853—Lens inside the ferrule

Definitions

  • the invention lies in the field of optical data transmission, and more particularly in that of interconnection between a single-mode optical fiber and a hollow-core fiber.
  • the single-mode optical fiber is made of silica with an optical cladding and an optical core in which the optical beam propagates.
  • the optical index of the core is slightly higher than that of the cladding.
  • a single optical cladding surrounds several spatially distributed optical cores.
  • Hollow core fiber consists of a microstructure of silica and air with a core consisting mainly of air in which the optical beam propagates.
  • the interconnection of a single-mode fiber and a hollow-core fiber requires an adaptation of the size of the optical beam between these two types, the optical beam diameter being around 9 ⁇ m for the single-mode fiber and around 30 ⁇ m for the fiber with a hollow heart.
  • One of the aims of the invention is to remedy these drawbacks of the state of the art.
  • full fiber designates indifferently a single-core single-mode optical fiber, and a multi-core optical fiber.
  • the radial offset introduces an angle at the output of the optical device composed of a gradient index section and prevents optical reflections from returning to the core. full fiber.
  • the so-called “radial” offset can be in a plane perpendicular to the central axis of the device, or slightly inclined relative to this plane.
  • cleavage makes it possible to deflect any optical reflection outside the central axis of the hollow core.
  • the combination eliminates or greatly reduces optical reflections in both directions of propagation, while allowing adaptation to the diameters of the fiber modes at each end.
  • welding makes it possible to align in a single axis: the solid fiber, the coupling device and the hollow core fiber, which facilitates the mechanical assembly of the different sections. Indeed during assembly, by welding for example, it is not necessary to mechanically maintain the hollow core fiber at a certain angle relative to the device, an angle whose precision would be difficult to ensure and maintain.
  • the solid fiber is a multicore fiber. Indeed, as at least one of the cores of the multicore fiber is already eccentric with respect to the central axis of the device, it is not necessary to introduce a mechanical lateral misalignment.
  • the device coupling further comprises at least one pure silica section adjacent to one side and/or the other of the gradient index fiber section.
  • the pure silica section has no core, and the optical beam disperses homogeneously there. This makes it possible to modify the optical parameters of the lens system that the device thus composes, and to make this device independent of the index filter of the index gradient section. A large choice of index gradients is therefore possible, for the same solid fiber/hollow core fiber pair.
  • the pure silica section is located between the solid fiber and the gradient index fiber section.
  • the "object" distance (between the solid fiber and the gradient index section) of the optical system composed of the gradient index lens is configurable and makes it possible to modify the magnification and focusing parameters of the optical beam
  • the pure silica section is located between the gradient index fiber section and the hollow core fiber.
  • the "image" distance (between the gradient index section and the hollow core fiber) of the optical system composed of the gradient index lens is configurable and makes it possible to modify the magnification and focusing of the optical beam.
  • the device coupling comprises a first section of pure silica located between the solid fiber and the section of gradient index fiber, and a second section of pure silica located between the section of gradient index fiber and the core fiber hollow.
  • both the object distance and the image distance of the optical system composed of the gradient index lens are configurable and make it possible to modify the magnification and focusing parameters of the optical beam.
  • the gradient index fiber section is welded to the hollow core fiber.
  • the pure silica section is welded to the hollow core fiber.
  • the solid fiber, the gradient index section and the hollow core fiber being parallel to each other.
  • This process makes it possible to obtain a coupling between a solid fiber and a hollow core fiber, with a significant reduction in optical reflections, simply using electric arc welding. It also makes it possible to obtain a simple mechanical assembly following the natural alignment of the fiber structures.
  • the length of the gradient index fiber section is calculated to allow this fiber section to function as a lens with one focal length.
  • the pure silica sections make it possible to adjust, across the gradient index section, the object and image distances of the solid and hollow fibers.
  • a coupling device between a single-mode or multi-core optical fiber, called a solid fiber, and a hollow-core optical fiber, comprising a fiber section with an index gradient,
  • Figures 14 to 23 show embodiments with ferrules.
  • One solution is to use an assembly by welding of sections or sections of fiber of different natures to achieve mode adaptation and a reduction in optical reflections.
  • the assembly by welding of fiber sections of different types also produces a compact coupling device. Welding remains the preferred method of assembly but it is possible to glue or mechanically assemble by juxtaposing the sections. If necessary it is possible to include an index liquid between the sections to limit or eliminate a fiber/air/fiber interface.
  • the coupling device comprises a section of gradient index fiber Fgi juxtaposed by welding (or any other means) to a single-mode fiber Fms on one side and to a hollow core fiber Fcc on the other side.
  • the length of the gradient index fiber section Fgi is calculated to adapt the optical beams.
  • the principle is to adapt the diameter of the optical beam by inserting a section of fiber with an Fgi index gradient from a few microns to a few millimeters.
  • One or two sections of fiber composed of pure silica Fsp1, Fsp2, can be inserted to modify the optical parameters of the lens system that thus composes the coupling device.
  • Such a coupling device makes it possible to adapt the optical beam of approximately 9 ⁇ m of the single-mode silica fiber Fms to that of 30 ⁇ m of the hollow core fiber Fcc.
  • the silica/air diopter introduces a reflection of approximately -14.5 dB.
  • this principle is improved by introducing an angle at the output of the coupling device. For this it is necessary to offset the core of the Fms single-mode fiber relative to the optical axis of the device, preferably perpendicularly.
  • the angle is proportional to the offset of the single-mode fiber core and the gradient index fiber parameters.
  • the angle Th is defined by the formula:
  • n0 the index at the center of the gradient index fiber
  • g0 the quadratic coefficient of the gradient of hint.
  • Figures 5 and 6 illustrate the effect of such an offset, respectively zero and non-zero, on the optical beam output from the coupling device.
  • the advantage of this offset is that it makes it possible to limit the optical reflection of the optical beam coming from the Fms single-mode fiber. Indeed, as illustrated in the , the reflected beam will propagate again in the section with index gradient Fgi to be focused in an inversely offset zone at the heart of the single-mode fiber Fms.
  • the core offset required for the output angle of the coupling device can be obtained using a standard single-mode fiber that is soldered with a lateral misalignment (perpendicular to the fiber axis) relative to the fiber with index gradient.
  • this effect is obtained with a multicore fiber, welded without any lateral misalignment.
  • a multicore fiber welded without any lateral misalignment.
  • none of the Co cores of the 2-core multicore fiber Fmc1, or of the 4-core multicore fiber Fmc2 are in the central axis of the free, in other words they are all already offset from this axis.
  • the different embodiments can be applied to a single-mode fiber or to a multi-core fiber, and the term "full fiber", designated by Fp, is used to designate one or the other type of fiber indifferently.
  • the coupling device is improved by introducing a cleavage angle Tc at its end, proportional to the angle Th of the optical beam. This makes it possible to have an optical beam at the output of the coupling device which is parallel and centered on the axis of the coupling device.
  • n(fgi) sin(Tc) n(ffc) sin(Th)
  • n(fgi) being the core index of the gradient section of index Fgi
  • the hollow core fiber Fcc it is advantageous to cleave the hollow core fiber Fcc at the same angle Tc, as illustrated by the .
  • This allows assembly by simple welding of the different elements which are the Fp fiber, the coupling device and the Fcc fiber, while facilitating their alignment along the same axis.
  • the coupling device is then composed of an interface without cleavage with a solid fiber, a section of fiber with a gradient index, and an interface with cleavage with a hollow core fiber.
  • This embodiment also allows the adaptation of the optical beam to the mode diameter of the fibers at the ends. As illustrated by the , this embodiment also makes it possible to reduce optical reflections in each of the two directions of propagation of the optical beam.
  • sections of pure silica fiber Fsp1 and Fsp2 are added to modify the magnification or focusing parameters of the optical beam in the coupling device.
  • the coupling device is then composed of an interface without cleavage with a solid fiber, a section of pure silica (Fsp1), a section of gradient index fiber, a section of pure silica (Fsp2 ), and an interface with cleavage with a hollow core fiber.
  • the cleaving device may be composed of a single or two sections of pure silica fiber (or none, as illustrated by ). If a section of pure silica fiber Fsp2 is interposed between the fiber Fgi and the fiber Fcc, the fiber cleavage according to the angle Tc is arranged at this location.
  • the calculation of Tc as a function of Th is also governed by the Snell-Descartes laws:
  • n(sp) sin(Tc) n(ffc) sin(Th)
  • n(sp) being the index of the core of the pure silica section Fsp2,
  • Such a coupling device between a single-mode or multi-core optical fiber, called a solid fiber, and a hollow-core optical fiber, is simple to manufacture.
  • An example of a manufacturing process consists of interposing a section of fiber with an index gradient Fgi between a solid fiber Fp and a hollow core fiber Fcc.
  • At least one core of the full fiber Fp must be offset relative to the central axis of the fiber with gradient index Fgi.
  • the full fiber Fp must be welded or glued, with this core offset, to the gradient index fiber Fgi, or possibly to a section of pure silica fiber Fsp1 interposed between the fibers Fp and Fgi.
  • the gradient index fiber Fgi or the pure silica fiber section Fsp1 must be fractured (severed) at a defined length of the weld. This length is calculated to allow the gradient index section to function as a lens with the desired focal length and the pure silica sections as the object and image distances relative to this lens.
  • the contact surfaces between the gradient index fiber Fgi and the hollow core fiber Fcc must be cleaved at an angle, then assembled by welding or bonding. If a section of pure silica Fsp2 fiber is interposed between the Fgi and Fcc fibers, the bias cleavage is between the Fsp2 and Fcc fibers.
  • the welding is carried out under an electric arc in a standard optical fiber welder. This assembly requires optimization of welding programs.
  • optical connectors called ferrules, or connector ferrules, of standard dimensions, are used to facilitate connection and disconnection actions between on one side a single-mode or multi-core fiber, called full fiber, Fp, and on the other side a hollow core fiber, Fcc.
  • the solid fiber and the hollow fiber are inserted into their respective ferrules FF1 and FF2.
  • the connection between the two fibers (solid and hollow) is made mechanically by aligning and bringing together the two ferrules FF1 and FF2 until there is virtual mechanical contact of the two fibers.
  • Each ferrule also serves as an easily manipulated protective element when the solid fiber and the hollow core fiber are not connected together.
  • a gradient index fiber section having a quadratic gradient index section constant (or quadratic coefficient g0) of 4.3 mm-1
  • an offset e of the order of 32 ⁇ m gives an angle of Tc cleavage of 8 degrees, for a multi-core fiber with a standard external diameter of 125 ⁇ m.
  • the typical ferrule angle for solid single-mode fiber is 8 degrees.
  • the end of the single-mode hollow-core fiber is protected by a section of pure silica fiber, Cap.
  • This section acts as a cap to mechanically protect the end of the hollow fiber during implementation in the ferrule (with a possible polishing operation) and limit the insertion of impurities into the hollow part.
  • This section of pure silica can be welded to the hollow fiber with a cleavage angle ( ), or without cleavage angle ( ).
  • the hollow core fiber Fcc is inserted into an FF2b ferrule without any cleavage angle, that is to say with an angle of 0°. It is then necessary to adapt the index gradient sections to provide a working distance of the optical beam in the free space between the two connectors.
  • the assembly by welding of fiber sections of different types uses a standard single-mode fiber Fp with an offset e relative to the axis of the fiber sections with an index gradient Fgi and possibly pure silica.
  • the offset does not make it possible to maintain the assembly within a diameter of 125 ⁇ m, each section having this same diameter.
  • a special FFs ferrule is then necessary, with a guide with a diameter of 125 ⁇ m only over a length less than that of the index gradient section, and a guide with a greater diameter along the single-mode fiber.
  • the length of the guide of 125 ⁇ m is typically of the order of 380 ⁇ m (i.e. Pi / (2 * g)).
  • this implementation uses a non-standard ferrule. It is possible to use a standard ferrule by increasing the length of the gradient index fiber section. This last length can be a multiple of 760 ⁇ m (i.e. Pi / g), for example 1.14 mm, as illustrated with the FFn1 ferrule by the , or 1.90 mm as illustrated with the FFn2 ferrule by the .
  • ferrule in these embodiments allows the insertion of a Dcm device between the two connectors such as an anti-reflection treatment or any thin layer type device to achieve optical filtering or additional mechanical protection (coatings water-repellent or hydrophobic, protection against scratches and abrasions,).
  • a thin glass slide can also be inserted between the two ferrules.
  • This glass slide can have an optical function such as anti-reflection, filtering and also a mechanical protective function.
  • This glass blade can be inserted between the two ferrules, each with a polishing angle of 8°. It is also possible to insert this glass blade between two ferrules with different angles, for example a ferrule at 8° for solid fiber and 0° for hollow fiber.
  • Figures 21, 22 and 23 illustrate 3 variations of the mechanical alignment of the glass slide Dcm between ferrules: with an identical angle or with different angles.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de couplage entre une fibre optique monomode ou multicœurs, dite fibre pleine (Fp), et une fibre optique à cœur creux (Fcc), comprenant une section de fibre à gradient d'indice (Fgi), où : • le dispositif de couplage est couplé à un cœur de la fibre pleine (Fp) avec un décalage radial par rapport à l'axe central de la section de fibre à gradient d'indice (Fgi), • le dispositif de couplage est couplé à la fibre à cœur creux (Fcc) avec un angle par rapport à un plan orthogonal à l'axe central, dont l'angle est proportionnel au décalage radial et à des paramètres de la fibre à gradient d'indice (Fgi).

Description

    Interconnexion d'une fibre à cœur creux avec une fibre monomode en silice standard 1. Domaine de l'invention
  • L'invention se situe dans le domaine de la transmission optique de données, et plus particulièrement dans celui de l’interconnexion entre une fibre optique monomode et une fibre à cœur creux.
    • 2. Etat de la technique antérieure
  • La fibre optique monomode est constituée de silice avec une gaine optique et un cœur optique dans le lequel le faisceau optique se propage. L'indice optique du cœur est légèrement plus élevé que celui de la gaine. Dans une fibre multicœurs, une unique gaine optique entoure plusieurs cœurs optiques répartis spatialement. La fibre à cœur creux est constituée d’une microstructure en silice et d’air avec un cœur constitué principalement d’air dans lequel le faisceau optique se propage.
  • L’interconnexion d’une fibre monomode et d’une fibre à cœur creux nécessite une adaptation de la taille du faisceau optique entre ces deux types, le diamètre de faisceau optique étant autour de 9µm pour la fibre monomode et autour de 30µm pour la fibre à cœur creux.
  • L'article "Interconnecting hollow-core fibers", 2021 IEEE Photonics Society Summer Topicals Meeting Series (SUM), 2021, pp. 1-2, de M. Komanec et al., présente plusieurs dispositifs dont le but est de réaliser cette adaptation tout en minimisant les pertes optiques.
  • Cependant, ces solutions ont pour inconvénient de pas suffisamment minimiser la réflexion optique dans chacun des sens de transmission, ou de ne pas être suffisamment simples ou compactes pour être facilement réalisables et déployables.
  • Un des buts de l'invention est de remédier à ces inconvénients de l'état de la technique.
    • 3. Exposé de l'invention
  • L'invention vient améliorer la situation à l'aide d'un dispositif de couplage entre une fibre optique monomode ou multicœurs, dite fibre pleine, et une fibre optique à cœur creux, comprenant une section de fibre à gradient d'indice, où :
    • le dispositif de couplage est couplé à un cœur de la fibre pleine avec un décalage radial par rapport à l'axe central de la section de fibre à gradient d'indice,
    • le dispositif de couplage est couplé à la fibre à cœur creux avec un angle par rapport à un plan orthogonal à l'axe central, dont l'angle est proportionnel au décalage radial et à des paramètres de la fibre à gradient d'indice.
  • Dans la suite, le terme "fibre pleine" désigne indifféremment une fibre optique monomode à un seul cœur, et une fibre optique multicœurs. Dans le sens allant de la fibre pleine vers la fibre à cœur creux, le décalage radial introduit un angle en sortie du dispositif optique composé d’une section à gradient d’indice et permet d'éviter qu’une réflexion optique reviennent dans le cœur de la fibre pleine. Le décalage dit "radial" peut être dans un plan perpendiculaire à l'axe central du dispositif, ou légèrement incliné par rapport à ce plan.
  • Dans l'autre sens de transmission, le clivage permet de dévier toute réflexion optique en dehors de l'axe central du cœur creux.
  • La combinaison élimine ou réduit fortement les réflexions optiques dans les deux sens de propagation, tout en permettant une adaptation aux diamètres des modes des fibres à chaque extrémité.
  • De plus, en clivant la fibre à cœur creux selon le même angle que celui du dispositif, une soudure permet d'aligner dans un seul et même axe : la fibre pleine, le dispositif de couplage et la fibre à cœur creux, ce qui facilite l'assemblage mécanique des différentes sections. En effet durant l'assemblage, par soudure par exemple, il n'est pas nécessaire de maintenir mécaniquement la fibre à cœur creux selon un certain angle par rapport au dispositif, angle dont la précision serait difficile à assurer et à maintenir.
  • Obtenir un décalage précis au moyen d'un désalignement mécanique de la fibre pleine par rapport au dispositif peut être difficile, mais cette opération n'est pas nécessaire si la fibre pleine est une fibre multicœurs. En effet, comme au moins un des cœurs de la fibre multicœurs est déjà excentré par rapport à l'axe central du dispositif, il n'est pas nécessaire d'introduire un désalignement latéral mécanique.
  • Selon un aspect du dispositif de couplage, il comprend en outre au moins une section en silice pure adjacente d'un côté et/ou de l'autre de la section de fibre à gradient d'indice.
  • La section de silice pure n'a pas de cœur, et le faisceau optique s'y disperse de façon homogène. Ceci permet de modifier les paramètres optiques du système de lentille que le dispositif compose ainsi, et de rendre ce dispositif indépendant du filtre d'indices de la section à gradient d'indice. Un grand choix de gradients d'indices est donc possible, pour un même couple fibre pleine / fibre à cœur creux.
  • Selon un aspect du dispositif de couplage, la section en silice pure est située entre la fibre pleine et la section de fibre à gradient d'indice.
  • Grâce à cet aspect, la distance "objet" (entre la fibre pleine et la section à gradient d’indice) du système optique composé de la lentille à gradient d’indice est paramétrable et permet de modifier les paramètres de grossissement et de focalisation du faisceau optique
  • Selon un aspect du dispositif de couplage, la section en silice pure est située entre la section de fibre à gradient d'indice et la fibre à cœur creux.
  • Grâce à cet aspect, la distance "image" (entre la section à gradient d’indice et la fibre à cœur creux) du système optique composé de la lentille à gradient d’indice est paramétrable et permet de modifier les paramètres de grossissement et de focalisation du faisceau optique.
  • Selon un aspect du dispositif de couplage, il comprend une première section en silice pure située entre la fibre pleine et la section de fibre à gradient d'indice, et une seconde section en silice pure située entre la section de fibre à gradient d'indice et la fibre à cœur creux.
  • Grâce à cet aspect, à la fois la distance objet et la distance image du système optique composé de la lentille à gradient d’indice sont paramétrables et permettent de modifier les paramètres de grossissement et de focalisation du faisceau optique.
  • Selon un aspect du dispositif de couplage, la section de fibre à gradient d'indice est soudée à la fibre à cœur creux.
  • Selon un aspect du dispositif de couplage, la section en silice pure est soudée à la fibre à cœur creux.
  • L'invention concerne encore un procédé de fabrication d'un dispositif de couplage entre une fibre optique monomode ou multicœurs, dite fibre pleine, et une fibre à cœur creux, comprenant :
    • souder la fibre pleine à une section de fibre à gradient d'indice, ou à une section de silice pure elle-même soudée à la section de fibre à gradient d'indice, avec un décalage radial d'un cœur de la fibre pleine par rapport à l'axe central de la section de fibre à gradient d'indice,
    • sectionner la section fibre à gradient d'indice afin de lui donner une longueur définie, avec un clivage par rapport à un plan orthogonal à l'axe central si la fibre à gradient d'indice est directement soudée à la fibre à cœur creux, dont l'angle est proportionnel au décalage et à des paramètres de la fibre à gradient d'indice,
    • souder la fibre à cœur creux à la section de fibre à gradient d'indice, ou à une section de silice pure elle-même soudée à la section de fibre à gradient d'indice avec le clivage,
  • la fibre pleine, la section à gradient d'indice et la fibre à cœur creux étant parallèles entre elles.
  • Ce procédé permet d'obtenir un couplage entre une fibre pleine et une fibre à cœur creux, avec une forte réduction des réflexions optiques, simplement à l'aide de soudures sous arc électrique. Il permet également d’obtenir un assemblage mécanique simple suivant l’alignement naturel des structures des fibres. La longueur de la section de fibre à gradient d'indices est calculée pour permettre à cette section de fibre de fonctionner comme une lentille avec une distance focale. Les sections de silice pure permettent de régler, de part en part de la section à gradient d’indice, les distances objet et image des fibres pleine et creuse.
    • 4. Présentation des figures
  • D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels :
  • la présente un premier aspect d'un premier mode de réalisation d'un dispositif de couplage entre une fibre optique monomode ou multicœurs, dite fibre pleine, et une fibre optique à cœur creux, comprenant une section de fibre à gradient d'indice,
  • la présente un second aspect de ce premier mode de réalisation,
  • la présente un troisième aspect de ce premier mode de réalisation,
  • la présente un quatrième aspect de ce premier mode de réalisation,
  • la présente un premier aspect d'un second mode de réalisation du dispositif de couplage,
  • la présente un second aspect de ce second mode de réalisation,
  • la présente un troisième aspect de ce second mode de réalisation,
  • la présente un quatrième aspect de ce second mode de réalisation,
  • la présente un cinquième aspect de ce second mode de réalisation,
  • la présente un premier aspect d'un troisième mode de réalisation du dispositif de couplage,
  • la présente un second aspect de ce troisième mode de réalisation,
  • la présente un troisième aspect de ce troisième mode de réalisation,
  • la présente un quatrième aspect de ce troisième mode de réalisation,
  • et les figures 14 à 23 présentent des modes de réalisation avec des férules.
  • 5. Description détaillée d'au moins un mode de réalisation de l'invention
  • Une solution est d’utiliser un assemblage par soudure de tronçons ou sections de fibre de différentes natures pour réaliser l’adaptation de mode et une diminution des réflexions optiques. L’assemblage par soudure de tronçons de fibre de différentes natures produit aussi un dispositif de couplage compact. La soudure reste le mode d’assemblage privilégié mais il est envisageable de coller ou d’assembler mécaniquement en juxtaposant les sections. Si besoin il est possible d’inclure un liquide d’indice entre les sections pour limiter ou supprimer une interface fibre/air/fibre.
  • Dans un mode de réalisation, le dispositif de couplage comprend une section de fibre à gradient d’indice Fgi juxtaposées par soudure (ou tout autre moyen) à une fibre monomode Fms d'un côté et à une fibre à cœur creux Fcc de l'autre côté. La longueur de la section de fibre à gradient d’indice Fgi est calculée pour adapter les faisceaux optiques.
  • Le principe est d’adapter le diamètre du faisceau optique par l’insertion d’une section de fibre à gradient d’indice Fgi de quelques microns à quelques millimètres. Une ou deux sections de fibre composée de silice pure Fsp1, Fsp2, peuvent être insérées pour modifier les paramètres optiques du système de lentille que compose ainsi le dispositif de couplage.
  • Les figures 1 à 4 illustrent 4 variantes de ce mode de réalisation d'un tel dispositif de couplage, respectivement :
    • sans aucune section de fibre de silice pure ( ) : le dispositif de couplage est alors composé d'une interface avec une fibre pleine, d'une section de fibre à gradient d'indice, et d'une interface avec une fibre à cœur creux,
    • avec une seule section de silice pure Fsp1, disposée entre la fibre monomode Fms et la section de fibre à gradient d'indice Fgi ( ) : le dispositif de couplage est alors composé d'une interface avec une fibre pleine, d'une section de silice pure (Fsp1), d'une section de fibre à gradient d'indice, et d'une interface avec une fibre à cœur creux,
    • avec une seule section de silice pure Fsp2 disposée entre la section de fibre à gradient d'indice Fgi et la fibre à cœur creux Fcc ( ) : le dispositif de couplage est alors composé d'une interface avec une fibre pleine, d'une section de fibre à gradient d'indice, d'une section de silice pure (Fsp2), et d'une interface avec une fibre à cœur creux,
    • avec une section de silice pure Fsp1 et une section de silice pure Fsp2 disposées de part et d'autre de la section de fibre à gradient d'indice Fgi ( ) : le dispositif de couplage est alors composé d'une interface avec une fibre pleine, d'une section de silice pure (Fsp1), d'une section de fibre à gradient d'indice, d'une section de silice pure (Fsp2), et d'une interface avec une fibre à cœur creux.
  • Un tel dispositif de couplage permet d’adapter le faisceau optique d’environ 9µm de la fibre monomode silice Fms à celui de 30µm de la fibre à cœur creux Fcc. Cependant le dioptre silice/air introduit une réflexion d’environ -14.5 dB.
  • Dans un mode de réalisation ce principe est amélioré en introduisant un angle en sortie du dispositif de couplage. Pour cela il est nécessaire de décaler le cœur de la fibre monomode Fms par rapport à l’axe optique du dispositif, de préférence perpendiculairement. L’angle est proportionnel au décalage du cœur de la fibre monomode et des paramètres de la fibre à gradient d’indice. L’angle Th est défini par la formule :
  • Th = e n0 g0
  • Avec e étant une mesure du décalage de l'axe du cœur de la fibre monomode Fms par rapport à l’axe optique, n0 étant l’indice au centre la fibre à gradient d’indice et g0 étant le coefficient quadratique du gradient d’indice.
  • Les figures 5 et 6 illustrent l'effet d'un tel décalage respectivement nul, et non nul, sur le faisceau optique en sortie du dispositif de couplage.
  • L'avantage de ce décalage est qu'il permet de limiter la réflexion optique du faisceau optique provenant de la fibre monomode Fms. En effet, comme illustré dans la , le faisceau réfléchi va se propager de nouveau dans la section à gradient d’indice Fgi pour être focalisée dans une zone inversement décalée au cœur de la fibre monomode Fms.
  • Comme vu précédemment, le décalage du cœur nécessaire à l'angle en sortie du dispositif de couplage peut être obtenu en utilisant une fibre monomode standard qui est soudée avec un désalignement latéral (perpendiculaire à l’axe de la fibre) par rapport à la fibre à gradient d’indice.
  • Dans un autre mode de réalisation, cet effet est obtenu avec une fibre multicœur, soudée sans aucun désalignement latéral. En effet, comme illustré par la , aucun des cœurs Co de la fibre multicœur Fmc1 à 2 cœurs, ou de la fibre multicœur Fmc2 à 4 cœurs, n'est dans l'axe central de la libre, en d'autres termes ils sont tous déjà décalés par rapport à cet axe.
  • Les différents modes de réalisation peuvent être appliqués à une fibre monomode ou à une fibre multicœur, et le terme "fibre pleine", désigné par Fp, est utilisé pour désigner indifféremment l'un ou l'autre type de fibre.
  • Pour obtenir un bon couplage du dispositif avec la fibre à cœur creux Fcc, il est possible d’aligner cette fibre selon l’angle Th du dispositif, tel qu'illustré par la . Ce dispositif a l’inconvénient de ne pas maintenir un parfait alignement entre la fibre Fp, la fibre Fcc et le dispositif de couplage, ce qui empêche un maintien mécanique par soudure par exemple.
  • Selon un mode de réalisation illustré par la , le dispositif de couplage est amélioré en introduisant un angle de clivage Tc à son extrémité, proportionnel à l’angle Th du faisceau optique. Cela permet d’avoir un faisceau optique en sortie du dispositif de couplage qui est parallèle et centré sur l’axe du dispositif de couplage.
  • Le lien entre la valeur de Tc et la valeur de Th est gouverné par les lois de Snell-Descartes :
  • n(fgi) sin(Tc) = n(ffc) sin(Th)
  • avec n(fgi) étant l'indice du cœur de la section de gradient d’indice Fgi,
  • et n(ffc) étant l'indice de la fibre à cœur creux Fcc (approximativement = 1).
  • Dans ce mode de réalisation, il est avantageux de cliver la fibre à cœur creux Fcc selon le même angle Tc, comme illustré par la . Ceci permet un assemblage par simple soudure des différents éléments que sont la fibre Fp, le dispositif de couplage et la fibre Fcc, tout en facilitant leur alignement selon un même axe. Le dispositif de couplage est alors composé d'une interface sans clivage avec une fibre pleine, d'une section de fibre à gradient d'indice, et d'une interface avec clivage avec une fibre à cœur creux.
  • Ce mode de réalisation permet en outre l’adaptation du faisceau optique au diamètre de mode des fibres en extrémités. Comme illustré par la , ce mode de réalisation permet de plus de réduire les réflexions optiques dans chacun des deux sens de propagation du faisceau optique.
  • Dans un mode de réalisation illustré par la , des sections de fibre en silice pure Fsp1 et Fsp2 sont ajoutées pour modifier les paramètres de grossissement ou de focalisation du faisceau optique dans le dispositif de couplage. Le dispositif de couplage est alors composé d'une interface sans clivage avec une fibre pleine, d'une section de silice pure (Fsp1), d'une section de fibre à gradient d'indice, d'une section de silice pure (Fsp2), et d'une interface avec clivage avec une fibre à cœur creux.
  • La illustre le cas où une section de fibre en silice pure est ajoutée à la fois à droite et à gauche de la section de fibre à gradient d'indice Fgi, mais il est possible de n'en ajouter que d'un seul côté. Le dispositif de clivage peut être composé d'une seule ou de deux sections de fibre en silice pure (ou d'aucune, comme illustré par la ). Si une section de fibre en silice pure Fsp2 est intercalée entre la fibre Fgi et la fibre Fcc, le clivage de fibre selon l'angle Tc est disposé à cet endroit. Le calcul de Tc en fonction de Th est aussi gouverné par les lois de Snell-Descartes :
  • n(sp) sin(Tc) = n(ffc) sin(Th)
  • avec n(sp) étant l'indice du cœur de la section silice pure Fsp2,
  • et n(ffc) étant l'indice de la fibre à cœur creux Fcc (approximativement = 1).
  • Un tel dispositif de couplage entre une fibre optique monomode ou multicœurs, dite fibre pleine, et une fibre optique à cœur creux, est de fabrication simple.
  • Un exemple de procédé de fabrication consiste à intercaler une section de fibre à gradient d'indice Fgi entre une fibre pleine Fp et une fibre à cœur creux Fcc.
  • Au moins un cœur de la fibre pleine Fp doit être décalé par rapport à l'axe central de la fibre à gradient d'indice Fgi.
  • La fibre pleine Fp doit être soudée ou collée, avec ce décalage du cœur, à la fibre à gradient d'indice Fgi, ou éventuellement à une section de fibre en silice pure Fsp1 s'intercalant entre les fibres Fp et Fgi.
  • La fibre à gradient d’indice Fgi ou la section de fibre en silice pure Fsp1 doit être fracturée (sectionnée) à une longueur définie de la soudure. Cette longueur est calculée pour permettre à la section de gradient d’indice de fonctionner comme une lentille avec la distance focale désirée et les sections de silice pure comme les distances objet et image par rapport à cette lentille.
  • Les surfaces de contact entre la fibre à gradient d’indice Fgi et la fibre à cœur creux Fcc doivent être clivée en biais, puis assemblées par soudure ou collage. Si une section de fibre en silice pure Fsp2 s'intercale entre les fibres Fgi et Fcc, le clivage en biais est entre les fibres Fsp2 et Fcc.
  • Dans le cas d’une soudure, la soudure est réalisée sous arc électrique dans une soudeuse standard de fibre optique. Cet assemblage nécessite l’optimisation des programmes de soudures.
  • Dans toutes les étapes du procédé de fabrication, les différentes fibres et sections de fibre sont maintenues bout à bout dans un même alignement rectiligne.
  • Dans un mode de réalisation illustré par la , des connecteurs optiques, appelés férules, ou férules de connecteur, de dimensions standards, sont utilisés afin de faciliter des actions de connexion et déconnexion entre d’un côté une fibre monomode ou multicœur, dite fibre pleine, Fp, et de l’autre côté une fibre à cœur creux, Fcc. La fibre pleine et le fibre creuse sont insérées dans leur férule respective FF1 et FF2. La connexion entre les deux fibres (pleine et creuse) est réalisée mécaniquement par l’alignement et le rapprochement des deux férules FF1 et FF2 jusqu’au quasi-contact mécanique des deux fibres.
  • Chaque férule sert également d’élément de protection facilement manipulable lorsque la fibre pleine et la fibre à cœur creux ne sont pas connectées entre elles. Typiquement, avec une section de fibre à gradient d’indice ayant une constante quadratique de section à gradient d’indice (ou coefficient quadratique g0) de 4,3 mm-1, un décalage e de l’ordre de 32 µm donne un angle de clivage Tc de 8 degrés, pour une fibre multicœurs d’un diamètre extérieur standard de 125µm. Pour obtenir une faible réflexion optique, l’angle typique des férules pour une fibre monomode pleine est de 8 degrés.
  • Une relation entre e et Tc est :
  • e = Pi * Tc / (g * 180)
  • Il est alors possible d’insérer ce dispositif dans une férule percée sensiblement à ce même diamètre de 125 µm avec en extrémité un angle de clivage de 8°. La fibre à cœur creux peut elle aussi être insérée dans un connecteur identique avec un angle de clivage de 8°. Lors de la connexion, les deux férules viennent en contact mécanique.
  • Dans un mode de réalisation illustré par les figures 15 et 16, l’extrémité de la fibre monomode à cœur creux est protégée par une section de fibre de silice pure, Cap. Cette section joue le rôle de capuchon pour protéger mécaniquement l’extrémité de la fibre creuse lors de la mise en œuvre dans la férule (avec une éventuelle opération de polissage) et limiter l’insertion des impuretés dans la partie creuse. Cette section de silice pure peut être soudée à la fibre creuse avec un angle de clivage ( ), ou sans angle de clivage ( ).
  • Dans un mode de réalisation illustré par la , la fibre à cœur creux Fcc est insérée dans une férule FF2b sans aucun angle de clivage, c’est-à-dire avec un angle de 0°. Il est alors nécessaire d’adapter les sections de gradients d’indice pour permettre d’avoir une distance de travail du faisceau optique dans l’espace libre entre les deux connecteurs.
  • Dans un mode de réalisation illustré par la , l’assemblage par soudure de tronçons de fibre de différentes natures utilise une fibre monomode standard Fp avec un décalage e par rapport à l’axe des sections de fibre à gradient d’indice Fgi et éventuellement de silice pure. Cependant le décalage ne permet pas de maintenir l’assemblage à l’intérieur d’un diamètre de 125 µm, chaque section ayant ce même diamètre. Une férule spéciale FFs est alors nécessaire, avec un guidage d’un diamètre de 125 µm uniquement sur une longueur inférieure à celle de la section de gradient d’indice, et un guidage d’un diamètre supérieur le long de la fibre monomode. La longueur du guidage de 125 µm est typiquement de l’ordre 380 µm (soit Pi / (2 * g)).
  • Cependant cette mise en œuvre utilise une férule non standard. Il est possible d’utiliser une férule standard en augmentant la longueur de la section de fibre à gradient d’indice. Cette dernière longueur peut être un multiple de 760 µm (soit Pi / g), par exemple 1,14 mm, tel qu’illustré avec la férule FFn1 par la , ou 1,90 mm tel qu’illustré avec la férule FFn2 par la .
  • L’utilisation de férule dans ces modes de réalisation permet l’insertion d’un dispositif Dcm entre les deux connecteurs tel qu’un traitement anti-reflet ou tout dispositif de type couche mince pour réaliser un filtrage optique ou une protection mécanique supplémentaire (revêtements hydrofuges ou hydrophobes, protection aux rayures et abrasions,). Une lame de verre mince peut aussi être insérée entre les deux férules. Cette lame de verre peut disposer d’une fonction optique comme un anti reflet, filtrage et aussi d’une fonction mécanique de protection. Cette lame de verre peut être insérée entre les deux férules avec chacune un angle de polissage de 8°. Il est aussi possible d’insérer cette lame de verre entre deux férules disposant d’angle différent comme par exemple une férule à 8° pour la fibre pleine et 0° pour la fibre creuse. Les figures 21, 22 et 23 illustrent 3 variations, de l’alignement mécanique de la lame de verre Dcm entre des férules : avec un angle identique ou avec des angles différents.

Claims (12)

  1. Dispositif de couplage entre une fibre optique monomode ou multicœurs, dite fibre pleine (Fp), et une fibre optique à cœur creux (Fcc), comprenant la fibre pleine, une section de fibre à gradient d'indice (Fgi), et la fibre à cœur creux, où :
    • la section de fibre à gradient d'indice (Fgi) est couplée à un cœur de la fibre pleine (Fp) avec un décalage radial (e) par rapport à l'axe central de la section de fibre à gradient d'indice (Fgi),
    • la section de fibre à gradient d'indice (Fgi) est couplée à la fibre à cœur creux (Fcc), la surface de contact de la fibre à cœur creux étant clivée selon un angle (Tc) par rapport à un plan orthogonal à l'axe central, dont la valeur est proportionnelle au décalage radial (e) et à des paramètres de la fibre à gradient d'indice (Fgi).
  2. Dispositif de couplage selon la revendication 1, comprenant en outre au moins une section en silice pure (Fsp1, Fsp2) adjacente d'un côté et/ou de l'autre de la section de fibre à gradient d'indice (Fgi).
  3. Dispositif de couplage selon la revendication 2, où la section en silice pure (Fsp1) est entre la fibre pleine (Fp) et la section de fibre à gradient d'indice (Fgi).
  4. Dispositif de couplage selon la revendication 2, où la section en silice pure (Fsp2) est entre la section de fibre à gradient d'indice (Fgi) et la fibre à cœur creux (Fcc).
  5. Dispositif de couplage selon la revendication 2, comprenant une première section en silice pure (Fsp1) entre la fibre pleine (Fp) et la section de fibre à gradient d'indice (Fgi), et une seconde section en silice pure (Fsp2) entre la section de fibre à gradient d'indice (Fgi) et la fibre à cœur creux (Fcc).
  6. Dispositif de couplage selon l'une des revendications 1 à 3, où la section de fibre à gradient d'indice (Fgi) est soudée à la fibre à cœur creux (Fcc).
  7. Dispositif de couplage selon l'une des revendications 4 ou 5, où la section en silice pure (Fsp2) est soudée à la fibre à cœur creux (Fcc).
  8. Procédé de fabrication d'un dispositif de couplage selon la revendication 1, entre une fibre optique monomode ou multicœurs, dite fibre pleine (Fp), et une fibre à cœur creux (Fcc), comprenant :
    • souder la fibre pleine (Fp) à une section de fibre à gradient d'indice (Fgi), ou à une première section de silice pure (Fsp1) elle-même soudée à la section de fibre à gradient d'indice (Fgi), avec un décalage radial (e) d'un cœur de la fibre pleine (Fp) par rapport à l'axe central de la section de fibre à gradient d'indice (Fgi),
    • sectionner la section de fibre à gradient d'indice (Fgi) afin de lui donner une longueur définie, avec un clivage par rapport à un plan orthogonal à l'axe central, selon un angle (Tc) dont la valeur est proportionnelle au décalage (e) et à des paramètres de la fibre à gradient d'indice (Fgi),
    • sectionner la fibre à cœur creux (Fcc) avec le clivage selon l’angle (Tc),
    • souder la fibre à cœur creux (Fcc) à la section de fibre à gradient d'indice (Fgi), avec le clivage (Tc) selon l’angle (Tc),
    la fibre pleine (Fp), la section à gradient d'indice (Fgi) et la fibre à cœur creux (Fcc) étant parallèles entre elles.
  9. Procédé de fabrication d'un dispositif de couplage selon la revendication 1, entre une fibre optique monomode ou multicœurs, dite fibre pleine (Fp), et une fibre à cœur creux (Fcc), comprenant :
    • souder la fibre pleine (Fp) à une section de fibre à gradient d'indice (Fgi), ou à une première section de silice pure (Fsp1) elle-même soudée à la section de fibre à gradient d'indice (Fgi), avec un décalage radial (e) d'un cœur de la fibre pleine (Fp) par rapport à l'axe central de la section de fibre à gradient d'indice (Fgi),
    • souder la section de fibre à gradient d’indice (Fgi) à une deuxième section en silice pure (Fsp2),
    • sectionner la deuxième section en silice pure (Fsp2) afin de lui donner une longueur définie, avec un clivage par rapport à un plan orthogonal à l'axe central, selon un angle (Tc) dont la valeur est proportionnelle au décalage (e) et à des paramètres de la fibre à gradient d'indice (Fgi),
    • sectionner la fibre à cœur creux (Fcc) avec le clivage selon l’angle (Tc),
    • souder la fibre à cœur creux (Fcc) à la deuxième section en silice pure (Fsp2), avec le clivage (Tc) selon l’angle (Tc),
    la fibre pleine (Fp), la section à gradient d'indice (Fgi), la deuxième section en silice pure (Fsp2) et la fibre à cœur creux (Fcc) étant parallèles entre elles.
  10. Dispositif de couplage selon la revendication 1, où la section de fibre à gradient d'indice (Fgi) et la fibre pleine (Fp) sont insérées dans une première férule de connexion (FF1, FFs, FFn1, FFn2), et la fibre à cœur creux (Fcc) est insérée dans une deuxième férule de connexion (FF2, FF2b) , la première férule et la deuxième férule étant aptes et configurées pour se connecter l’une à l’autre et se déconnecter l’une de l’autre.
  11. Dispositif de couplage selon la revendication 10, comprenant en outre un dispositif de type couche mince sur lame (Dcm), entre la première férule et la deuxième férule.
  12. Dispositif de couplage selon la revendication 11, où le dispositif de type couche mince (Dcm) est un traitement anti-reflets.
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