FR3125137A1 - Dispositif de couplage pour fibres optiques à cœur creux comprenant un élément de couplage - Google Patents
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Abstract
Dispositif (D) de couplage pour fibres optiques comprenant : une première fibre optique (FO1) à cœur creux à couplage inhibé comprenant une première gaine microstructurée (SCF1) comprenant une pluralité de premier motif tubulaire confinant (MCF1), répartis en anneau et entourant, au moins partiellement, un premier cœur (C1) de manière à confiner au moins un rayonnement à une longueur d’onde dans ledit premier cœur,une deuxième fibre optique (FO2) à cœur creux à couplage inhibé, comprenant une deuxième gaine microstructurée (SCF2) comprenant une pluralité de deuxième motif tubulaire confinant (MCF2), répartis en anneau et entourant, au moins partiellement, un deuxième cœur (C2) de manière à confiner ledit rayonnement lumineux dans ledit deuxième cœur,un élément couplant (SCP) agencé entre le premier et le deuxième cœur, ledit élément couplant comprenant au moins un motif tubulaire couplant (MCP, MCP1, MCP2, MTa) compris au moins partiellement dans ladite première gaine microstructurée et/ou ladite deuxième gaine microstructurée et présentant une épaisseur de paroi dite épaisseur de couplage et un indice de matériau dit indice de couplage, un agencement de l’élément couplant, l’épaisseur de couplage et l’indice de couplage étant adaptés de manière à créer un canal de fuite pour ladite longueur d’onde permettant un couplage du rayonnement guidé par la première fibre optique vers la deuxième fibre optique et/ou de la deuxième fibre optique vers la première fibre optique. Figure pour l’abrégé : [Fig.3]
Description
L’invention relève du domaine des fibres optiques microstructurées à cœur creux à couplage inhibé et plus particulièrement celui des coupleurs à fibres optiques à cœur creux.
Un coupleur à fibres optiques a pour objectif de transférer, avec un minimum de pertes optiques, un rayonnement guidé dans le cœur d’une fibre vers celui d’une autre fibre. Il est connu de réaliser un coupleur en juxtaposant deux fibres optiques et en rapprochant les cœurs des deux fibres par diverses techniques (polissage par exemple). Ainsi, les gaines optiques des deux fibres se recouvrent et une partie de la lumière propagée dans une première fibre optique se propage dans une deuxième fibre optique. Le procédé le plus courant pour réaliser un coupleur consiste à fusionner une section latérale polie de chaque fibre.
Les fibres microstructurées à cœur creux peuvent être séparées en deux catégories principales : les fibres à guidage à bande interdite (HC-PCF-PBG pour Hollow-Core ; Photonic-Cristal-Fiber ; Photonic BandGap en anglais) et les fibres à couplage inhibé (HC-PCF-IC pour Hollow-Core ; Photonic-Cristal-Fiber ; Inhibited Coupling en anglais). Ces types de fibre possèdent de nombreux avantages pour une utilisation dans des gyromètres notamment : elles présentent de faibles pertes, il est théoriquement possible de transférer la lumière du cœur de la fibre à un élément résonant de la gaine micro-structurée, ou inversement, de l’élément résonant à un cœur guidant. De même, ce type de fibres montre une fuite de lumière depuis son cœur avec une distribution azimutale et une dépendance de polarisation bien particulière. Cependant, il n’existe actuellement pas de coupleur dont la performance soit comparable à celle des coupleurs utilisant des fibres solides conventionnelles.
Des coupleurs de fibre à bande interdite HC-PCF-PBG sont à l’étude (voir Xu, Z.et al.,Design of single-polarization coupler based on dual-core photonic band-gap fiber implied in resonant fiber optic gyro. Optics Communications, 380, 302-309, (2016)). Cependant, leur réalisation est extrêmement complexe en raison même du principe de guidage. En effet le guidage dans les fibres PCF-PBG est provoqué par l’existence de bandes interdites photoniques créées par la périodicité de la structure de la gaine microstructurée. Ici, le guidage est réalisé dans un défaut de périodicité (le cœur) qui est d’indice n1inférieur à celui de la gaine. Les fibres HC-PCF-PBG possèdent des cœurs creux (section transverse d’air, indice n1=1). Ce guidage est donc différent de celui des fibres optiques classiques ou à gaines microstructurées PCF à cœur solide où le guidage et le confinement de la lumière dans le cœur est provoqué par la réflexion totale interne entre le cœur d’indice n1et la gaine microstructurée possédant un indice moyen n2effinférieur à n1.
Ainsi, réaliser un coupleur utilisant des fibres PCF-PBG suppose de travailler la gaine microstructurée de façon à supprimer une section sans altérer l’intégrité physique de la gaine ni ses propriétés optiques. Le but étant de rapprocher les cœurs à une distance de l’ordre de la longueur d’onde d’intérêt (~1 micron) pour recouvrir le champ évanescent des deux modes du cœur des deux fibres creuses à coupler. Concrètement, il est très difficile de modifier la structure de la gaine microstructurée de manière à rapprocher suffisamment les deux cœurs, sans trop impacter la qualité de la fibre et le confinement par PBG.
Alternativement, les fibres IC sont des fibres optiques qui présentent des parois de cœur à courbure négative, offrant une faible atténuation, une capacité à conserver la polarisation, des modes de cœur d’une dimension relativement grande, un chevauchement spatial très faible entre le mode de cœur et la paroi en silice du cœur et une efficacité de couplage dépassant 90% (voir Debord, B.et al. Hollow-Core Fiber Technology: The Rising of “Gas Photonics”. Fibers 2019, 7, 16. ). Dans une fibre à cœur creux HC-PCF de type IC, le mode de cœur et le mode de gaine ayant le même indice effectif, la lumière se propageant dans le cœur pourrait donc théoriquement se propager dans la gaine. Cependant, le confinement et le guidage du mode de cœur dans ces fibres est basé sur l’inhibition entre couplage du mode de cœur et du mode de la gaine, cette inhibition étant obtenue par la structure de la gaine microstructurée et celle du contour du coeur. En d’autres termes, le produit scalaire entre le champ électrique du mode de cœur |ϕcoeur〉 et celui du mode de la gaine |ϕgaine〉 est très faible. Le terme de couplage entre ces deux modes peut être réduit en ayant une faible intersection spatiale entre les champs |ϕcoeur〉 et |ϕgaine〉 ou par un fort décalage entre la phase spatiale transverse du mode de cœur et celui du mode de la gaine. Ce confinement n’existant que pour certaines gammes de longueurs d’onde, on observe alors des discontinuités dans la courbe de dispersion d’indice et donc dans la courbe de transmission.
La figure 1A présente une courbe des pertes par propagation en fonction de la longueur d’onde d’une fibre typique HC-PCF de type IC connue de l’art antérieur et illustrée en figure 1B. La structure de cette fibre est appelée HC-PCF-IC-SR-TL car la gaine microstructurée GMS comprend une pluralité de motifs tubulaires (« Tubular Lattice » ou TL en anglais) -typiquement en silice- agencés autour du cœur creux C en un unique anneau (« Single Ring » ou SR en anglais). Dans l’exemple illustré, l’épaisseur de paroi des motifs tubulaires vaut . Comme expliqué précédemment, on observe en figure 1A des discontinuités dans la courbe de pertes par propagation. On observe que les longueurs d’onde comprises dans la gamme Zcf présentent des pertes très faibles car il existe une faible intersection spatiale entre les champs |ϕcoeur〉 et |ϕgaine〉 ou un fort décalage entre la phase spatiale transverse du mode de cœur et celui du mode de la gaine. Les longueurs d’onde comprise dans cette gamme Zcf peuvent donc être guidées au sein du cœur C sur de longues distances. La courbe de la figure 1A illustre un exemple de longueur d’onde pouvant être guidée par la fibre de la . A l’inverse, les longueurs d’onde comprises dans la gamme Zcp présentent des pertes beaucoup plus élevées car il existe un couplage important entre des modes de gaine et le mode de cœur et ne peuvent donc pas efficacement être guidées.
Il est connu que les fibres possédant une gaine microstructurée de ce type présentent des champs de fuites particuliers qui dépendent de la structure de la gaine microstructurée. Coupler deux fibres de types HC-PCF de type IC requiert de les rapprocher suffisamment et de régler leur orientation azimutale respective pour qu’il existe un recouvrement des champs de fuite des fibres dans le coupleur. Plus précisément, le mécanisme de couplage est basé sur la fuite d’une fibre « vers » l’autre fibre et vice-versa. Afin de réaliser un coupleur, le choix d’une longueur d’onde de fonctionnement résulte d’un compromis entre l’intensité des champs de fuite (donc l’efficacité de couplage) et les pertes par propagation.
Il est connu du document CN108549128A de réaliser un coupleur basé sur deux fibres optiques à cœur creux à couplage inhibé, les deux cœurs étant séparé par une section vide. Cette section vide est obtenue par polissage de la gaine externe et la gaine microstructurée. Elle constitue le principal canal de fuite permettant le couplage d’un rayonnement guidé par une fibre vers l’autre fibre lorsqu’il existe un recouvrement entre le canal de fuite respectif de chaque fibre. Cependant, de manière critique, ce mode de réalisation nécessite une distance de rapprochement des cœurs (ou distance interstitielle) inférieure à la longueur d’onde afin d’assurer un recouvrement suffisant entre le canal de fuite principal des deux fibres et ainsi permettre un couplage efficace. Si la distance entre les deux cœurs est trop importante, le recouvrement maximal entre les champs de fuite que l’on peut obtenir en ajustant les orientations azimutales des deux fibres sera fortement diminué, tout comme l’efficacité de couplage. En contrepartie, obtenir une distance de rapprochement la plus faible possible nécessite de polir une section importante de la gaine microstructurée des deux fibres, ce qui peut fortement dégrader les performances des fibres optiques dans le coupleur. De plus, la distance de rapprochement est aussi limitée par la gaine externe qui entoure la gaine microstructurée. En pratique, il n’est donc pas possible de diminuer la distance interstitielle au-delà d’une certaine valeur. L’efficacité de couplage de ce dispositif est donc limitée par ces contraintes.
L’invention vise à pallier certains des problèmes précités de l’art antérieur à l’aide d’un coupleur pour fibres optiques à cœur creux à couplage inhibé présentant un élément couplant agencé entre le cœur de chaque fibre, l’élément couplant comprenant dont la position, le matériaux et la géométrie sont adaptés pour créer un canal de fuite permettant un couplage du rayonnement guidé par une fibre vers l’autre fibre.
A cet effet, un objet de l’invention un dispositif de couplage pour fibres optiques comprenant :
- une première fibre optique à cœur creux à couplage inhibé comprenant une première gaine microstructurée comprenant une pluralité de premier motif tubulaire confinant, répartis en anneau et entourant, au moins partiellement, un premier cœur de manière à confiner au moins un rayonnement à une longueur d’onde
- une deuxième fibre optique à cœur creux à couplage inhibé, comprenant une deuxième gaine microstructurée comprenant une pluralité de deuxième motif tubulaire confinant, répartis en anneau et entourant, au moins partiellement, un deuxième cœur de manière à confiner ledit rayonnement lumineux dans ledit deuxième cœur,
- un élément couplant agencé entre le premier et le deuxième cœur, ledit élément couplant comprenant au moins un motif tubulaire couplant compris au moins partiellement dans ladite première gaine microstructurée et/ou ladite deuxième gaine microstructurée et présentant une épaisseur de paroi
Selon un mode de réalisation de l’invention, chaque motif tubulaire couplant présente une épaisseur de couplage et un indice de couplage tels que , , avec .
Selon un mode de réalisation de l’invention, les motifs tubulaires couplant sont agencés de sorte qu’une distance D12entre le centre d’un motif tubulaire couplant et un motif tubulaire couplant adjacent soit inférieure à ladite longueur d’onde
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’élément couplant comprend au moins un premier et un deuxième motif tubulaire couplant. De manière préférentielle, dans ce mode de réalisation, la pluralité de premier et deuxième motifs tubulaires confinant entoure partiellement respectivement ledit premier et deuxième cœur, ledit premier motif tubulaire couplant étant agencé au sein de la première fibre optique, en regard d’une portion du premier cœur non entourée par la pluralité de premiers motifs tubulaires confinant, ledit deuxième motif tubulaire couplant étant agencé au sein de la deuxième fibre optique en regard d’une portion du deuxième cœur non entourée par la pluralité de deuxièmes motifs tubulaires confinant, le premier et le deuxième motif tubulaire couplant étant agencés en vis-à-vis.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, la pluralité de premier et deuxième motifs tubulaires confinant complétement respectivement le premier et le deuxième cœur, ledit premier et ledit deuxième motif tubulaire couplant étant imbriqués respectivement dans un desdits premier et deuxième motif tubulaire confinant, le premier et le deuxième motif tubulaire couplant étant agencés en vis-à-vis.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le premier motif tubulaire couplant est agencé au sein de la première fibre optique, en regard d’une portion du premier cœur non entourée par la pluralité de premiers motifs tubulaires confinant, et dans lequel la pluralité de deuxième motifs tubulaires confinant entoure entièrement le deuxième cœur, ledit deuxième motif tubulaire couplant étant imbriqué dans un desdits deuxièmes motifs tubulaires confinant et agencé en vis-à-vis dudit premier motif tubulaire couplant.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’élément couplant comprend au moins un motif tubulaire additionnel formant un des motifs tubulaire couplant, agencé entre le premier et le deuxième motif tubulaire couplant.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, l’élément couplant comprend un unique motif tubulaire couplant. De manière préférentielle, dans ce mode de réalisation, le motif tubulaire couplantest agencé en regard d’une portion du premier cœur non entourée par la pluralité de premiers motifs tubulaires confinant et en regard d’une portion du deuxième cœur non entourée par la pluralité de premiers motifs tubulaires confinant, ledit motif tubulaire étant disposé sensiblement entre lesdites portions. Alternativement, la pluralité de premiers motifs tubulaires confinant entoure complétement le premier cœur et la pluralité de deuxièmes motifs tubulaires confinant entoure partiellement le deuxième cœur, ledit motif tubulaire couplant étant agencé au sein de la deuxième fibre optique, en regard d’une portion du deuxième cœur non entourée par la pluralité de deuxièmes motifs tubulaires confinant, une orientation azimutale de la première et de la deuxième fibre optique au sein du dispositif est adaptée pour maximiser un recouvrement dudit canal de fuite avec un profil de fuite de ladite première gaine microstructurée.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la ou les épaisseurs de couplage et la ou les indices de couplage sont adaptés pour que ledit rayonnement soit guidé de la première fibre optique vers la deuxième fibre optique en excitant un mode spatial différent d’un mode spatial dudit rayonnement guidé par ladite première fibre optique
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement :
Les références aux figures, quand elles sont identiques, correspondent aux mêmes éléments.
Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle.
Claims (12)
- Dispositif (D) de couplage pour fibres optiques comprenant :
- une première fibre optique (FO1) à cœur creux à couplage inhibé comprenant une première gaine microstructurée (SCF1) comprenant une pluralité de premier motif tubulaire confinant (MCF1), répartis en anneau et entourant, au moins partiellement, un premier cœur (C1) de manière à confiner au moins un rayonnement à une longueur d’onde
- une deuxième fibre optique (FO2) à cœur creux à couplage inhibé, comprenant une deuxième gaine microstructurée (SCF2) comprenant une pluralité de deuxième motif tubulaire confinant (MCF2), répartis en anneau et entourant, au moins partiellement, un deuxième cœur (C2) de manière à confiner ledit rayonnement lumineux dans ledit deuxième cœur,
- un élément couplant (SCP) agencé entre le premier et le deuxième cœur, ledit élément couplant comprenant au moins un motif tubulaire couplant (MCP, MCP1, MCP2, MTa) compris au moins partiellement dans ladite première gaine microstructurée et/ou ladite deuxième gaine microstructurée et présentant une épaisseur de paroi
- une première fibre optique (FO1) à cœur creux à couplage inhibé comprenant une première gaine microstructurée (SCF1) comprenant une pluralité de premier motif tubulaire confinant (MCF1), répartis en anneau et entourant, au moins partiellement, un premier cœur (C1) de manière à confiner au moins un rayonnement à une longueur d’onde
- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chaque motif tubulaire couplant
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les motifs tubulaires couplant sont agencés de sorte qu’une distance (D12) entre le centre d’un motif tubulaire couplant et un motif tubulaire couplant adjacent soit inférieure à ladite longueur d’onde
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit élément couplant comprend au moins un premier (MCP1) et un deuxième (MCP2) motif tubulaire couplant.
- Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la pluralité de premier et deuxième motifs tubulaires confinant entoure partiellement respectivement ledit premier et deuxième cœur, ledit premier motif tubulaire couplant (MCP1) étant agencé au sein de la première fibre optique, en regard d’une portion du premier cœur non entourée par la pluralité de premiers motifs tubulaires confinant, ledit deuxième motif tubulaire couplant (MCP2) étant agencé au sein de la deuxième fibre optique en regard d’une portion du deuxième cœur non entourée par la pluralité de deuxièmes motifs tubulaires confinant, le premier et le deuxième motif tubulaire couplant étant agencés en vis-à-vis.
- Dispositif selon la revendication 4, dans la pluralité de premier et deuxième motifs tubulaires confinant complétement respectivement le premier et le deuxième cœur, ledit premier et ledit deuxième motif tubulaire couplant (MCP1, MCP2) étant imbriqués respectivement dans un desdits premier et deuxième motif tubulaire confinant, le premier et le deuxième motif tubulaire couplant étant agencés en vis-à-vis.
- Dispositif selon la revendication 4, dans lequel ledit premier motif tubulaire couplant (MCP1) est agencé au sein de la première fibre optique, en regard d’une portion du premier cœur non entourée par la pluralité de premiers motifs tubulaires confinant, et dans lequel la pluralité de deuxième motifs tubulaires confinant entoure entièrement le deuxième cœur, ledit deuxième motif tubulaire couplant (MCP2) étant imbriqué dans un desdits deuxièmes motifs tubulaires confinant et agencé en vis-à-vis dudit premier motif tubulaire couplant.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel l’élément couplant comprend au moins un motif tubulaire additionnel (MTa) formant un des motifs tubulaire couplant, agencé entre le premier et le deuxième motif tubulaire couplant.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ledit élément couplant comprend un unique motif tubulaire couplant (MCP).
- Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le motif tubulaire couplant (MCP) est agencé en regard d’une portion du premier cœur non entourée par la pluralité de premiers motifs tubulaires confinant et en regard d’une portion du deuxième cœur non entourée par la pluralité de premiers motifs tubulaires confinant, ledit motif tubulaire étant disposé sensiblement entre lesdites portions.
- Dispositif selon la revendication 9, dans lequel la pluralité de premiers motifs tubulaires confinant entoure complétement le premier cœur et la pluralité de deuxièmes motifs tubulaires confinant entoure partiellement le deuxième cœur, ledit motif tubulaire couplant (MCP) étant agencé au sein de la deuxième fibre optique, en regard d’une portion du deuxième cœur non entourée par la pluralité de deuxièmes motifs tubulaires confinant, une orientation azimutale de la première et de la deuxième fibre optique au sein du dispositif est adaptée pour maximiser un recouvrement dudit canal de fuite avec un profil de fuite de ladite première gaine microstructurée.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la ou les épaisseurs de couplage
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| XU, Z. ET AL.: "Design of single-polarization coupler based on dual-core photonic band-gap fiber implied in résonant fiber optic gyro", OPTICS COMMUNICATIONS, vol. 380, 2016, pages 302 - 309, XP029694284, DOI: 10.1016/j.optcom.2016.06.005 |
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