FR2812407A1 - Convertisseur de faisceau d'onde et son procede de fabrication - Google Patents
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Abstract
Un faisceau d'onde est employ e de manière d'autant plus efficace que son etendue g eom etrique est proche de la sym etrie de r evolution. Pour cela, un système peut utiliser un convertisseur d'un ou plusieurs paramètres d'un faisceau d'onde comportant N sous-faisceaux (N entier >= 1), caract eris e en ce qu'il comporte au moins un mat eriau massif comportant au oins :. une première extr emit e comportant au moins N entr ees, chacun des N sous-faisceaux etant reçu par l'une des N entr ees, et. une deuxième extr emit e comportant au moins une sortie d elivrant le faisceau dont le ou les paramètres de conversion ont une ou des valeurs pr ed etermin ees. Le paramètre converti peut être l' etendue g eom etrique afin de satisfaire la condition d'efficacit e.
Description
L'invention concerne le domaine de la propagation d'ondes.
Même si l'invention peut s'appliquer à tout type d'onde, le problème qu'elle se propose de résoudre est décrit dans le cas d'émission de faisceaux optiques. Les barrettes de diodes laser sont des assemblages monolithiques de diodes. Les faisceaux lumineux, qu'elles permettent de délivrer, ont des puissances optiques élevées. Leur surface émissive est, en général, de 1cm de large dans la direction parallèle au plan de la jonction (D//). Et, dans la direction perpendiculaire (DL), elle est d'environ 1gm de haut. Une barrette est, ainsi, une source d'émission présentant une forte dissymétrie. En effet, elle est environ 10.000 fois plus large que haute. De même, le rayonnement de la source d'émission ne diverge pas de manière symétrique. Elle est supérieure à 25 (30 à 50 ) selon Dl, elle est d'environ 10 suivant D//. Par ]5 définition, I'étendue géométrique est le produit de la dimension par la divergence suivant une direction. La produit de ces deux caractéristiques conduit à une étendue géométrique linéique. En effet, elle est environ 2.000
fois plus grande selon D// que selon Dl.
Cette forte dissymétrie porte un réel préjudice à l'emploi de ces composants. En effet, elle ne permet pas un emploi efficace de ces composants et cela dans le cas de nombreuses applications. C'est pourquoi, il est intéressant de disposer d'un faisceau dont l'étendue géométrique est proche de la symétrie de révolution. Ce type de faisceau est injecté dans une
fibre optique ou il est utilisé directement.
La solution est, donc, de répartir optiquement l'étendue géométrique d'une telle source selon les deux directions. Cela est fait tout en conservant au mieux sa valeur globale. Ce sujet a inspiré de nombreux travaux. Certains de ces travaux sont décrits dans les documents suivants: J.R LEGER et ai, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 18, n 4, April 1992, et les brevets
français FR 2 741 726, FR 2 748, 127, 2 783 056 (THOMSON-CSF).
La présente invention permet de palier ou, pour le moins, de réduire les inconvénients des solutions existantes. La répartition de l'étendue géométrique se fait en inscrivant dans un matériau massif des guides d'onde tridimensionnels. L'intérêt d'un tel système est l'obtention d'une source dont l'étendue géométrique est répartie plus uniformément selon les deux directions que la source initiale. D'o un champ d'application qui est
beaucoup plus vaste.
L'invention propose un convertisseur d'un ou plusieurs paramètres d'un faisceau d'onde comportant N sous-faisceaux, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un matériau massif comportant au moins: À une première extrémité comportant au moins N entrées, chacun des N sous-faisceaux étant reçu par l'une des N entrées, et ò une deuxième extrémité comportant au moins une sortie délivrant le faisceau dont le ou les paramètres de conversion ont une ou des
valeurs prédéterminées.
Ce convertisseur permet de modifier l'étendue géométrique en mettant en oeuvre une méthode de conversion d'un ou plusieurs paramètres d'un faisceau d'onde comportant N sous-faisceaux, caractérisé en ce qu'elle comporte au moins le guidage de chacun des N sous-faisceaux par N lignes d'indice dans l'espace à trois dimensions constitué par un matériau massif,
les lignes d'indice formant des guides d'ondes élémentaires.
L'invention a, aussi, pour objet un procédé de fabrication d'un convertisseur d'un ou plusieurs paramètres d'un faisceau d'onde comportant N sous-faisceaux, caractérisé en ce qu'il comporte la modification locale de I'indice d'un matériau massif de manière à former N lignes d'indices constituant des guides d'ondes élémentaires entre une première et la deuxième extrémité du matériau telles que le ou les paramètres du faisceau délivré par le matériau en sa deuxième extrémité ont une ou des valeurs prédéterminées. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus
clairement à la lecture de la description, faite à titre d'exemple, et des figures
s'y rapportant qui représentent: - Figure 1, un schéma de principe d'un système d'émission d'étendue géométrique rectangulaire selon l'invention, - Figure 2, une vue externe du convertisseur d'étendue
géométrique utilisé dans la figure 1.
Sur la figure 1, un composant initial 1 génère un faisceau dont l'étendue géométrique a la forme d'une ligne plus ou moins épaisse. Le composant initial 1 a au moins plusieurs émetteurs d'ondes, par exemple les
trois émetteurs d'ondes la, lb et lc, qui génèrent chacun un sousfaisceau.
Le faisceau traverse un organe de couplage 3 avant d'entrer dans le convertisseur 2. Le convertisseur 2 a au moins le même nombre de guides d'onde élémentaires que le composant initial 1 a d'émetteurs. Ces guides d'ondes élémentaires 2a, 2b et 2c sont inscrits dans un matériau massif. Les trois guides d'ondes élémentaires 2a, 2b et 2c comportent chacun une entrée E2a, E2b et E2c qui est associée à un des émetteurs la, lb, et lc. Ces entrées E2a, E2b et E2c sont, donc, distribuées de la même manière que les
o0 émetteurs la, lb et lc. L'organe de couplage 3 permet d'adapter les sous-
faisceaux issus des émetteurs 1la, 1lb et 1lc aux entrées E2a, E2b et E2c. La conversion de l'étendue géométrique de ce faisceau est réalisée, par exemple, en superposant les sorties S2a, S2b et S2c des guides d'ondes élémentaires 2a, 2b et 2c. Sur la figure 1, I'étendue géométrique en sortie du
convertisseur 2 a la forme d'un rectangle.
Dans ce cas, c'est l'étendue géométrique du faisceau traversant le matériau 2 qui est convertie. En général, le convertisseur 2 peut modifier un ou plusieurs paramètres. Par exemple, il peut convertir la dimension du faisceau. Ou encore, il peut transformer sa divergence selon une ou
plusieurs directions.
Les sous-faisceaux issus des trois émetteurs la, 1lb et 1lc sont émis indépendamment les uns des autres. Ils sont émis dans la même direction, la direction [Oz) sur la figure 1. Le composant initial 1 peut être, par exemple,
une barrette de diodes laser ou un empilement de barrettes.
La représentation du convertisseur 2 de la figure 1 n'est pas complète.
En effet, seuls les guides d'ondes élémentaires 2a, 2b, 2c y sont apparents.
Cette vue partielle du convertisseur 2 facilite la lecture des trajets du faisceau dans le système de la figure 1. La superposition des sorties S2a, S2b et S2c est obtenue par le fait que les guides d'ondes élémentaires 2a, 2b et 2c se chevauchent. Cela conduit à ce que les sous-faisceaux issus des émetteurs initiaux 1 a, 1lb et 1lc soient réarrangés de manière spatiale. Les différents guides élémentaires 2a, 2b et 2c peuvent rester indépendant ou être couplés pour ne plus former qu'un seul guide (par exemple, plus gros). Les sorties
S2a, S2b et S2c ont ainsi fusionné en une seule sortie S2.
L'utilisation d'un organe de couplage 3 n'est pas nécessaire. Mais, il peut permettre de pallier un certains nombres d'inconvénients. Tout d'abord, il permet d'assurer une bonne transmission de la puissance. En plus, il permet d'adapter la taille et/ou la divergence des faisceaux issus des émetteurs 1 a, 1 b et 1 c à celles des entrées E2a, E2b et E2c. Par exemple, I'ouverture numérique d'un faisceau issu d'une diode
laser la, lb ou lc est, en général, de l'ordre de 0,5 suivant la direction [Oy).
L'organe 3 permet de réduire l'ouverture numérique de ce faisceau. Ainsi, elle peut être réduite à une valeur inférieure ou égale à celle de l'entrée E2a, l0 E2b ou E2c. Cette réduction peut être réalisée à l'aide, par exemple, d'une (ou plusieurs) lentille cylindrique. La lentille sert collectivement à tous les émetteurs 1 a, lb et 1lc d'une barrette de diodes. De même, suivant la
direction [Ox), le faisceau peut être adapté à l'entrée E2a, E2b ou E2c.
L'ouverture numérique d'un faisceau issu d'une diode la, lb ou lc est, en général, inférieure à 0,1 suivant cette direction. Il est, donc, possible qu'elle soit compatible avec celle de l'entrée E2a, E2b ou E2c. En revanche, sa dimension spatiale est beaucoup plus grande (typiquement 50 à 500lïm) que l'épaisseur suivant [Oy) du faisceau en sortie de l'émetteur l a, 1 b, 1 c. D'o le profil des entrées E2a, E2b et E2c est de préférence rectangulaire. Dans le cas o le composant initial 1 comporte un empilement de barrettes de diodes
laser, I'organe de couplage 3 pourrait être un réseau de lentilles cylindriques.
Ces lentilles sont placées dans l'organe 3 telles qu'à chacune d'elles est associée l'une des barrettes de diodes laser de cette empilement. L'organe
de couplage 3 permet, ainsi, de réduire la divergence selon la direction [Oy).
L'optique de couplage 3 peut, donc, comporter: * soit une seule lentille cylindrique d'axe parallèle à [Ox), ò soit un réseau suivant [Ox) de lentilles cylindriques et/ou sphériques d'axe parallèle à [Oy), À soit toutes autres combinaisons d'éléments qui permettent de
modifier la direction, la divergence... d'un faisceau d'onde.
La figure 2 présente le matériau massif, qui constitue le convertisseur 2 de la figure 1, vu de l'extérieur. Les traces E2a, E2b, E2c des guides d'ondes élémentaires 2a, 2b, 2c sont dessinées sur la face d'entrée 21. Cette face 21 est la première extrémité du matériau. Et, les traces S2a, S2b, S2c des guides d'ondes élémentaires 2a, 2b, 2c sont dessinées sur la face de sortie 22. Cette face 22 est la deuxième extrémité du matériau. Les entrées E2a, E2b et E2c, et les sorties S2a, S2b et S2c sont tracées pour une
meilleure compréhension du convertisseur 2.
Les faces d'entrée 21 et/ou de sortie 22 sont traitées antireflet à une ou plusieurs longueurs données. Cela permet de réduire les pertes dues au couplage. En particulier, si la longueur d'onde est la longueur d'onde d'utilisation émise par le composant initial 1. De plus, les faces d'entrée 22 et de sortie 22 du système ne sont pas forcément parallèles. Elles peuvent être perpendiculaires. Mais la face d'entrée 21 et la face de sortie 22 peuvent être o10 deux parties d'une seule et même face du matériau. Cela permet une déflexion de la direction du faisceau en sortie par rapport à la direction
originelle [Oz).
Sur les figures 1 et 2, les trois guides d'ondes élémentaires 2a, 2b et 2C sont parallèles entre eux. Et, ils sont perpendiculaires à la face de sortie 22. Il s'agit de la configuration utilisée de préférence au sein d'un convertisseur 2 quel que soit le nombre de guides d'onde élémentaire. Mais
elle n'est pas nécessaire au fonctionnement du convertisseur 2.
Le réseau des entrées E2a, E2b, E2c... des guides d'ondes élémentaires 2a, 2b, 2c peut avoir diverses formes. En fait, le réseau des entrées E2a, E2b, E2c du convertisseur 2 s'adapte au réseau des émetteurs la, lb, lc du composant initial 1. La forme du réseau peut, donc, être adaptée à un éventuel défaut des barrettes 1 connues sous le nom de "smile". Sur une barrette 1 "smile", les émetteurs la, lb, lc sont disposés selon une courbe. La flèche de cette courbe peut être, par exemple, de 1 à
20 tm suivant la technique de report utilisé.
Le faisceau en sortie est, ainsi, réarrangé par le convertisseur 2. La géométrie obtenue est plus compacte et elle peut, surtout, être carrée, par exemple. Les zones non éclairées entre les sorties S2a, S2b et S2c peuvent être négligeables. Ce qui n'est pas le cas des zones d'ombres inter émetteurs 1 a, 1lb, 1lc. Les sorties S2a, S2b, S2c... peuvent, donc, être
adjacentes ou non et même fusionnées.
Les sorties S2a, S2b, S2c... peuvent être réparties selon une matrice qui a X lignes et Y colonnes (pour X.Y guides élémentaires). De manière
générale, le pattern que suivent les sorties S2a, S2b, S2c... est quelconque.
Le pattern est un terme anglo-saxon qui désigne la grille de distribution. Il est défini par sa forme de base qui est un rectangle ou un ovale ou un polygone quelconque... La forme des sorties S2a, S2b et S2c est quelconque. Elle est indépendante de la forme des entrées E2a, E2b et E2c. Les guides d'ondes élémentaires 2a, 2b et 2c dont la forme diffère entre l'entrée et la sortie ont subit une transformation qui est, par exemple, adiabatique ou quasiment adiabatique. Ainsi, les sorties S2a, S2b et S2c peuvent être non pas
rectangulaires mais circulaires, par exemple.
Les sorties S2a, S2b, S2c sont telles que le ou les paramètres du faisceau incident sont convertis. Par exemple, elles permettent à l'étendue géométrique d'avoir une forme donnée. Cette forme peut être proche de la symétrie de révolution pour que le faisceau d'onde soit utilisé plus efficacement. Les guides d'ondes élémentaires 2a, 2b et 2c sont des lignes d'indices dans le matériau 2. Ces lignes d'indices sont obtenues en modifiant localement l'indice d'un matériau massif. L'indice modifié est, par exemple, l'indice de réfraction. La variation d'indice An peut être, par exemple, de l'ordre de 10-4 à 10à3. Elle dépend de plusieurs facteurs. Le premier est le matériau utilisé. Les conditions opératoires en sont d'autres. Elle est, par
exemple de l'ordre de An=3.10-4 dans le verre Corning 0211.
Si le rayon de courbure des lignes d'indice est suffisamment grand, les pertes de guidage sont négligeables. Cela permet d'assurer un bonne
transmission de la puissance.
La modification d'indice est effectuée sur un volume de l'ordre de 1 Lm3 avec des impulsions lumineuses. Ce sont, par exemple, des impulsions femtosecondes. Et, pour modifier l'indice en volume, elles peuvent, par exemple être ultra intenses. Ce type d'impulsions à haute cadence permet d'inscrire rapidement les lignes d'indices. Ces impulsions sont délivrées par
une source. La source peut, par exemple, être un oscillateur femtoseconde.
De plus, un amplificateur peut être couplé à l'oscillateur. Considérons le cas
o l'oscillateur délivre des impulsions de 15nJ à une fréquence de 25MHz.
Les lignes d'indice sont, alors, inscrites à une vitesse de 20 mm/s.
De fait, tout motif est faisable en volume. Les lignes d'indice sont crées en trois dimensions dans le matériau 2 à l'aide, par exemple, de techniques classiques de micro-positionnement programmable. Il n'y qu'une seule condition. C'est que le matériau 2 soit transparent ou quasitransparent à une ou des longueurs d'onde d'utilisation. La section des lignes peut, par exemple, être de 1xl1lm2. L'ouverture numérique des guides d'ondes
élémentaire 2a, 2b et 2c ainsi obtenus est d'environ 0,06.
Les lignes d'indice 2a, 2b et 2c de l'exemple de la figure 1 ont été inscrites en utilisant des techniques classiques de micro-positionnement
programmable avec des impulsions femtosecondes à haute fréquence.
Le convertisseur 2 présenté comme exemple sur les figures 1 et 2. De manière générale, les guides d'ondes élémentaires 2a, 2b, 2c peuvent être io multimode, monomodes ou multimodes suivant une direction et monomodes suivant une autre... Le nombre de guides d'ondes élémentaires 2a, 2b, 2c dépend, plus généralement, du nombre de faisceau élémentaire issu du composant initial 1 qui peut comporter un réseau plat, matriciel ou autre de sources d'onde (barrette ou un empilement de barrettes de diodes laser, par15 exemple) mais aussi un réseau plat, matriciel ou autre de fibres optiques ou
de tous dispositifs ayant au moins une sortie d'onde...
Quelques exemples d'utilisations directes possibles pour ce type de faisceau sont, par exemple, le pompage optique longitudinal de lasers solides, le marquage, le soudage, la découpe de divers matériaux.... Il peut
aussi être utilisé, par exemple, pour l'injection dans une fibre optique.
Claims (22)
1. Convertisseur d'un ou plusieurs paramètres d'un faisceau d'onde comportant N sous-faisceaux (N entier > 1), caractérisé en ce qu'il comporte au moins un matériau massif comportant au moins: * une première extrémité comportant au moins N entrées, chacun des N sous-faisceaux étant reçu par l'une des N entrées, et a une deuxième extrémité comportant au moins une sortie délivrant le faisceau dont le ou les paramètres de conversion ont une ou des
valeurs prédéterminées.
2. Convertisseur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les paramètres de conversion comportent au moins un des paramètres suivants: la dimension du faisceau,
* la divergence du faisceau selon une direction donnée.
3. Convertisseur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la valeur prédéterminée prise par l'étendue géométrique (produit de la dimension par la divergence selon une direction) du faisceau à la deuxième extrémité est une forme géométrique proche de la ou vérifiant une symétrie
de révolution.
4. Convertisseur selon l'une revendications précédentes, caractérisé en ce
que le matériau massif comporte des variations locales d'indice telles qu'elles forment des lignes d'indice dans l'espace à trois dimensions constitué par le matériau.
5. Convertisseur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ces lignes d'indice forment des guides d'onde élémentaires entre, au moins,
une entrée et une sortie.
6. Convertisseur selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce
que les lignes d'indice sont des lignes d'indice de réfraction.
7. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en
ce que les entrées/sorties du matériau massif ont une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: * les entrées sont distribuées telles qu'elles sont disposées en face des N sous-faisceaux incidents, * les sorties sont réparties de façon matricielle X lignes et Y colonnes (N=X.Y, X et Y entiers > 1), * les sorties sont adjacentes ou non, * les entrées et les sorties sont distribuées, respectivement, sur une première et une deuxième extrémités qui sont soit faces opposées ou
perpendiculaires, soit la même face du matériau massif.
8. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes caractérisée en
ce que la première extrémité et/ou la deuxième extrémité du matériau sont
traitées antireflet à la longueur d'onde du faisceau.
9. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en
ce qu'il est constitué par le matériau massif ayant N entrées correspondant à N guides d'ondes élémentaires formés par N lignes d'indice dans le matériau massif et ayant: ò soit une seule sortie constituée par la fusion des N lignes d'indice sur la deuxième extrémité,
soit N sorties qui correspondent aux N guides d'ondes élémentaires.
10. Méthode de conversion d'un ou plusieurs paramètres d'un faisceau d'onde comportant N sous-faisceaux (N entier > 1), caractérisé en ce qu'elle comporte au moins le guidage de chacun des N sous-faisceaux par N lignes d'indice dans l'espace à trois dimensions constitué par un matériau massif,
les lignes d'indice formant des guides d'ondes élémentaires.
11. Méthode de conversion selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le ou les paramètres du faisceau prennent une ou des valeurs prédéterminées qui dépendent de la distribution et/ou de la forme de la ou
des sorties des N lignes d'indices.
12. Procédé de fabrication d'un convertisseur d'un ou plusieurs paramètres d'un faisceau d'onde comportant N sous-faisceaux (N entier > 1) , caractérisé en ce qu'il comporte la modification locale de l'indice d'un matériau massif de manière à former N lignes d'indices constituant des guides d'ondes élémentaires entre une première et la deuxième extrémité du matériau telles que le ou les paramètres du faisceau délivré par le matériau en sa deuxième
extrémité ont une ou des valeurs prédéterminées.
13. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la distribution et/ou la forme des sorties des lignes d'indices sur la
deuxième extrémité dépendent de la ou des valeurs prédéterminées.
14. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 12 ou 13,
caractérisé en ce que la modification de l'indice est obtenue grâce à des impulsions ultra intenses et/ou femtosecondes et/ou à haute cadence, et/ou
par des procédés de micro-positionnement programmable.
15. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé
en ce que les entrées/sorties des lignes d'indices du matériau ont une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: À les entrées sont distribuées telles qu'elles puissent être disposées en
face des N sous-faisceaux incidents.
a la ou les sorties des lignes d'indices sur la deuxième extrémité sont distribuées telles que l'étendue géométrique de la ou de tout ou partie
des sorties est de forme prédéterminée.
16. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 12 à 15
caractérisée en ce que la première extrémité et/ou la deuxième extrémité du i5 matériau sont traitées antireflet à la longueur d'onde des faisceaux d'onde guidés.
17. Système de fabrication d'un convertisseur selon l'une des revendications
1 à 9 et/ou mettant en oeuvre le procédé de l'une des revendications 12 à 16,
caractérisé en ce qu'il comporte au moins une source femtoseconde
délivrant des impulsions qui modifie localement l'indice du matériau.
18.Système délivrant un faisceau d'onde ayant un ou plusieurs paramètres de valeurs prédéterminées comportant au moins: * N dispositifs délivrant N sous-faisceaux formant un faisceau dont le ou les paramètres ont une ou des valeurs quelconques,
25. un convertisseur selon l'une des revendications 1 à 9 comportant N
entrées et une ou plusieurs sorties,
19. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, au moins un organe de couplage intermédiaire entre les N dispositifs et le convertisseur permettant d'adapter la dimension et/ou la divergence des N sous-faisceaux délivrés par les dispositifs aux entrées du convertisseur.
20. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'organe de couplage comporte l'un des dispositifs suivants: À une seule lentille cylindrique ou sphérique, a au moins un réseau de lentilles cylindriques et/ou sphériques, au moins une combinaison de réseaux de lentilles cylindriques et/ou sphériques.
21.Système selon l'une des revendications 17 à 19, caractérisé en ce que les N dispositifs forment au moins une barrette ou un empilement de
barrettes de diodes laser.
22.Utilisation d'un système selon l'une des revendication 17 à 20 soit de manière directe, soit pour l'injection de faisceaux dans une fibre optique.
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| EP1305667A2 (fr) | 2003-05-02 |
| WO2002011251A3 (fr) | 2002-05-30 |
| WO2002011251A2 (fr) | 2002-02-07 |
| FR2812407B1 (fr) | 2003-01-31 |
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