WO2014206975A1 - Composant optique à fibre - Google Patents

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WO2014206975A1
WO2014206975A1 PCT/EP2014/063264 EP2014063264W WO2014206975A1 WO 2014206975 A1 WO2014206975 A1 WO 2014206975A1 EP 2014063264 W EP2014063264 W EP 2014063264W WO 2014206975 A1 WO2014206975 A1 WO 2014206975A1
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optical fiber
fiber
optical
ring
inclusions
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PCT/EP2014/063264
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Inventor
Romain PERETTI
Xavier Letartre
Christian Seassal
Pierre Viktorovitch
Jean-Louis Leclercq
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Ecole Centrale De Lyon
Université Lyon 1 Claude Bernard
Institut National Des Sciences Appliquées De Lyon
Centre National De La Recherche Scientifique
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    • G02B6/02371—Cross section of longitudinal structures is non-circular

Definitions

  • the present invention relates to a fiber optic component.
  • Guiding light in an optical fiber is useful for many applications.
  • the best known relates to the transmission of information optically in silica fibers.
  • optical amplifiers or delay lines In this context, in addition to the simple transmission of the optical signals, it is necessary to include in a network active or passive components to act on the transmitted optical signal such as optical amplifiers or delay lines.
  • an amplifying fiber it can be doped with materials (such as rare earth ions) in order to give them light emission or amplification properties.
  • materials such as rare earth ions
  • Refractive guidance is the most widely used method in optics, especially in silica fibers.
  • the principle is to use the laws of Descartes on refraction, that is to say to ensure that the light rays are permanently in total reflection at the interface between the core of the fiber and the external environment.
  • the core of the fiber is made of a material of index higher than the sheath. This index jump allows the phenomenon of total reflection.
  • the critical angle will be important and the rays propagate inside the fiber with a propagation direction close to that of the axis of the fiber. This also results in a speed of propagation of the photons along the axis, also called group velocity, which is important.
  • the lateral distribution of the electromagnetic field will be, because of the small index difference, fairly wide (of the order of 10 pm in a monomode fiber carrying a signal at a wavelength of 1.55 pm).
  • solutions are based on diffraction and interference processes and consist of structuring a dielectric material (not absorbent) around the heart of the fiber to block the photons.
  • micro-structured fibers Two types of micro-structured fibers are known:
  • Photonic crystal fibers these are fibers in which a network of holes has been made in the silica. In this case micro-structuring makes it possible to produce a mirror in the directions transverse to the axis of the fiber. However, the low index contrast between silica and air makes the mirror effective only at relatively low angles of propagation relative to the axis, and the problems of the refractive method are found.
  • the sheath consists of a succession of cylindrical layers of different indices.
  • This cylindrical multilayer acts as an interference mirror. This solution therefore responds to the need expressed, that is to say that it allows the reflection of a wave propagating in the normal direction to the axis of the fiber: we obtain "slow light”.
  • the present invention aims to provide an optical fiber optical component, which can be of short length and in which the light-matter interactions (nonlinear effects, stimulated amplification, sensitivity to the environment) can be better controlled (reinforced or more generally amended).
  • the invention proposes a fiber optic component comprising:
  • the interferential mirror made up of several inclusions longitudinally parallel to the axis of the fiber and made of a high refractive index material disposed on a contour to form a cylinder / a crown, a strong confinement is achieved for almost zero angles of reflection, to exalt light-matter interactions in fibers that can be short, especially less than 1 cm.
  • this solution makes it possible to exploit the manufacturing technology used to manufacture crystalline core optical fibers, that is to say a pulling technique derived from the usual optical fiber fabrication technologies.
  • the fiber component may further comprise one or more of the following features taken alone or in combination:
  • the interference mirror comprises at least a first ring of at least five longitudinal inclusions integrated in at least a portion of the optical fiber and substantially parallel to the axis of the optical fiber, the longitudinal inclusions being disposed substantially steady on a closed curve, including a cross-sectional circle of the optical fiber.
  • the interference mirror may further comprise a second ring of at least five longitudinal inclusions integrated in at least a portion of the optical fiber and substantially parallel to the axis of the optical fiber, the longitudinal inclusions being disposed almost regularly on a closed curve, in particular a circle in cross section of the optical fiber, the second ring having a diameter greater than the first ring and being concentrically disposed around the first ring of longitudinal inclusions.
  • the optical fiber component may comprise a second interference mirror formed of a second ring of at least five longitudinal inclusions integrated in at least a portion of the optical fiber and substantially parallel to the axis of the fiber.
  • the longitudinal inclusions of the second ring being arranged almost regularly on a closed curve, in particular a cross-sectional circle of the optical fiber, the second ring being arranged next to the first ring of longitudinal inclusions according to a view in cross section.
  • the longitudinal inclusions are for example formed of elliptical section bars, preferably of circular section, or of polygonal section.
  • the bars fulfill the following criterion
  • the bars fulfill the following criterion:
  • the optical fiber is for example made of silica and the longitudinal inclusions are made of silicon.
  • the optical fiber may comprise in the center of the cylindrical interferential mirror an optically active material, in particular an optically amplifying or non-linear material.
  • the optical fiber may comprise in the center of the cylindrical interference mirror a hollow cavity.
  • the cylindrical interference mirror exceeds a free end of the optical fiber of a predetermined length.
  • a slot is formed in the optical fiber.
  • This slot can be filled with an optically active material.
  • the invention furthermore relates to the use of a fiber optic component as defined above for producing one or more of the following optical components formed by the group: amplifying fiber, laser fiber, optical fiber detector, optical fiber line. delay, optical memory, optical sensors.
  • FIG. 1 shows a fiber optical component according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of the fiber optic component of FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a fiber optical component according to a second embodiment
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of the fiber optic component of FIG. 2
  • FIG. 5 shows a fiber optical component according to a third embodiment
  • FIG. 6 shows a fiber optic component according to a fourth embodiment
  • FIG. 7 shows a fiber optic component according to a fifth embodiment.
  • FIG. 8 shows a fiber optical component according to a sixth embodiment
  • FIG. 9 shows a fiber optical component according to a seventh embodiment.
  • Figures 1 and 2 show a first embodiment of a fiber optic component 1 according to the invention.
  • This fiber component 1 comprises an optical fiber 3 and at least one cylindrical interference mirror 5 integrated in the fiber 3.
  • the cylindrical interference mirror 5 is formed of longitudinal inclusions 7 made of a material whose refractive index n is greater than or equal to twice the refractive index n of the fiber.
  • the interference mirror comprises at least a first ring 8 of at least five longitudinal inclusions 7 (in this case 12 inclusions in FIG. 2) integrated in at least a portion of a predetermined length 1 of the optical fiber or over the entire length of the optical fiber and substantially parallel to the longitudinal axis of the fiber.
  • the longitudinal inclusions 7 are disposed in a substantially regular or even regular (as shown in the figure) on a closed curve whose radius of curvature is large in front of the distance between the inclusions 7, (in this example, the closed curve is a circle 10 (in hatched lines)) seen in cross section of the optical fiber 3.
  • the longitudinal inclusions 7 form a sort of cage whose collective electromagnetic behavior prevents the photon leakage in radial directions, keeping the photons in two directions in space.
  • a "quasi-regular" arrangement has been noted because, in fact, a slight modification (less than 25%) of the periodicity of the longitudinal inclusions 7 makes it possible, depending on the desired application, to decenter, for example, a cage mode formed by the interference mirror 5.
  • the longitudinal inclusions 7 are formed of elliptical section bars, preferably of circular section or of polygonal shape.
  • optical fiber component 1 is produced for a given wavelength range, in particular of the order of 1 ⁇ m, for example of approximately 1.5 ⁇ m, and this is the length of the wavelength. wave of the optical signal to be injected which will condition the positioning of the inclusions longitudinal to each other to form an effective interference mirror.
  • the positioning of the bars fulfills the following criterion:
  • ⁇ is the wavelength of the light intended to be injected into the fiber
  • r is the radius of a bar
  • d is the distance between two neighboring bars.
  • the bars also fulfill the following criterion:
  • r is the radius of a bar
  • d is the distance between two neighboring bars.
  • the optical fiber 3 is made of silica whose refractive index is about 1.5, and the longitudinal inclusions 7 are for example made of silicon whose index of refraction is about 3, 5. germanium can also be used.
  • the optical fiber 3 comprises at the center of the cylindrical interference mirror 5, that is to say in the core 9 of the fiber, an optically active material 11, in particular an optically non-optical material.
  • an optically active material in particular an optically non-optical material.
  • linear for example silica
  • this optically active material may for example be a doped glass.
  • the core 9 could be formed of a non-linear optical material (for frequency conversion, detection modulation, etc.) whether semiconductor or dielectric.
  • the fiber component 1 thus makes it possible to combine a strong confinement of the light and an important interaction.
  • the core 9 of the optical fiber 3 may be full, that is to say formed of the same material as the fiber as a whole.
  • Figures 3 and 4 show another embodiment which differs from that of Figures 1 and 2 in that the core 9 of the fiber 3 is hollow.
  • the optical fiber 3 thus comprises in the center of the cylindrical interference mirror 5 a hollow cavity 13.
  • a fluid for the purpose of making sources (see, for example, AV Vasudevan Nampoothiri et al., Opt.Mater Express, 2 (7): 948-961, Jul 2012), or gas or dye amplifiers or sensors (opto-fmidic detectors ).
  • FIG. 5 shows yet another embodiment according to which the interference mirror 5 further comprises a second ring 15 of at least five longitudinal inclusions 7 integrated in at least a portion of the optical fiber 3 and substantially parallel to the axis of the fiber 3.
  • the longitudinal inclusions 7 are also arranged in a quasi-regular manner, see regular as shown in the figure, on a closed curve, in particular a circle, seen in cross section of the optical fiber.
  • the second ring 15 has a diameter greater than the first ring 8 and is concentrically disposed around the first ring 8 of longitudinal inclusions 7.
  • FIG. 6 shows yet another embodiment according to which the fiber component 1 comprises a second interference mirror formed by a second ring 17 of at least five longitudinal inclusions 7 integrated in at least a portion of the optical fiber 3 and substantially parallel. to the axis of the fiber.
  • the longitudinal inclusions 7 are also arranged in a quasi-regular manner, see regular as shown in the figure, on a closed curve, in particular a circle, seen in cross section of the optical fiber 3
  • the second ring 17 is arranged next to the first ring 8 of longitudinal inclusions 7 in a cross-sectional view.
  • first ring 8 forming an interference mirror 5 as a light source which supplies the sensor constituted by the second ring 17.
  • This can also be two sensors allowing a simultaneous measurement of two quantities making it possible to define transmission ratios. concentration in a fluid.
  • FIG. 7 shows yet another embodiment according to which, on a portion of the interference mirror 3, a slot 19 is formed in the optical fiber 3.
  • This can for example be done using hydrofluoric acid which makes it possible to engrave a slot in the fiber 3 leaving the longitudinal inclusions 7 unscathed.
  • FIG. 8 shows an evolution that differs from FIG. 7 in that the slot is filled with an optically active material 21, for example an optically emitter / amplifier material, a nonlinear, thermoactive or photorefractive material.
  • an optically active material 21 for example an optically emitter / amplifier material, a nonlinear, thermoactive or photorefractive material.
  • Such a fiber component 1 can be used to produce a laser source, a detector or an optical modulator.
  • FIG. 9 shows another embodiment according to which the cylindrical interference mirror 5 passes a free end of the optical fiber of a predetermined length, for example from 10 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the fiber component 1 can be used, for example, as an environmental probe which can be immersed in a fluid as a detector.
  • the cylindrical interference mirror 5 protruding from the end of the optical fiber 3 can be left in the open air to detect vibrations (microphone, seismograph ).
  • the optical fiber component 1 as described above can therefore be used to produce one or more of the following optical components formed by the group: amplifying fiber, laser fiber, optical fiber detector, optical delay line, optical memory, sensors optical.
  • the advantage is to use photonic effects to increase the intrinsic optical qualities (emission absorption, nonlinear optics, environmental sensitivity) of the material used, this in a rather short fiber component with a strong interaction between the injected light on the one hand and an optically active material on the other hand, which is made possible by a reduced group speed of light.
  • We will therefore have optoelectronic components and sensors with better efficiency, more compact, better spectrally controlled, without using new materials.
  • optical sources By using, for example, the non-linear properties of an optically active material present in the core of the fiber, it is possible, in particular, to produce optical sources with properties that can not be achieved by other means (lasers, for example).
  • a signal can be obtained at another wavelength (frequency conversion) where a signal having a broad spectral band (super-continuum) .
  • the efficiency of these conversion mechanisms depends very strongly on the confinement of the electromagnetic field instead of the nonlinear material.
  • the electromagnetic energy density will be greater as the confinement in the radial direction of the mode is large and the group speed is low.
  • the fiber component described above is therefore a structure of choice to obtain in this field compact components and low energy cost.
  • the present fiber component especially in the case where the optical fiber 3 further contains an optically active material inside the interference mirror 5, allows the propagation of an extremely confined optical mode and low group speed, which allows a high yield with a very limited space.

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Abstract

L'invention concerne un composant optique à fibre (1) comprenant: - une fibre optique (3), - au moins un miroir interférentiel cylindrique (5) intégré dans la fibre optique (3) et formé d'inclusions longitudinales (7) réalisées dans un matériau dont l'indice de réfraction n est supérieur ou égal à deux fois l'indice de réfraction n de la fibre optique (3)

Description

Composant optique à fibre
La présente invention concerne un composant optique à fibre.
Le guidage de la lumière dans une fibre optique est utile pour de très nombreuses applications. La plus connue concerne la transmission d'information par voie optique dans des fibres de silice.
Dans ce cadre, en plus de la transmission simple des signaux optiques, il est nécessaire d'inclure dans un réseau des composants actifs ou passifs pour agir sur le signal optique transmis comme par exemple des amplificateurs optiques ou des lignes à retard.
Par exemple pour une fibre amplificatrice, celle-ci peut être dopée par des matériaux (tels que des ions de terres rares) afin de leur conférer des propriétés d'émission ou d'amplification de la lumière.
De nombreuses applications capteurs exploitent aussi des fibres optiques. On utilise alors la modification des propriétés optiques de la fibre suite à une interaction avec le monde extérieure : pression sur la fibre, changement de température, présence à proximité ou dans la fibre de matériaux modifiant l'indice optique.
Pour guider la lumière dans une fibre on distingue à ce jour deux modes de guidage, le guidage réfractif et le guidage par un miroir.
Le guidage réfractif est la méthode la plus utilisée en optique, notamment dans les fibres de silice. Le principe consiste à utiliser les lois de Descartes sur la réfraction, c'est-à-dire de faire en sorte que les rayons lumineux soient en permanence en réflexion totale à l'interface entre le cœur de la fibre et le milieu extérieur.
Dans ce mode de guidage, le cœur de la fibre est constitué d'un matériau d'indice plus élevé que la gaine. Ce saut d'indice permet le phénomène de réflexion totale.
Cette méthode de transport de la lumière est très efficace puisqu'en principe les photons sont totalement contraints à résider dans le cœur. Elle a permis la réalisation de systèmes de communication très longue distance.
Remarquons cependant que l'écart d'indice entre le cœur et la gaine est assez faible, ce qui a deux conséquences principales :
L'angle critique sera important et les rayons se propagent donc à l'intérieur de la fibre avec une direction de propagation proche de celle de l'axe de la fibre. Il en résulte aussi une vitesse de propagation des photons selon l'axe, encore appelée vitesse de groupe, importante.
En outre, la distribution latérale du champ électromagnétique sera, de part de la faible différence d'indice, assez large (de l'ordre de lOpm dans une fibre monomode transportant un signal à une longueur d'onde de 1.55pm).
Or, pour certaines applications qui exploitent l'interaction entre la lumière et un matériau actif, il est utile d'une part de confiner latéralement les photons et, d'autre part, de les ralentir afin que le temps d'interaction soit le long possible. C'est le cas des capteurs ainsi que des lasers ou amplificateurs à fibres cités dans l'introduction. Pour simplifier, si la lumière fait plus de zigzag, son interaction avec le matériau, pour une longueur de fibre donnée, durera plus longtemps. On peut ainsi réaliser des composants plus compacts et/ou plus efficaces.
Il faudrait donc utiliser une méthode de guidage qui permette à la lumière, dans un matériau de faible indice, de faire des allers-retours dans la fibre quasiment perpendiculairement à l'axe et donc de se propager lentement selon l'axe de la fibre.
Une solution est le guidage par miroir. Si on dispose d'un miroir parfait, au sens usuel du terme, entourant le cœur de la fibre, la lumière sera réfléchie quelque soit sa direction de propagation. Elle pourra donc se propager avec une vitesse de groupe « lente » le long de l'axe de la fibre.
Dans le domaine optique, pour réaliser un miroir presque parfait, des solutions sont fondées sur des processus de diffraction et d'interférence et consistent à structurer un matériau diélectrique (non absorbant) autour du cœur de la fibre afin de bloquer les photons.
On connaît notamment deux types de fibres micro-structurées :
- Les fibres à cristaux photoniques : il s'agit de fibres dans lesquelles un réseau de trous a été réalisé dans la silice. Dans ce cas la micro-structuration permet de réaliser un miroir dans les directions transverse à l'axe de la fibre. Cependant, le faible contraste d'indice entre la silice et l'air fait que le miroir n'est efficace que pour des angles de propagation par rapport à l'axe relativement faibles et on retrouve les problèmes de la méthode réfractive.
- Les fibres» de Bragg : Dans ce cas, la gaine est constituée d'une succession de couches cylindriques d'indices différents. Ce multicouche cylindrique agit comme un miroir interférentiel. Cette solution répond donc au besoin formulé, c'est-à-dire qu'elle permet la réflexion d'une onde se propageant dans la direction normale à l'axe de la fibre : on obtient bien de la « lumière lente ».
La présente invention vise à proposer un composant optique à fibre optique, qui puisse être de faible longueur et dans lequel les interactions lumière-matière (effets non linéaire, amplification stimulée, sensibilité à l'environnement) peuvent être mieux contrôlées (renforcées ou plus généralement modifiées).
A cet effet, l'invention propose un composant optique à fibre comprenant:
- une fibre optique,
- au moins un miroir interférentiel cylindrique intégré dans la fibre optique et formé d'inclusions longitudinales réalisées dans un matériau dont l'indice de réfraction n est supérieur ou égal à deux fois l'indice de réfraction n de la fibre optique.
Grâce au miroir interférentiel constitué de plusieurs inclusions longitudinales parallèles à l'axe de la fibre et réalisée en un matériau d'indice de réfraction élevé disposé sur un contour afin de former un cylindre / une couronne, on réalise un fort confinement pour des angles de réflexion quasi nulle, permettant d'exalter les interactions lumière-matière dans des fibres qui peuvent être courtes, notamment inférieur à 1cm.
De façon avantageuse, cette solution permet d'exploiter la technologie de fabrication mise en œuvre pour fabriquer les fibres optiques à cœur cristallin, c'est-à-dire une technique de tirage dérivée des technologies usuelles de fabrication de fibres optiques.
Le composant à fibre peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison :
Selon un aspect le miroir interférentiel comporte au moins une première couronne d'au moins cinq inclusions longitudinales intégrées dans au moins une portion de la fibre optique et sensiblement parallèles à l'axe de la fibre optique, les inclusions longitudinales étant disposées de façon quasi-régulière sur une courbe fermée, notamment un cercle en section transversale de la fibre optique.
Le miroir interférentiel peut en outre comprendre une deuxième couronne d'au moins cinq inclusions longitudinales intégrées dans au moins une portion de la fibre optique et sensiblement parallèles à l'axe de la fibre optique, les inclusions longitudinales étant disposées de façon quasi-régulière sur une courbe fermée, notamment un cercle en section transversale de la fibre optique, la deuxième couronne ayant un diamètre supérieur à la première couronne et étant disposé de façon concentrique autour de la première couronne d'inclusions longitudinales.
Selon un autre aspect le composant optique à fibre peut comprendre un second miroir interférentiel formé d'une deuxième couronne d'au moins cinq inclusions longitudinales intégrées dans au moins une portion de la fibre optique et sensiblement parallèles à l'axe de la fibre optique, les inclusions longitudinales de la seconde couronne étant disposées de façon quasi-régulière sur une courbe fermée, notamment un cercle en section transversale de la fibre optique, la deuxième couronne étant disposé à côté de la première couronne d'inclusions longitudinales selon une vue en section transversale.
Les inclusions longitudinales sont par exemple formées de barreaux de section elliptique, de préférence de section circulaire, ou de section polygonale.
Selon encore un autre aspect, les barreaux remplissent le critère suivant
10 x λ >
Figure imgf000007_0001
OÙ
- λ est la longueur d'onde de la lumière destinée à être injectée dans la fibre,
- r est le rayon d'un barreau
- d est la distance entre deux barreaux.
Selon encore un autre aspect, les barreaux remplissent le critère suivant :
0.05 < - < 0.45
d
où
- r est le rayon d'un barreau
- d est la distance entre deux barreaux.
Pour une longueur d'onde micrométrique, la fibre optique est par exemple réalisé en silice et les inclusions longitudinales sont réalisées en silicium. La fibre optique peut comporter au centre du miroir interférentiel cylindrique un matériau optiquement actif, en particulier un matériau optiquement amplificateur ou non-linéaire.
En variante, la fibre optique peut comporter au centre du miroir interférentiel cylindrique une cavité creuse.
Selon un autre aspect, le miroir interférentiel cylindrique dépasse une extrémité libre de la fibre optique d'une longueur prédéterminée.
Sur une portion du miroir interférentiel, on peut prévoir qu'une fente est ménagée dans la fibre optique.
Cette fente peut être remplie d'un matériau optiquement actif.
L'invention concerne en outre l'utilisation d'un composant optique à fibre tel que défini ci-dessus pour réaliser un ou plusieurs des composants optiques suivant formé par le groupe : fibre amplificatrice, fibre laser, détecteur à fibre optique, ligne optique à retard, mémoire optique, capteurs optique.
D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description de l'invention, ainsi que des figures suivantes parmi lesquelles :
- la figure 1 montre un composant optique à fibre selon un premier mode de réalisation,
- la figure 2 montre une vue en coupe transversale du composant optique à fibre de la figure 1,
- la figure 3 montre un composant optique à fibre selon un second mode de réalisation, - la figure 4 montre une vue en coupe transversale du composant optique à fibre de la figure 2, - la figure 5 montre un composant optique à fibre selon un troisième mode de réalisation,
- la figure 6 montre un composant optique à fibre selon un quatrième mode de réalisation, - la figure 7 montre un composant optique à fibre selon un cinquième mode de réalisation
- la figure 8 montre un composant optique à fibre selon un sixième mode de réalisation
- la figure 9 montre un composant optique à fibre selon un septième mode de réalisation.
Sur toutes les figures, les mêmes éléments sont référencés par les mêmes numéros de référence.
Les figures 1 et 2 montrent un premier mode de réalisation d'un composant optique à fibre 1 selon l'invention.
Ce composant à fibre 1 comprend une fibre optique 3 et au moins un miroir interférentiel cylindrique 5 intégré dans la fibre 3.
Le miroir interférentiel cylindrique 5 est formé d'inclusions longitudinales 7 réalisées dans un matériau dont l'indice de réfraction n est supérieur ou égal à deux fois l'indice de réfraction n de la fibre.
Le miroir interférentiel comporte au moins une première couronne 8 d'au moins cinq inclusions longitudinales 7 (dans le présent cas 12 inclusions dans la figure 2) intégrées dans au moins une portion d'une longueur 1 prédéterminée de la fibre optique ou sur toute la longueur de la fibre optique et sensiblement parallèles à l'axe longitudinale de la fibre. Les inclusions longitudinales 7 sont disposées de façon quasi- régulière, voire régulière (comme montré sur la figure) sur une courbe fermée dont le rayon de courbure est grand devant la distance entre les inclusions 7, (dans le présent exemple, la courbe fermée est un cercle 10 (en traits hachurés)) vu en section transversale de la fibre optique 3.
Ainsi, on peut obtenir un confinement substantiel même pour des rayons lumineux ayant pratiquement une direction de propagation proche d'une direction radiale de la fibre optique 3. En effet, les inclusions longitudinales 7 forment une sorte de cage dont le comportement électromagnétique collectif empêche la fuite des photons dans des directions radiales, maintenant les photons dans deux directions dans l'espace.
Il a été observé qu'une seule couronne 8 est suffisante pour obtenir une cage efficace.
On a noté une disposition « quasi-régulière », car en effet, une légère modification (inférieur à 25%) de la périodicité des inclusions longitudinales 7 permet, selon l'application souhaitée de décentrer par exemple un mode de la cage formée par le miroir interférentiel 5.
Selon le mode de réalisation des figures 1 et 2 les inclusions longitudinales 7 sont formées de barreaux de section elliptique, de préférence de section circulaire ou encore de forme polygonale.
Pour la fabrication d'une telle fibre, on peut s'inspirer du document US 2011/103756A1, notamment des figures 10, 11 et 12 où à la place des conducteurs, on utilise un matériau à indice de réfraction élévé pour des inclusions longitudinales 7 qui formeront sur la fibre fini le miroir interférentiel 5.
Il est clair qu'un tel composant à fibre optique 1 est réalisé pour une plage de longueur d'onde donnée, notamment de l'ordre du pm, par exemple d'environ 1,5 pm, et c'est la longueur d'onde du signal optique à injecter qui va conditionner le positionnement des inclusions longitudinales 7 les unes par rapport aux autres pour former un miroir interférentiel 5 efficace.
Le positionnement des barreaux remplit le critère suivant :
10 x λ > [2 x r x nc + (d— 2 x r)x nf ~\ > ^
OÙ λ est la longueur d'onde de la lumière destinée à être injectée dans la fibre,
r est le rayon d'un barreau
d est la distance entre deux barreaux voisins.
Les barreaux remplissent en outre le critère suivant :
0.05 < - < 0.45
d
où
r est le rayon d'un barreau
d est la distance entre deux barreaux voisins.
A titre d'exemple pour une longueur d'onde micrométrique, la fibre optique 3 est réalisée en silice dont l'indice de réfraction est d'environ 1, 5 et les inclusions longitudinales 7 sont par exemple réalisées en silicium dont l'indice de réfraction est d'environ 3, 5. On peut également utiliser du germanium.
Selon le mode de réalisation des figures 1 et 2, la fibre optique 3 comporte au centre du miroir interférentiel cylindrique 5 , c'est-à-dire dans cœur 9 de la fibre, un matériau optiquement actif 11, en particulier un matériau optiquement non-linéaire (par exemple la silice). Pour une application laser, ce matériau optiquement actif peut par exemple être un verre dopé. Ceci aura comme avantage d'obtenir un composant à fibre de taille longitudinale réduite et d'avoir un contrôle fin des propriétés modales tant d'un point de vue spectrale que spatiale du laser ou de l'amplificateur ainsi fabriqué.
Selon un autre exemple, le cœur 9 pourrait être formé d'un matériau optique non linéaire (pour de la conversion de fréquence, de la modulation de la détection...) qu'il soit semi-conducteur ou diélectrique. Le composant à fibre 1 permet de combiner ainsi un fort confinement de la lumière et une interaction importante.
Selon un autre mode de réalisation non représenté, le cœur 9 de la fibre optique 3 peut être plein, c'est-à dire formé du même matériau que la fibre dans son ensemble.
Les figures 3 et 4 montrent un autre mode de réalisation qui se distingue de celui des figures 1 et 2 par le fait que le cœur 9 de la fibre 3 est creuse. La fibre optique 3 comporte donc au centre du miroir interférentiel cylindrique 5 une cavité creuse 13.
Dans ce cas, on peut par exemple faire circuler un fluide à l'intérieur de la cavité creuse 13, par exemple un fluide à analyser.
Selon une autre application possible, on peut insérer ou faire circuler un fluide dans le but de fabriquer des sources (voir par exemple A. V. Vasudevan Nampoothiri et al. Opt. Mater. Express, 2(7):948-961, Jul 2012), ou des amplificateurs à gaz ou colorant ou des capteurs (détecteurs opto-fmidiques...).
La figure 5 montre encore un autre mode de réalisation selon lequel le miroir interférentiel 5 comprend en outre une deuxième couronne 15 d'au moins cinq inclusions longitudinales 7 intégrées dans au moins une portion de la fibre optique 3 et sensiblement parallèles à l'axe de la fibre 3.
Dans ce mode de réalisation, les inclusions longitudinales 7 sont également disposées de façon quasi-régulière, voir régulière comme montré sur la figure, sur une courbe fermée, notamment un cercle, vu en section transversale de la fibre optique. Dans la présente configuration la deuxième couronne 15 possède un diamètre supérieur à la première couronne 8 et est disposé de façon concentrique autour de la première couronne 8 d'inclusions longitudinales 7.
La figure 6 montre encore un autre mode de réalisation selon lequel le composant à fibre 1 comprend un second miroir interférentiel formé par une deuxième couronne 17 d'au moins cinq inclusions longitudinales 7 intégrées dans au moins une portion de la fibre optique 3 et sensiblement parallèles à l'axe de la fibre. Dans ce mode de réalisation, les inclusions longitudinales 7 sont également disposées de façon quasi-régulière, voir régulière comme montré sur la figure, sur un une courbe fermée, notamment un cercle, vu en section transversale de la fibre optique 3
Cependant, à la différence de la figure 6, la deuxième couronne 17 est disposé à côté de la première couronne 8 d'inclusions longitudinales 7 selon une vue en section transversale.
Cela permet d'utiliser par exemple la première couronne 8 formant un miroir interférentiel 5 comme source de lumière qui alimente le capteur que constitue la seconde couronne 17. Cela peut aussi être deux capteurs permettant une mesure simultanée de deux grandeurs permettant de définir des rapports de concentration dans un fluide.
La figure 7 montre encore un autre mode de réalisation selon lequel sur une portion du miroir interférentiel 3, une fente 19 est ménagée dans la fibre optique 3. Ceci peut par exemple se faire à l'aide d'acide fluorhydrique qui permet de graver une fente dans la fibre 3 en laissant les inclusions longitudinales 7 indemnes.
Dans ce cas, un fluide peut traverser la fente 19, par exemple pour une utilisation de la fibre en tant que capteur. Bien entendu, on peut envisager plusieurs fentes au long du composant à fibre 1. La figure 8 montre une évolution qui se distingue de la figure 7 par le fait que la fente est remplie d'un matériau optiquement actif 21 , par exemple un matériau optiquement émetteur / amplificateur, un matériau non linéaire, thermoactif ou photoréfractif. Un tel composant à fibre 1 peut servir pour réaliser une source laser, un détecteur ou encore un modulateur optique.
La figure 9 montre un autre mode de réalisation selon lequel le miroir interférentiel cylindrique 5 dépasse une extrémité libre de la fibre optique d'une longueur prédéterminée, par exemple de qq pm à une dizaine de pm. Dans ce cas, le composant à fibre 1 peut être utilisé par exemple comme sonde environnementale qui peut être trempée dans un fluide comme détecteur. Selon une autre variante le miroir interférentiel cylindrique 5 dépassant l'extrémité de la fibre optique 3 peut être laissée à l'air libre afin de détecter des vibrations (microphone, sismographe ...).
Tous les modes de réalisation précédemment décrits peuvent être combinés entre eux sans sortir du cadre de la présente invention .
Le composant optique à fibre 1 tel que décrit ci-dessus peut donc être utilisé pour réaliser un ou plusieurs des composants optiques suivant formé par le groupe : fibre amplificatrice, fibre laser, détecteur à fibre optique, ligne optique à retard, mémoire optique, capteurs optique.
L'avantage est d'utiliser des effets photoniques pour augmenter les qualités optiques (émission absorption, optique non linéaire, sensibilité à l'environnement) intrinsèques du matériau utilisé, ceci dans un composant à fibre assez court avec une forte interaction entre la lumière injectée d'une part et un matériau optiquement actif d'autre part, ce qui est rendu possible grâce à une vitesse de groupe réduite de la lumière. On aura donc des composants optoélectroniques et des capteurs à meilleur rendement, plus compact, mieux contrôlés spectralement, ceci sans utiliser de nouveaux matériaux.
En utilisant par exemple les propriétés non linéaires d'un matériau optiquement actif présent dans le cœur de la fibre, on peut notamment réaliser des sources optiques aux propriétés inatteignables par d'autres moyens (lasers par ex.).
Ainsi, en introduisant dans le composant à fibre un signal lumineux à une longueur d'onde donnée, on peut obtenir un signal à une autre longueur d'onde (conversion de fréquence) où un signal présentant une large bande spectrale (super-continuum).
L'efficacité de ces mécanismes de conversion dépend très fortement du confinement du champ électromagnétique au lieu du matériau non linéaire. Pour une puissance d'excitation donnée, la densité d'énergie électromagnétique sera d'autant plus grande que le confinement dans le sens radiale du mode est grand et que la vitesse de groupe est faible. Le composant à fibre décrit ci-dessus est donc une structure de choix pour obtenir dans ce domaine des composants compacts et à faible coût énergétique.
Le présent composant à fibre, notamment dans le cas où la fibre optique 3 renferme en outre un matériau optiquement actif à l'intérieur du miroir interférentiel 5, permet la propagation d'un mode optique extrêmement confiné et de faible vitesse de groupe, ce qui permet un rendement important avec un encombrement très limité.

Claims

REVENDICATIONS
1. Composant optique à fibre (1) comprenant:
- une fibre optique (3),
- au moins un miroir interférentiel cylindrique (5) intégré dans la fibre optique (3) et formé d'inclusions longitudinales (7) réalisées dans un matériau dont l'indice de réfraction n est supérieur ou égal à deux fois l'indice de réfraction nf de la fibre optique (3).
2. Composant optique à fibre (1) selon la revendication 1, dans lequel le miroir interférentiel (5) comporte au moins une première couronne (8) d'au moins cinq inclusions longitudinales (7) intégrées dans au moins une portion de la fibre optique (3) et sensiblement parallèles à l'axe de la fibre optique (3), les inclusions longitudinales (7) étant disposées de façon quasi-régulière sur une courbe fermée, notamment un cercle (10) en section transversale de la fibre optique (3).
3. Composant optique à fibre (1) selon la revendication 2, dans lequel le miroir interférentiel (5) comprend en outre une deuxième couronne (15) d'au moins cinq inclusions longitudinales (7) intégrées dans au moins une portion de la fibre optique (3) et sensiblement parallèles à l'axe de la fibre optique (3), les inclusions longitudinales (7) étant disposées de façon quasi-régulière sur une courbe fermée, notamment un cercle en section transversale de la fibre optique (3), la deuxième couronne (15) ayant un diamètre supérieur à la première couronne (8) et étant disposé de façon concentrique autour de la première couronne (8) d'inclusions longitudinales (7).
4. Composant optique à fibre selon la revendication 2, dans lequel il comprend un second miroir interférentiel (5) formé d'une deuxième couronne (17) d'au moins cinq inclusions longitudinales intégrées (7) dans au moins une portion de la fibre optique (3) et sensiblement parallèles à l'axe de la fibre optique (3), les inclusions longitudinales (7) de la seconde couronne (17) étant disposées de façon quasi-régulière sur une courbe fermée, notamment un cercle en section transversale de la fibre optique, la deuxième couronne (17) étant disposé à côté de la première couronne (8) d'inclusions longitudinales selon une vue en section transversale.
5. Composant optique à fibre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les inclusions longitudinales (7) sont formées de barreaux de section elliptique, de préférence de section circulaire, ou de section polygonale.
6. Composant optique à fibre selon la revendication 5, dans lequel les barreaux (7) remplissent le critère suivant :
10 x λ >
Figure imgf000017_0001
OÙ
- λ est la longueur d'onde de la lumière destinée à être injectée dans la fibre,
- r est le rayon d'un barreau
- d est la distance entre deux barreaux.
7. Composant optique à fibre selon la revendication 5 ou 6, dans lequel les barreaux (7) remplissent le critère suivant :
0.05 < - < 0.45
d
où
- r est le rayon d'un barreau
- d est la distance entre deux barreaux.
8. Composant 1 à 7, caractérisé en ce que pour une longueur d'onde micrométrique, la fibre optique (3) est réalisé en silice et les inclusions longitudinales (7) sont réalisées en silicium.
9. Composant 1 à 8, caractérisé en ce que la fibre optique (3) comporte au centre du miroir interférentiel cylindrique (5) un matériau optiquement actif (11), en particulier un matériau optiquement amplificateur ou non-linéaire.
10. Composant optique à fibre selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la fibre optique (3) comporte au centre du miroir interférentiel cylindrique (5) une cavité creuse (13).
11. Composant optique à fibre selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le miroir interférentiel cylindrique (5) dépasse une extrémité libre de la fibre optique (3) d'une longueur prédéterminée.
12. Composant optique à fibre selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel sur une portion du miroir interférentiel (5), une fente (19) est ménagée dans la fibre optique (3).
13. Composant optique à fibre selon la revendication 1 2 dans lequel la fente (19) est remplie d'un matériau optiquement actif (21).
14. Utilisation d'un composant optique à fibre selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 pour réaliser un ou plusieurs des composants optiques suivant formé par le groupe : fibre amplificatrice, fibre laser, détecteur à fibre optique, ligne optique à retard, mémoire optique, capteurs optique.
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