WO2024094581A1 - Coupleur à fibre creuse à double gaine et procédé de fabrication d'un tel coupleur - Google Patents

Coupleur à fibre creuse à double gaine et procédé de fabrication d'un tel coupleur Download PDF

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optical fiber
glass
core
guiding
sheath
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PCT/EP2023/080143
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Dylan SEPTIER
Alexandre Kudlinski
Géraud Bouwmans
Gaëlle BREVALLE-WASILEWSKI
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Lightcore Technologies
Centre National De La Recherche Scientifique
Universite De Lille
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Definitions

  • the present description relates to a double-clad hollow fiber coupler and a method of manufacturing such a coupler.
  • the present description also relates to an endoscope comprising such a coupler.
  • Invasive cancers are the leading cause of mortality in developed countries and the second leading cause of death in developing countries. These figures are increasing due to the aging of populations and the standardization of lifestyles. The development of non-invasive optical tools for cancer diagnosis and prognosis therefore appears to be of prime importance.
  • Non-linear imaging techniques include second harmonic generation (SHG), third harmonic generation (THG), two-photon fluorescence (2PEF).
  • An objective is thus to develop an endoscope adapted to non-linear imaging, or "non-linear endoscope", minimally invasive, presenting performances close to massive non-linear microscopes (i.e. non-endoscopic), and ideally multimodal, that is to say combining several non-linear imaging modalities in the same device.
  • the endoscopic optical fiber must be optimized on the one hand to convey short light pulses of high optical power to the biological tissue, so as to obtain a non-linear response from the tissue, and on the other hand to collect efficiently the non-linear signal generated by the tissue and route it to the detection chain.
  • Double-clad hollow-core fibers were described for use in a nonlinear endoscope. See [Ref. 2], Double-clad hollow-core fibers are known to exhibit low dispersion and low nonlinearity, conducive to delivering short, intense pulses.
  • Fig. 1 A schematically represents a non-linear endoscope as implemented in [Ref.2] and Fig. IB represents a double-clad hollow core fiber.
  • a double-clad hollow core fiber within the meaning of the present description generally comprises a hollow core 131 at the periphery of which there is a microstructured part, for example made of air and glass, for example formed by capillaries 132, as follows. is shown in Fig. IB.
  • the microstructured part makes it possible, for example, to ensure the guidance of light within the hollow core for the transmission of impulses to the biological sample to be analyzed.
  • the double-clad hollow core fiber also comprises a double cladding with an internal cladding 135 that is “guiding”, that is to say capable of guiding light. The role of the internal sheath is then in the example of the endoscope illustrated in Fig. 1 A, to collect the non-linear signal generated in the sample.
  • the double sheath comprises an internal glass sheath 135 and may comprise, as illustrated in FIG. IB, an external sheath 137 of low index, that is to say a refractive index lower than that of the internal sheath, for example a low index polymer sheath.
  • the double sheath can also include an internal sheath surrounded by air to ensure its light guiding function.
  • the nonlinear endoscope shown in Fig. 1 A comprises a dichroic mirror 11 which transmits pulses emitted by a laser source 10 to the double-clad hollow core fiber 13, typically infrared pulses.
  • An objective 12 for example a lens or a microscope objective, allows the injection of pulses into the core of the fiber 13.
  • the dichroic mirror 11 reflects the non-linear signal resulting from the interaction of the pulses with the biological sample 100, and which propagates in the counter-propagating direction in the internal sheath 135 of the fiber 13, to redirect it towards a detector 15 of a detection chain.
  • the double-clad hollow core fibers described in [Ref.2] demonstrated the first multimodal Raman endoscope.
  • the overall performance of the nonlinear endoscope described above remains limited, particularly in terms of reliability, which prevents its use in a clinical setting and limits it to specialized biophotonics laboratories.
  • One of the limitations concerns the use of the dichroic mirror 11 placed at the entrance of the optical fiber 13. Indeed, the alignment of the mirror arranged in free space changes over time.
  • the signal collected in the double cladding must be redirected towards the detection chain by passing through the same objective 12 which was used to inject the short pulses into the central hollow core.
  • the hollow core 131 and the internal sheath 135 have a very different numerical aperture (ON) (0.02 versus 0.5).
  • the two beams transmitted and reflected have very different wavelengths, typically a factor of 2 or 3 depending on the imaging modalities, the transmitted pulses being in the infrared while the non-linear signal being in the visible.
  • the objective used for injection and collection cannot be optimized simultaneously for both beams, strongly limiting the overall efficiency of the system.
  • a double-clad fiber coupler In the field of endoscopy, it is known [Ref. 3] a double-clad fiber coupler.
  • the coupler is made by heating and stretching two segments of two double-clad silica fibers to fuse them locally so as to obtain optical coupling between the two fibers.
  • Such a doubler makes it possible to do without a dichroic blade.
  • the inventors have shown that the method described is not adaptable for the coupling of a double-clad hollow-core fiber. Indeed, fusion requires heating of the fibers such that it would inevitably lead to a closing of the central hole forming the core of the fiber, under the effect of the surface tension existing at the interface between the glass forming the internal sheath and the air of the central heart. Furthermore, the heating necessary for fusion would cause the capillaries to close in on themselves (or “hole collapse” according to the Anglo-Saxon expression).
  • the term “include” means the same as “include” or “contain”, and is inclusive or open-ended and does not exclude other matters not described or depicted. Furthermore, in the present description, the term “approximately” or “substantially” is synonymous with (means the same as) a lower and/or upper margin of 10%, for example 5%, of the respective value.
  • the invention relates to a double-clad hollow-core optical fiber coupler comprising: a first double-clad hollow-core optical fiber comprising: a hollow core configured for guiding light in a first length range d wave and including a given damage temperature; and a highly multimode internal cladding, configured for guiding light in a second wavelength range; a second optical fiber comprising a highly multimode guiding glass portion configured for guiding light in a third wavelength range, the glass comprising a glass transition temperature lower than the damage temperature; a fusion zone between a region of the internal sheath of the first fiber and a region of the guiding glass part of the second optical fiber allowing optical coupling between the first fiber and the second optical fiber.
  • a double-clad hollow core fiber in a coupler according to the first aspect is for example described in [Ref. 4], [Ref. 5], [Ref. 6], [Ref. 7],
  • the hollow core generally comprises a core within which there is a gas, for example air, or a vacuum, and at the periphery of which there is a microstructured part, for example made up of air and glass.
  • the core is single-mode or weakly multi-mode, that is to say it can propagate one or a few modes, at most around 10 modes.
  • the hollow core is configured for guiding light in a first wavelength range.
  • the first wavelength range is between approximately 700 nm and approximately 1800 nm.
  • the double-clad hollow core fiber in a coupler according to the first aspect further comprises a highly multimode internal cladding, that is to say an internal cladding capable of propagating from several hundred to several tens of thousands of modes, for example example between 100 and 100000. It is configured for guiding light in a second wavelength range.
  • the second wavelength range is included in the transparency band of the glass which constitutes the internal cladding of the double-clad hollow core fiber, for example between approximately 350 nm and approximately 2400 nm for a double silica cladding.
  • the double-clad hollow core fiber in a coupler according to the first aspect is furthermore characterized by a hollow core damage temperature (or obscuration temperature).
  • a hollow core damage temperature or obscuration temperature
  • the temperature at which the optical power of a light beam transmitted by the hollow core (“transmitted optical power”) is referred to as the damage temperature falls below a predetermined threshold relative to the transmitted optical power measured in the hollow cores. same conditions but at room temperature.
  • the predetermined threshold is greater than approximately 1%, advantageously greater than approximately 5%.
  • the predetermined threshold is equal to approximately 10%.
  • the damage temperature is between approximately 1000°C and approximately 1600°C for a threshold of damage chosen at 10% of maximum power.
  • the guiding glass portion of the second optical fiber is highly multimode. It is configured for guiding light in a third wavelength range.
  • the first wavelength range is between approximately 380 nm and approximately 2200 nm.
  • the glass of the guiding glass part of the second optical fiber comprises a glass whose glass transition temperature is lower than the damage temperature of the hollow core of the first double hollow core fiber. sheath. The applicants have shown that this condition made it possible to produce a double-clad hollow-core fiber coupler.
  • the glass transition temperature (also called softening temperature) can be measured routinely using the scanning differential calorie technique, as described for example in [Ref.8], A condition for choosing the glass of the part in guiding glass of the second optical fiber is therefore that its glass transition temperature, measured for example by differential scanning calorie, is smaller than the damage temperature defined above.
  • a multimode silica optical fiber is not suitable for a coupler according to the first aspect because the glass transition temperature of the silica is equal to approximately 1600° C. what is the order of core damage temperature of double-clad hollow core fibers, or higher.
  • a second optical fiber suitable for a coupler according to the first aspect is for example an optical fiber with a guiding glass part made of borosilicate glass.
  • Borosilicate glasses include a set of chemical compounds including silica (SiCh), boron trioxide (B2O3), alumina (AI2O3), alkaline oxides (Na2O+K2 ⁇ ) [Ref.9], Temperature glass transition of borosilicate glasses is equal to approximately 820°C.
  • any glass can be chosen whose glass transition temperature is lower than the damage temperature of the core of the double-clad hollow core fiber.
  • a fusion zone between the region of the internal sheath of the first fiber and the region of the guiding glass part of the second optical fiber can be obtained to allow coupling optical between the first fiber and the second optical fiber without damaging the double-clad hollow core fiber.
  • this description includes a transfer of light energy between the first fiber and the second fiber.
  • the coupler according to the first aspect further comprises a low index external sheath covering in a region which includes the fusion zone, the internal sheath of the first fiber and the glass part guiding the second fiber optical.
  • a low index external sheath is of low index, that is to say of an index lower than the refractive index of the internal sheath of the first fiber and that the refractive index of the guiding glass part of the second optical fiber. In particular, it allows mechanical protection of the region.
  • the outer sheath is formed from acrylate polymer.
  • the present description comprises an endoscope configured for non-linear imaging comprising: a source of ultra-short light pulses; a detector; a double clad hollow core optical fiber coupler according to any preceding claim; in which: the hollow core of the first optical fiber is configured to transport said light pulses towards a biological sample to be imaged and the internal sheath of the first optical fiber is configured to transport an optical signal resulting from a non-linear interaction of the pulses with the biological sample; and the guiding glass portion of the second optical fiber optically coupled with the first optical fiber is configured to direct said optical signal toward the detector.
  • ultra-short pulses we understand in the present description pulses of duration less than approximately 1 ps, advantageously less than approximately 200 fs.
  • a non-linear endoscope according to the second aspect provided with a coupler according to the first aspect, has much better mechanical stability and robustness than a state-of-the-art endoscope, for example a endoscope as described in [Ref. 2], particularly in terms of reliability, because it does not require the use of a dichroic plate.
  • a coupler according to the first aspect is particularly well suited to a non-linear endoscope as described according to the second aspect, other applications are possible.
  • a coupler according to the first aspect could be used with a reflector type optical sensor with reflection properties influenced by the environment.
  • a sensor could be arranged in the distal part of the double-clad hollow core fiber.
  • the incident light may be conveyed by the hollow core of the double-clad hollow-core fiber and the reflected light conveyed by the internal cladding of the double-clad hollow-core fiber then by the guiding glass part of the second optical fiber to be routed to a detector.
  • the present description concerns a method of manufacturing a coupler according to the first aspect.
  • the present description relates to a method of manufacturing a double-clad hollow-core optical fiber coupler comprising: providing a first double-clad hollow-core optical fiber comprising a hollow core configured for light guidance in a first wavelength range and including a given damage temperature; and a double sheath comprising a highly multimode internal sheath, configured for guiding light in a second wavelength range and an outer cladding; providing a second optical fiber comprising a highly multimode guiding glass portion configured for guiding light in a third wavelength range, the glass comprising a glass transition temperature lower than the damage temperature , and an external sheath; local stripping of said first optical fiber and local stripping of the second optical fiber for removal, in a given stripping zone, of the outer cladding of the first fiber and the outer cladding of the second fiber; heating, in said stripping zone, a first region of the internal sheath of the first optical fiber and a second region of the guiding glass part of the second optical fiber to locally obtain a fusion of said first region
  • the method according to the first aspect makes it possible to manufacture a double-clad hollow fiber coupler without risking damaging the double-clad hollow core fiber, in particular thanks to the choice of the glass material used for the guiding part of the second optical fiber.
  • the guiding glass part of the second optical fiber is made of borosilicate glass.
  • the internal sheath of the first optical fiber is made of silica glass.
  • the outer sheath of the first optical fiber is made of a low index polymer, that is to say a polymer with a refractive index lower than that of the internal sheath, for example an acrylate polymer. .
  • the second optical fiber comprises a glass core, an internal glass sheath with a refractive index lower than that of the core and a low index external sheath, with a refractive index lower than that of the core and the internal sheath.
  • the guiding glass part then consists of the core and the internal sheath.
  • the core and the internal sheath are made of the same glass, for example borosilicate glass, but with different compositions.
  • the low index external sheath is made of acrylate polymer with a lower index than borosilicate glass.
  • the second optical fiber comprises a glass core, an internal glass sheath with a refractive index lower than that of the core and a high index external sheath, with a refractive index higher than that of the internal sheath.
  • the guiding glass part then consists of the heart.
  • the high index outer sheath is made of acrylate polymer.
  • the core is made of borosilicate glass and the internal sheath of borosilicate glass with an index lower than that of the core.
  • the second optical fiber comprises a glass core and a low index external sheath, with a refractive index lower than that of the core.
  • the guiding glass part then consists of the heart.
  • the core is made of borosilicate glass.
  • the outer sheath is made of a low index polymer, for example an acrylate polymer.
  • the heating is obtained by application of a beam of electromagnetic radiation, for example by emission of a laser beam, said beam covering said first region of the internal sheath of the first fiber and said second region of the guiding glass part of the second optical fiber.
  • the laser beam is for example a beam from a continuous or pulsed CO2 laser, emitting at a wavelength of approximately 10 pm.
  • the application of a laser beam is advantageous in that it ensures repeatable performance and low maintenance, and also eliminates instability due to the use of electrodes or filaments.
  • by focusing the laser beam it is possible to very finely control the heating zone.
  • the method according to the third aspect further comprises clamping the first fiber and the second fiber against each other in a support mounted on a plate in translation.
  • the method according to the third aspect further comprises: the installation, at the level of the stripping zone and after fusion, of a sheath external covering the stripped part of the internal sheath of the first fiber and the stripped part of the guiding glass part of the second optical fiber, the junction of said external sheath with the external sheath of the first optical fiber and the external sheath of the second optical fiber.
  • FIG. 1 A already described, represents a diagram illustrating a non-linear endoscope known to the state of the art
  • FIG. IB already described, represents a diagram illustrating a double-clad hollow-core optical fiber known to the state of the art
  • FIG. 2A represents a diagram illustrating a double-clad hollow core optical fiber coupler according to an example conforming to the present description
  • FIG. 2B represents a diagram illustrating a non-linear endoscope with a double-clad hollow core optical fiber coupler, according to an example conforming to the present description
  • FIG. 3 A represents a diagram illustrating in top view and in a simplified manner, an assembly for the implementation of a method of manufacturing a double-clad hollow-core optical fiber coupler according to an example conforming to the present description ;
  • FIG. 3B represents a diagram illustrating in sectional view and in a simplified manner, an element of the assembly illustrated in Fig. 3A;
  • FIG. 4A represents a diagram illustrating an example of a double-clad hollow core optical fiber coupler obtained by means of the assembly as illustrated in Figs. 3A and Fig.
  • FIG. 4B represents an image of the coupling zone between the first optical fiber and the second optical fiber, obtained by fusion, in an exemplary embodiment
  • FIG. 5A represents a simplified diagram of a first example of a second optical fiber with a highly multimode guiding glass part, for the implementation of a method of manufacturing a coupler according to the present description
  • FIG. 5B represents a simplified diagram of a second example of a second optical fiber with a highly multimode guiding glass part, for the implementation of a method of manufacturing a coupler according to the present description
  • FIG. 6 represents images taken in section, of examples of double-clad hollow core fibers, for the implementation of a method of manufacturing a coupler according to the present description
  • FIG. 7A represents a diagram illustrating in a simplified manner an example of an assembly for characterizing the damage temperature of a core of a double-clad hollow core fiber
  • FIG. 7B represents a diagram illustrating according to an example a transmitted optical power curve as a function of the applied temperature obtained by means of an assembly for the characterization of the damage temperature of a core of a hollow core fiber at double sheath as described in Fig. 7A;
  • FIG. 8A shows comparative (experimental) curves illustrating, according to an example, the coverage obtained during fusion, between the region of the internal sheath of the first optical fiber and the region of the guiding glass part of the second optical fiber, in function of the heating power applied (optical power) during the implementation of a process for manufacturing a coupler according to the present description, in the case where the second optical fiber is a silica optical fiber (in gray) and in the case where the second optical fiber is an optical fiber made of Simax glass ® (in black);
  • FIG. 8B comparative (experimental) curves illustrating according to an example the diameter of the hollow core of the double-clad hollow-core optical fiber, as a function of the overlap obtained during fusion, between the region of the internal cladding of the first fiber optical fiber and the region of the guiding glass part of the second optical fiber, during the implementation of a method of manufacturing a coupler according to the present description, in the case where the second optical fiber is an optical fiber in silica (in black) and in the case where the second optical fiber is a Simax glass ® optical fiber (in gray);
  • FIG. 9A an experimental curve showing the optical coupling obtained between the first optical fiber and the second optical fiber, in an example of a coupler according to the present description, and for different wavelengths of the light propagating in the coupler;
  • FIG. 9B an SHG image of unlabeled mouse skin, obtained using an example of a nonlinear endoscope according to the present description, with an excitation wavelength of 920 nm and pulses of 200 fs at 80 MHz at a power of 20 mW; the scale bar is 50 pm.
  • FIG. 2A represents, for purposes of illustration, a diagram of a double-clad hollow-core optical fiber coupler 400 according to an example conforming to the present description, named in the remainder of the description "HC-DCFC” according to Anglo-Saxon expression “Hollow Core Double Clad Fiber Coupler”.
  • the coupler 400 is implemented, in this example, in a nonlinear endoscope and FIG. 2B represents an example 200 of such a nonlinear endoscope.
  • the coupler 400 includes a first double-clad hollow core optical fiber 430 or “HC-DC” fiber for “Hollow Core Double Clad”.
  • the first optical fiber 430 generally includes a hollow core configured for guiding light in a first wavelength range.
  • the first optical fiber 430 further comprises a highly multimode internal cladding, configured for guiding light in a second wavelength range.
  • the hollow core of the HC-DC fiber includes a given damage temperature. Examples of HC-DC fibers will be described in more detail later, in relation to FIG. 6.
  • the coupler 400 further comprises a second optical fiber 460 comprising a highly multimode guiding glass portion, configured for guiding light in a third wavelength range.
  • a second optical fiber 460 comprising a highly multimode guiding glass portion, configured for guiding light in a third wavelength range.
  • the glass of the guiding glass part has a glass transition temperature lower than the damage temperature. Examples of second optical fibers will be described in more detail later, in relation to Figs. 5A, Fig. 5B.
  • the coupler 400 further comprises an optical coupling zone 401 between the first fiber 430 and the second optical fiber 460.
  • the coupling zone is generated by fusion between a region of the internal sheath of the first fiber and a region of the guiding glass part of the second optical fiber.
  • the coupler 400 may also comprise, as illustrated in FIG. 2A, a low index external sheath 480 covering in a region which includes the coupling zone 401, the internal sheath of the first fiber and the guiding glass part of the second optical fiber.
  • the outer sheath is low index, i.e. that it has a refractive index lower than that of the internal cladding of the first fiber and the guiding glass part of the second optical fiber.
  • the endoscope 200 configured for non-linear imaging comprises a source 210 for ultra-short light pulses, a detector 250, a double-clad hollow fiber coupler 400 according to the present description.
  • the endoscope may also comprise, as illustrated in the figures, an optic 220 for injecting optical pulses into one end (A, Fig. 2A) of the first HC-DC fiber 430 of the coupler 400 and a head 240 at the end distal (B, Fig. 2A) of the first fiber 430.
  • the head 240 comprises for example a device for scanning incident pulses.
  • the detector can be connected, in a known manner, to a processing unit (not shown in Fig. 2B), for processing the detected optical signals.
  • the endoscope may also include any other known units, such as a display unit, a storage unit (memory), etc.
  • the source is for example a laser source, for example a titanium-sapphire laser delivering femtosecond pulses.
  • the detector is for example a photomultiplier tube.
  • the hollow core of the first optical fiber 430 transports the light pulses towards a biological sample 100 to be imaged (optical pathway shown schematically in bold lines, simple arrow in Fig. 2A) and the internal sheath of the first optical fiber transports a optical signal resulting from a non-linear interaction of the pulses with the biological sample 100 (optical pathway shown schematically in bold lines, double arrow in Fig. 2A).
  • the guiding glass part of the second optical fiber 460 optically coupled with the first optical fiber directs said optical signal towards a proximal end C of the coupler (optical path shown schematically in dotted lines in Fig. 2A) then towards the detector 250.
  • the coupling can be carried out by means of the fiber coupler 400 and no other free space optics are necessary for sending the non-linear signal to the detector 250, which makes it possible to gain in reliability, mechanical stability and robustness.
  • Fig. 3 A represents a diagram illustrating, in top view and in a simplified manner, an example of an assembly 300 for the implementation of a method of manufacturing a double-clad hollow core optical fiber coupler according to the present description.
  • Fig. 3B represents a diagram illustrating in sectional view and in a simplified manner, an element of the assembly.
  • the assembly 300 comprises in this example two supports 320 with slots cut in a V (“V-groove”) in which the fibers (locally stripped) are clamped, for example using magnetic clamps 330.
  • the fiber of smaller diameter here the hollow fiber 430
  • the larger diameter fiber here the fiber 460
  • These supports are fixed on a plate 310, itself movable in a direction 315 substantially perpendicular to the direction of a laser beam 350 used for fusion.
  • the fibers 460 and 430 are held against each other and are heated laterally by the laser beam 350.
  • the fibers are stretched so that they remain stuck one to the other over the entire length located between the two supports. In operation, the plate moves to heat the entire area sought for coupling.
  • a method of manufacturing a double-clad hollow core optical fiber coupler according to the present description, implemented for example by means of an assembly 300 as illustrated in Figs. 3A and Fig. 3B includes the provision of a first double-clad hollow core optical fiber and the provision of a second optical fiber comprising a guiding glass portion.
  • Fig.6 illustrates cross-sectional images of examples of such double-clad hollow core (HC-DC) fibers referenced 601, 602, 603, 604.
  • HC-DC double-clad hollow core
  • Such HC-DC fibers include in exemplary embodiments a hollow core 431 configured for guiding light in a first wavelength range and a double cladding.
  • the double cladding comprises a highly multimode internal cladding 435, configured for guiding light in a second wavelength range and an external cladding, not shown in the images, for example an external cladding made of low index polymer, this is say a refractive index lower than that of the internal sheath.
  • the HC-DC fibers also include in these examples a microstructured part 432 at the periphery of the hollow core, for example made of air and glass, and making it possible to guide the light in the hollow core.
  • the hollow core generally comprises a core within which there is a gas, for example air, or a vacuum.
  • the core is single-mode or weakly multi-mode, that is to say it can propagate one or a few modes, at most around 10 modes.
  • the first wavelength range is between about 700 nm and about 1800 nm.
  • the internal sheath is highly multimode, that is to say capable of propagation from several hundred to several tens of thousands.
  • the second wavelength range is between approximately 380 nm and approximately 2200 nm.
  • HC-DC fibers illustrated using images 601 - 604 are described respectively in [Ref. 4], [Ref. 5], [Ref. 6], [Ref. 7], They differ in particular due to their microstructure 432 and consequently due to their light guiding mechanism in the hollow core.
  • a second optical fiber comprising a highly multimode guiding glass part and an external sheath.
  • the guiding glass portion is configured for guiding light in a third wavelength range.
  • Fig.5A and Fig. 5B represent simplified diagrams of a first example 501 of a second optical fiber with a highly multimode guiding glass part and a second example 502 of a second optical fiber with a highly multimode guiding glass part.
  • the second optical fiber 501 comprises a glass core 511, an internal glass sheath 512 and the external sheath 513.
  • the refractive index of the internal glass sheath 512 is lower than that of the core and the outer sheath 513 is made of low index material, with a refractive index lower than that of the core and that of the internal sheath.
  • the highly multimode guiding glass part is then made up of the core and the internal sheath.
  • the refractive index of the internal glass sheath 512 is lower than that of the core 511 and the external sheath 513 is formed of high index material, with a refractive index greater than that of the internal sheath 512.
  • the highly multimode guiding glass part then consists of the heart.
  • the second optical fiber 502 comprises a glass core 521 and the outer sheath 522, the outer sheath being formed of low index material, with a refractive index lower than that of the core.
  • the guiding glass part is then made up of the core 521.
  • the guiding glass part of the second fiber is made, as will be described in more detail later, of a glass comprising a glass transition temperature lower than the damage temperature of the hollow core of the HC-DC fiber.
  • a suitable glass is borosilicate glass.
  • the glass core 511 and the internal sheath 512 can be made of the same glass but with different dopings.
  • the glass core 511 and the internal sheath 512 may be made of borosilicate glass of different chemical composition.
  • the method according to the present description then comprises local stripping of the first optical fiber and local stripping of the second optical fiber to remove in a given stripping zone, the external sheath, for example made of polymer, of the first fiber and the sheath external, for example in polymer, of the second fiber.
  • the external sheath for example made of polymer
  • the sheath external for example in polymer
  • the method according to the present description then comprises heating, in the stripping zone, a first region of the internal sheath of the first optical fiber and a second region of the guiding glass part of the second optical fiber to locally obtain a merger of the first region and the second region and generate an optical coupling zone between the first fiber and the second optical fiber.
  • Heating is obtained for example by application of a laser beam 350, as illustrated in Fig. 3 A.
  • the laser beam is emitted so as to cover the first region of the internal cladding of the first fiber and the second region of the guiding glass part of the second optical fiber.
  • the fibers 460 and 430 are placed in supports, for example V-shaped slots (Fig. 3B) and clamped against each other. They are then heated laterally, for example by means of the laser beam 350, the optical power of which is adjusted depending on the type of glass of the fiber 460.
  • the optical power is between approximately 5 pW and approximately 10 pW, for example. example of the order of 8 pW, for a Simax® glass.
  • the coupler comprises a fusion zone 401 between the guiding glass part 461 of the second fiber 460 and the internal sheath 435 of the HC-DC fiber 431.
  • the fusion zone corresponds to the coupling zone, it is that is to say the zone in which a transfer of light energy can take place, in operation, between the first fiber 430 and the second fiber 460.
  • regions 402 are observed , 403 called transition in which the overlap gradually goes from a maximum value (at the level of 401) to a zero value.
  • Fig. 4B represents a cross-sectional image of a first HC-DC optical fiber 430 and a second optical fiber 460 with highly multimode guiding glass portion 461, the two fibers being optically coupled according to a method according to the present description.
  • the first HC-DC fiber 430 is a fiber of the type of fiber 604 illustrated in FIG. 6 and described for example in [Ref. 7], It comprises a hollow core 431, a microstructured part 432 with air and glass capillaries which surrounds the hollow core and an internal sheath 435.
  • the internal sheath 435 (gray part) is made of silica glass
  • the core 431 (black part) includes air.
  • the second fiber 460 comprises in this example a glass core 461 which forms the guiding part and which is made of Simax® borosilicate glass.
  • the coupling zone 401 is shown in the image of Fig. 4B by dotted lines. We note e the width of the overlap at the level of the coupling zone. The more you intensify the warm-up, the more you increase the coverage. Of course, the covering must allow optical cutting but must not be so important that it damages the hollow core 431 of the first HC-DC fiber.
  • the manufacturing process can optionally include the installation, at the level of the stripping zone and after the melting step to form the coupling zone 401, of an external sheath covering the stripped part of the sheath internal of the first fiber and the stripped part of the guiding glass part of the second optical fiber.
  • an external sheath (480, Fig. 2A, not shown in Fig. 4A) has a role of protection and improvement of mechanical resistance. It is advantageously formed from an acrylate polymer with an index lower than that of the glass of fiber 430.
  • a junction can then be made between the outer sheath and the remaining outer sheath of the first optical fiber on the one hand and the sheath remaining external part of the second optical fiber on the other hand, for example using a machine for applying the coating of optical fibers (or “recoater”).
  • the glass of the guiding glass part of the second fiber 460 is chosen so as to have a glass transition temperature (or softening temperature) lower than the damage temperature of the hollow core 431 of the first fiber.
  • the glass transition temperature can be measured routinely using the scanning differential calorie technique, as described for example in [Ref.8],
  • Fig. 7A represents a diagram illustrating in a simplified manner an example of an assembly
  • the assembly 700 comprises an optical source 710 for emitting a light beam (for example a Ti:Saphire laser delivering femtosecond pulses tunable between 650 and 1050 nm) injected into the fiber 430 and an optical power measuring device 730
  • a light beam for example a Ti:Saphire laser delivering femtosecond pulses tunable between 650 and 1050 nm
  • the fiber is placed in an oven 720 whose temperature can be adjusted from ambient temperature to a temperature higher than the destruction temperature of the fiber 430 (for example 1600° C.).
  • Fig. 7B represents by way of illustration, a diagram showing an optical power curve transmitted in the HC-DC 460 fiber as a function of the applied temperature.
  • the optical fiber is locally completely stripped, i.e. the outer polymer is removed.
  • We measure the optical power Pmax transmitted by the optical fiber at ambient temperature Ta that is to say the power of the optical beam transmitted at the fiber output.
  • the temperature in the oven is gradually increased, while measuring the optical power transmitted by the fiber under the same conditions.
  • This optical power decreases up to a temperature Td at which it reaches a predetermined threshold given in % of Pmax, for example equal to approximately 10% of Pmax. Td then corresponds to the damage temperature of the fiber 430.
  • Fig. 8A represents comparative curves illustrating, according to an example, the coverage obtained during fusion, between the region of the internal sheath of the first optical fiber and the region of the guiding glass part of the second optical fiber, as a function of the heating power applied during the implementation of a process for manufacturing a coupler according to the present description.
  • Curve 81 corresponds to the case of a second optical fiber made of Simax glass ® which is part of the borosilicate glass family
  • curve 82 corresponds to the case of a second optical fiber made of silica (prior art).
  • heating power required to reach a given recovery value is approximately twice as low with borosilicate glass fiber as with silica glass fiber.
  • Fig. 8B represents comparative curves illustrating according to an example the diameter of the hollow core of the double-clad hollow-core optical fiber, as a function of the overlap obtained during fusion (e, Fig. 4B), between the region of the internal cladding of the first fiber optical and the region of the guiding glass part of the second optical fiber, during the implementation of a method of manufacturing a coupler according to the present description.
  • Curve 86 corresponds to the case of a second optical fiber made of silica (prior art) and curve 87 corresponds to the case of a second optical fiber made of Simax glass ® which is part of the borosilicate glass family.
  • the dotted straight line 85 corresponds to the diameter of the hollow core of the HC-DC fiber before the coupler manufacturing process.
  • Fig. 9A represents an experimental curve showing the optical coupling obtained between the first optical fiber and the second optical fiber, in an example of a coupler according to the present description, for different wavelengths of the light propagating in the coupler.
  • the light (for example from a Ti:Saphire laser delivering femtosecond pulses tunable between 650 and 1050 nm) is injected into port B of the coupler (Fig. 2A), and the percentage of optical power recovered in the port is measured. C, as a function of wavelength.
  • the results show that around 60% of the light injected in B is detected in C, for a wavelength between 450 and 650 nm, corresponding to the emission range of most biological markers. It is remarkable to note that even in the absence of a dichroic mirror, 60% of the light power is recovered.
  • Fig. 9B shows an SHG image of unlabeled mouse skin, obtained using an example of a nonlinear endoscope as described in Fig. 9B. 2B, with an excitation wavelength of 920 nm and pulses of 200 fs at 80 MHz and presenting a power of 20 mW.
  • the scale bar is 50 pm. This image demonstrates the feasibility of non-linear imaging of unlabeled biological tissues using the coupler.

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Abstract

La présente description concerne selon un aspect un coupleur (400) comprenant : une première fibre optique (430) à coeur creux à double gaine comprenant un coeur creux (431) configuré pour le guidage de lumière dans une première plage de longueurs d'onde et comprenant une température d'endommagement donnée, et une gaine interne (435) fortement multimode, configurée pour le guidage de lumière dans une deuxième plage de longueurs d'onde; une deuxième fibre optique (460) comprenant une partie en verre guidante (461), fortement multimode, configurée pour le guidage de la lumière dans une troisième plage de longueurs d'ondes, le verre comprenant une température de transition vitreuse inférieure à la température d'endommagement; une zone de couplage optique (401) entre la première fibre et la deuxième fibre générée par fusion entre une région de la gaine interne de la première fibre et une région de la partie en verre guidante de la deuxième fibre.

Description

Coupleur à fibre creuse à double gaine et procédé de fabrication d’un tel coupleur
Domaine technique de l'invention
La présente description concerne un coupleur à fibre creuse à double gaine et un procédé de fabrication d’un tel coupleur. La présente description concerne également un endoscope comprenant un tel coupleur.
Etat de la technique
Les cancers invasifs sont au premier rang des causes de mortalité dans les pays développés et au deuxième rang dans les pays en voie de développement. Ces chiffres vont en augmentant du fait du vieillissement des populations et de l’uniformisation des modes de vie. Le développement d’outils optiques non invasifs de diagnostic et de pronostic du cancer apparaît ainsi de toute première importance.
Un défi majeur provient du fait que la plupart des lésions tissulaires se localisent en profondeur dans les tissus (poumons, estomac, foie, colon) et restent inaccessibles aux techniques optiques d’imagerie conventionnelles. Pour pallier aux limitations technologiques actuelles, des outils optiques d’imagerie non-invasifs ont été développés pour la détection rapide des changements métaboliques et morphologiques dans les tissus. Notamment, il est connu [Réf. 1] d’associer les avantages des techniques d’imagerie non- linéaire à ceux de la technique endoscopique, peu invasive. Les techniques d’imagerie non- linéaire comprennent notamment la génération de second harmonique (SHG pour «Second Harmonie Generation » ), la génération de troisième harmonique (THG pour « Third Harmonie Generation »), la fluorescence à deux photons (2PEF pour « 2 photons excited fluorescence »), la fluorescence à trois photons (3PEF pour « 3 photons excited fluorescence »), la diffusion Raman cohérente anti-Stokes (CARS pour « Coherent Anti- Stokes Raman Scattering »). Un objectif est ainsi de développer un endoscope adapté à l’imagerie non linéaire, ou « endoscope non linéaire », minimalement invasif, présentant des performances proches des microscopes non-linéaires massifs (c’est-à-dire non endoscopiques), et idéalement multimodaux, c’est-à-dire associant plusieurs modalités d’imagerie non-linéaire dans un même dispositif.
A cet effet, la fibre optique endoscopique doit être optimisée d’une part pour acheminer des impulsions lumineuses courtes et de forte puissance optique jusqu’au tissu biologique, de telle sorte à obtenir une réponse non-linéaire du tissu, et d’autre part pour collecter efficacement le signal non-linéaire généré par le tissu et l’acheminer jusqu’à la chaine de détection.
Les propriétés dispersives et non-linéaires intrinsèques aux fibres optique à cœur solide rendent celles-ci inadaptées à cette problématique.
Il y a quelques années, des fibres à cœur creux à double gaine ont été décrites pour leur utilisation dans un endoscope non linéaire. Voir [Réf. 2], Les fibres à cœur creux à double gaine sont connues pour présenter une faible dispersion et une faible non-linéarité, propices à l’acheminement d’impulsions courtes et intenses.
La Fig. 1 A représente de façon schématique un endoscope non linéaire tel qu’il est mis en œuvre dans [Réf.2] et la Fig. IB représente une fibre à cœur creux à double gaine.
Une fibre à cœur creux à double gaine au sens de la présente description comprend généralement un cœur creux 131 à la périphérie duquel se trouve une partie microstructurée, par exemple constitué d’air et de verre, par exemple formée par des capillaires 132, comme cela est illustré sur la Fig. IB. La partie microstructurée permet par exemple d’assurer le guidage de la lumière au sein du cœur creux pour la transmission des impulsions jusqu’à l’échantillon biologique à analyser. La fibre à cœur creux à double gaine comprend par ailleurs une double gaine avec une gaine interne 135 « guidante », c’est-à-dire de nature à guider la lumière. Le rôle de la gaine interne est alors dans l’exemple de l’endoscope illustré sur la Fig. 1 A, de collecter le signal non -linéaire généré dans l’échantillon. Par exemple, la double gaine comprend une gaine interne 135 en verre et peut comprendre, comme cela est illustré sur la Fig. IB, une gaine externe 137 de bas indice, c’est-à-dire d’indice de réfraction plus bas que celui de la gaine interne, par exemple une gaine en polymère bas indice. A noter que la double gaine peut également comprendre une gaine interne entourée d’air pour assurer sa fonction de guidage de la lumière.
L’endoscope non linéaire représenté sur la Fig. 1 A comprend un miroir dichroïque 11 qui transmet des impulsions émises par une source laser 10 vers la fibre à cœur creux à double gaine 13, typiquement des impulsions infrarouges. Un objectif 12, par exemple une lentille ou un objectif de microscope, permet l’injection des impulsions dans le cœur de la fibre 13. Le miroir dichroïque 11 réfléchit le signal non-linéaire résultant de l’interaction des impulsions avec l’échantillon biologique 100, et qui se propage dans le sens contra- propagatif dans la gaine interne 135 de la fibre 13, pour le rediriger vers un détecteur 15 d’une chaine de détection. Les fibres à cœur creux à double gaine décrits dans [Réf.2] ont permis de démontrer le premier endoscope Raman multimodal.
Cependant, les performances globales de l’endoscope non linéaire décrit ci-dessus restent limitées, notamment en termes de fiabilité, ce qui empêche son utilisation en milieu clinique et le cantonne aux laboratoires de biophotonique spécialisés. L’une des limitations concerne l’utilisation du miroir dichroïque 11 placé à l’entrée de la fibre optique 13. En effet, l’alignement du miroir agencé en espace libre évolue avec le temps. Par ailleurs, le signal collecté dans la double gaine doit être redirigé vers la chaine de détection en traversant le même objectif 12 qui a servi à injecter les impulsions courtes dans le cœur creux central. Or, le cœur creux 131 et la gaine interne 135 ont une ouverture numérique (ON) très différente (0,02 contre 0,5). De plus, les deux faisceaux transmis et réfléchi ont des longueurs d’ondes très différentes, typiquement un facteur 2 ou 3 selon les modalités d’imagerie, les impulsions transmises étant dans l’infrarouge tandis que le signal non linéaire étant dans le visible. Pour ces raisons, l’objectif servant à l’injection et à la collection ne peut être optimisé simultanément pour les deux faisceaux, limitant fortement l’efficacité globale du système.
Dans le domaine de l’endoscopie, il est connu [Réf. 3] un coupleur à fibre à double gaine. Le coupleur est réalisé en chauffant et en étirant deux segments de deux fibres doubles gaines en silice pour les fusionner localement de sorte à obtenir un couplage optique entre les deux fibres. Un tel doubleur permet de s’affranchir d’une lame dichroïque.
Cependant, les inventeurs ont montré que la méthode décrite n’est pas adaptable pour le couplage d’une fibre à cœur creux à double gaine. En effet, la fusion requiert un chauffage des fibres tel qu’il entraînerait inévitablement une fermeture du trou central formant le cœur de la fibre, sous l’effet de la tension superficielle existant à l’interface entre le verre formant la gaine interne et l’air du cœur central. Par ailleurs, le chauffage nécessaire à la fusion entraînerait une fermeture sur eux-mêmes des capillaires (ou « hole collapse » selon l’expression anglo-saxonne).
Un objet de la présente description et un coupleur adapté à une fibre creuse à double gaine ainsi qu’un procédé de réalisation d’un tel coupleur.
Résumé de l’invention
Dans la présente description, le terme « comprendre » signifie la même chose que « inclure » ou « contenir », et est inclusif ou ouvert et n’exclut pas d’autres éléments non décrits ou représentés. En outre, dans la présente description, le terme « environ » ou « sensiblement » est synonyme de (signifie la même chose que) une marge inférieure et/ou supérieure de 10%, par exemple 5%, de la valeur respective.
Selon un premier aspect, l’invention concerne un coupleur à fibre optique à cœur creux à double gaine comprenant : une première fibre optique à cœur creux à double gaine comprenant : un cœur creux configuré pour le guidage de lumière dans une première plage de longueurs d’onde et comprenant une température d’endommagement donnée ; et une gaine interne fortement multimode, configurée pour le guidage de lumière dans une deuxième plage de longueurs d’onde; une deuxième fibre optique comprenant une partie en verre guidante, fortement multimode, configurée pour le guidage de la lumière dans une troisième plage de longueurs d’ondes, le verre comprenant une température de transition vitreuse inférieure à la température d’endommagement ; une zone de fusion entre une région de la gaine interne de la première fibre et une région de la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique permettant un couplage optique entre la première fibre et la deuxième fibre optique.
Une fibre à cœur creux à double gaine dans un coupleur selon le premier aspect est par exemple décrite dans [Réf. 4], [Réf. 5], [Réf. 6], [Réf. 7], Le cœur creux comprend généralement un cœur au sein duquel se trouve un gaz, par exemple de l’air, ou du vide, et à la périphérie duquel se trouve une partie microstructurée, par exemple constitué d’air et de verre. Le cœur est monomode ou faiblement multimode, c’est-à-dire pouvant propager un ou quelques modes, au maximum environ 10 modes. Le cœur creux est configuré pour le guidage de lumière dans une première plage de longueurs d’onde. Par exemple, pour des applications d’endoscopie, la première plage de longueurs d’onde est comprise entre environ 700 nm et environ 1800 nm.
La fibre à cœur creux à double gaine dans un coupleur selon le premier aspect comprend en outre une gaine interne fortement multimode, c’est-à-dire une gaine interne apte à la propagation de plusieurs centaines à plusieurs dizaines de milliers de modes, par exemple entre 100 et 100000. Elle est configurée pour le guidage de lumière dans une deuxième plage de longueurs d’onde. Par exemple, pour des applications d’endoscopie, la deuxième plage de longueurs d’onde est comprise dans la bande de transparence du verre qui constitue la gaine interne de la fibre à cœur creux à double gaine, par exemple entre environ 350 nm et environ 2400 nm pour une double gaine en silice.
La fibre à cœur creux à double gaine dans un coupleur selon le premier aspect est par ailleurs caractérisée par une température d’endommagement du cœur creux (ou température d’obscurcissement). Dans la présente description, on appelle température d’endommagement la température à laquelle la puissance optique d’un faisceau lumineux transmis par le cœur creux (« puissance optique transmise ») chute sous un seuil prédéterminé par rapport à la puissance optique transmise mesurée dans les mêmes conditions mais à température ambiante. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le seuil prédéterminé est supérieur à environ 1%, avantageusement supérieur à environ 5%. Par exemple, le seuil prédéterminé est égal à environ 10%. Pour des fibres à cœur creux à double gaine en verre de silice connues de l’état de l’art, les déposants ont montré que la température d’endommagement est comprise entre environ 1000°C et environ 1600°C pour un seuil d’endommagement choisi à 10% de la puissance maximale.
La partie en verre guidante de la deuxième fibre optique est fortement multimode. Elle est configurée pour le guidage de la lumière dans une troisième plage de longueurs d’ondes. Par exemple, pour des applications d’endoscopie, la première plage de longueurs d’onde est comprise entre environ 380 nm et environ 2200 nm.
Dans un coupleur selon le premier aspect, le verre de la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique comprend un verre dont la température de transition vitreuse est inférieure à la température d’endommagement du cœur creux de la première fibre à cœur creux à double gaine. Les déposants ont montré que cette condition permettait de réaliser un coupleur à fibre à cœur creux à double gaine.
La température de transition vitreuse (aussi appelée température de ramollissement) peut être mesurée de façon routinière en utilisant la technique de calorie différentielle à balayage, telle que décrite par exemple dans [Réf.8], Une condition pour choisir le verre de de la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique est donc que sa température de transition vitreuse, mesurée par exemple par calorie différentielle à balayage, soit plus petite que la température d’endommagement définie ci -dessus.
Les déposants ont montré qu’une fibre optique multimode en silice, généralement utilisée pour un coupleur de fibre, n’est pas adaptée pour un coupleur selon le premier aspect car la température de transition vitreuse de la silice est égale à environ 1600°C, ce qui est de l’ordre de la température d’endommagement du cœur des fibres à cœur creux à double gaine, ou supérieur.
Une deuxième fibre optique adaptée pour un coupleur selon le premier aspect est par exemple une fibre optique avec une partie en verre guidante en verre borosilicate. Les verres borosilicates comprennent un ensemble de composés chimiques dont notamment de la silice (SiCh), du trioxyde de bore (B2O3), de l’alumine (AI2O3), des oxydes alcalins (Na2O+K2Û) [Ref.9], La température de transition vitreuse des verres borosilicates est égale à environ 820°C. Un verre borosilicate que l’on pourra par exemple utiliser est le Simax glass® (voir https://www.pegasus-glass.eom/Portals/0/technicalJnfo.pdf ) ou le Pyrex®.
De manière générale cependant, on pourra choisir tout verre dont la température de transition vitreuse est inférieure à la température d’endommagement du cœur de la fibre à cœur creux à double gaine.
Dans un coupleur selon le premier aspect, les déposants ont montré qu’une zone de fusion entre la région de la gaine interne de la première fibre et la région de la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique peut être obtenue pour permettant un couplage optique entre la première fibre et la deuxième fibre optique sans détériorer la fibre à cœur creux à double gaine.
Par couplage optique, on comprend dans la présente description un transfert d’énergie lumineuse entre la première fibre et la deuxième fibre.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le coupleur selon le premier aspect comprend en outre une gaine externe bas indice recouvrant dans une région qui comprend la zone de fusion, la gaine interne de la première fibre et la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique. Une telle gaine interne est de bas indice, c’est-à-dire d’indice plus faible que l’indice de réfraction de la gaine interne de la première fibre et que l’indice de réfraction de la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique. Elle permet notamment une protection mécanique de la région.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la gaine externe est formée en polymère d’ acrylate.
Selon un deuxième aspect, la présente description comprend un endoscope configuré pour l’imagerie non linéaire comprenant : une source d’impulsions lumineuses ultra-courtes ; un détecteur ; un coupleur à fibre optique à cœur creux à double gaine selon l’une quelconque des revendications précédentes ; dans lequel : le cœur creux de la première fibre optique est configuré pour transporter lesdites impulsions lumineuses vers un échantillon biologique à imager et la gaine interne de la première fibre optique est configurée pour transporter un signal optique résultant d’une interaction non linéaire des impulsions avec l’échantillon biologique ; et la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique couplée optiquement avec la première fibre optique est configurée pour diriger ledit signal optique vers le détecteur.
Par impulsions ultra-courtes, on comprend dans la présente description des impulsions de durée inférieure à environ 1 ps, avantageusement inférieure à environ 200 fs.
Les déposants ont montré qu’un endoscope non linéaire selon le deuxième aspect, muni d’un coupleur selon le premier aspect, présente une stabilité mécanique et une robustesse bien meilleures qu’un endoscope de l’état de l’art, par exemple un endoscope tel que décrit dans [Réf. 2], notamment en termes de fiabilité, car il s’affranchit de l’utilisation d’une lame dichroïque.
Bien que le coupleur selon le premier aspect soit particulièrement bien adapté à un endoscope non linéaire tel que décrit selon le deuxième aspect, d’autres applications sont possibles. Par exemple, un coupleur selon le premier aspect pourra être utilisé avec un capteur optique de type réflecteur avec des propriétés de réflexion influencées par l’environnement. Un tel capteur pourra être agencé en partie distale de la fibre à cœur creux à double gaine. La lumière incidente pourra être acheminée par le cœur creux de la fibre à cœur creux à double gaine et la lumière réfléchie acheminée par la gaine interne de la fibre à cœur creux à double gaine puis par la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique pour être acheminée vers un détecteur.
Salon un troisième aspect, la présente description concerne un procédé de fabrication d’un coupleur selon le premier aspect.
Plus généralement, la présente description concerne un procédé de fabrication d’un coupleur à fibre optique à cœur creux à double gaine comprenant : la provision d’une première fibre optique à cœur creux à double gaine comprenant un cœur creux configuré pour le guidage de lumière dans une première plage de longueurs d’onde et comprenant une température d’endommagement donnée ; et une double gaine comprenant une gaine interne fortement multimode, configurée pour le guidage de lumière dans une deuxième plage de longueurs d’onde et une gaine externe; la provision d’une deuxième fibre optique comprenant une partie en verre guidante, fortement multimode, configurée pour le guidage de la lumière dans une troisième plage de longueurs d’ondes, le verre comprenant une température de transition vitreuse inférieure à la température d’endommagement, et une gaine externe ; le dénudage local de ladite première fibre optique et le dénudage local de la deuxième fibre optique pour le retrait, dans une zone de dénudage donnée, de la gaine externe de la première fibre et de la gaine externe de la deuxième fibre; l’échauffement, dans ladite zone de dénudage, d’une première région de la gaine interne de la première fibre optique et d’une deuxième région de la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique pour obtenir localement une fusion de ladite première région et de ladite deuxième région et générer une zone de couplage optique entre la première fibre et la deuxième fibre optique.
Le procédé selon le premier aspect permet de fabriquer un coupleur à fibre creuse à double gaine sans risquer d’endommager la fibre à cœur creux à double gaine, et ce en particulier grâce au choix du matériau du verre utilisé pour la partie guidante de la deuxième fibre optique.
Comme décrit précédemment, selon des exemples de réalisation, la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique est constituée en verre borosilicate.
Selon des exemples de réalisation, la gaine interne de la première fibre optique est constituée de verre de silice. Selon des exemples de réalisation, la gaine externe de la première fibre optique est constituée en polymère bas indice, c’est-à-dire un polymère d’indice de réfraction inférieur à celui de la gaine interne, par exemple un polymère d’ acrylate.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la deuxième fibre optique comprend un cœur en verre, une gaine interne en verre d’indice de réfraction inférieur à celui du cœur et une gaine externe bas indice, d’indice de réfraction inférieur à celui du cœur et de la gaine interne. La partie en verre guidante est alors constituée du cœur et de la gaine interne. Par exemple, le cœur et la gaine interne sont constitués du même verre, par exemple un verre borosilicate, mais avec des compositions différentes. Par exemple, la gaine externe bas indice est constituée de polymère d’ acrylate d’indice inférieur au verre borosilicate. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la deuxième fibre optique comprend un cœur en verre, une gaine interne en verre d’indice de réfraction inférieur à celui du cœur et une gaine externe haut indice, d’indice de réfraction supérieur à celui de la gaine interne. La partie en verre guidante est alors constituée du cœur. Par exemple, la gaine externe haut indice est constituée en polymère d’ acrylate. Par exemple, le cœur est constitué en verre borosilicate et la gaine interne en verre borosilicate d’indice inférieur à celui du cœur. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la deuxième fibre optique comprend un cœur en verre et une gaine externe bas indice, d’indice de réfraction inférieur à celui du cœur. La partie en verre guidante est alors constituée du cœur. Par exemple, le cœur est constitué en verre borosilicate. Par exemple, la gaine externe est constituée en polymère bas indice, par exemple un polymère d’ acrylate.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, l’échauffement est obtenu par application d’un faisceau d’une radiation électromagnétique, par exemple par émission d’un faisceau laser, ledit faisceau recouvrant ladite première région de la gaine interne de la première fibre et ladite deuxième région de la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique. Le faisceau laser est par exemple un faisceau issu d’un laser CO2 continu ou impulsionnel, émettant à une longueur d’onde d’environ 10 pm.
D’autres moyens connus de l’homme du métier sont bien entendu possibles pour obtenir un échauffement nécessaire à la fusion. Ainsi par exemple, on pourra utiliser un arc électrique entre des électrodes, une flamme, un filament etc.
L’application d’un faisceau laser est cependant avantageuse en ce qu’elle assure des performances répétables et peu de maintenance, et élimine aussi l’instabilité due à l’utilisation d’électrodes ou de filaments. De plus, en focalisant le faisceau laser, il est possible de contrôler très finement la zone de chauffe.
En pratique, on pourra s’assurer que la zone de dénudage est plus grande que la zone dans laquelle est réalisée la fusion pour éviter d’abîmer les régions non dénudées de la gaine externe de la première fibre optique et de la gaine externe de la deuxième fibre optique. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le procédé selon le troisième aspect comprend en outre le serrage l’une contre l’autre de la première fibre et de la deuxième fibre dans un support monté sur une platine en translation.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le procédé selon le troisième aspect comprend en outre : la mise en place, au niveau de la zone de dénudage et après fusion, d’une gaine externe recouvrant la partie dénudée de la gaine interne de la première fibre et la partie dénudée de la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique, la jonction de ladite gaine externe avec la gaine externe de la première fibre optique et la gaine externe de la deuxième fibre optique.
Brève description des figures
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures suivantes :
[Fig. 1 A], déjà décrite, représente un schéma illustrant un endoscope non linéaire connu de l’état de l’art ;
[Fig. IB], déjà décrite, représente un schéma illustrant une fibre optique à cœur creux à double gaine connue de l’état de l’art ;
[Fig. 2A], représente un schéma illustrant un coupleur à fibre optique à cœur creux à double gaine selon un exemple conforme à la présente description ;
[Fig. 2B], représente un schéma illustrant un endoscope non linéaire avec un coupleur à fibre optique à cœur creux à double gaine, selon un exemple conforme à la présente description
[Fig. 3 A], représente un schéma illustrant en vue de dessus et de manière simplifiée, un montage pour la mise en œuvre d’un procédé de fabrication d’un coupleur à fibre optique à cœur creux à double gaine selon un exemple conforme à la présente description ;
[Fig. 3B], représente un schéma illustrant en vue de coupe et de manière simplifiée, un élément du montage illustré sur la Fig. 3 A ;
[Fig. 4A], représente un schéma illustrant un exemple d’un coupleur à fibre optique à cœur creux à double gaine obtenu au moyen du montage tel qu’illustré sur les Fig. 3A et Fig.
3B ;
[Fig. 4B], représente une image de la zone de couplage entre la première fibre optique et la deuxième fibre optique, obtenue par fusion, dans un exemple de réalisation ;
[Fig. 5A], représente un schéma simplifié d’un premier exemple d’une deuxième fibre optique avec partie en verre guidante fortement multimode, pour la mise en œuvre d’un procédé de fabrication d’un coupleur selon la présente description ;
[Fig. 5B], représente un schéma simplifié d’un deuxième exemple d’une deuxième fibre optique avec partie en verre guidante fortement multimode, pour la mise en œuvre d’un procédé de fabrication d’un coupleur selon la présente description ; [Fig. 6], représente des images prises en coupe, d’exemples de fibres à cœur creux à double gaine, pour la mise en œuvre d’un procédé de fabrication d’un coupleur selon la présente description ;
[Fig. 7A], représente un schéma illustrant de manière simplifiée un exemple d’un montage pour la caractérisation de la température d’endommagement d’un cœur d’une fibre à cœur creux à double gaine ;
[Fig. 7B], représente un schéma illustrant selon un exemple une courbe de puissance optique transmise en fonction de la température appliquée obtenue au moyen d’un montage pour la caractérisation de la température d’endommagement d’un cœur d’une fibre à cœur creux à double gaine tel que décrit sur la Fig. 7A ;
[Fig. 8A], montre des courbes comparatives (expérimentales) illustrant selon un exemple le recouvrement obtenu lors de la fusion, entre la région de la gaine interne de la première fibre optique et la région de la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique, en fonction de la puissance de chauffe appliquée (puissance optique) lors de la mise en œuvre d’un procédé de fabrication d’un coupleur selon la présente description, dans le cas où la deuxième fibre optique est une fibre optique en silice (en gris) et dans le cas où la deuxième fibre optique est une fibre optique en Simax glass ® (en noir);
[Fig. 8B], des courbes comparatives (expérimentales) illustrant selon un exemple le diamètre du cœur creux de la fibre optique à cœur creux à double gaine, en fonction du recouvrement obtenu lors de la fusion, entre la région de la gaine interne de la première fibre optique et la région de la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique, lors de la mise en œuvre d’un procédé de fabrication d’un coupleur selon la présente description, dans le cas où la deuxième fibre optique est une fibre optique en silice (en noir) et dans le cas où la deuxième fibre optique est une fibre optique en Simax glass ® (en gris);
[Fig. 9A], une courbe expérimentale montrant le couplage optique obtenu entre la première fibre optique et la deuxième fibre optique, dans un exemple de coupleur selon la présente description, et pour différentes longueurs d’onde de la lumière se propageant dans le coupleur ;
[Fig. 9B], une image SHG de peau de souris non marquée, obtenue au moyen d’un exemple d’un endoscope non linéaire selon la présente description, avec une longueur d’onde d’excitation de 920 nm et des impulsions de 200 fs à 80 MHz à une puissance de 20 mW ; la barre d’échelle est de 50 pm. Description détaillée de l’invention
Sur les figures, les éléments ne sont pas représentés à l'échelle pour une meilleure visibilité.
La Fig. 2A représente, à des fins d’illustration, un schéma d’un coupleur 400 à fibre optique à cœur creux à double gaine selon un exemple conforme à la présente description, nommé dans la suite de la description « HC-DCFC » selon l’expression anglo-saxonne « Hollow Core Double Clad Fiber Coupler ». Le coupleur 400 est mis en œuvre, dans cet exemple, dans un endoscope non linéaire et la Fig. 2B représente un exemple 200 d’un tel endoscope non linéaire.
Le coupleur 400 comprend une première fibre optique 430 à cœur creux à double gaine ou fibre « HC-DC » pour «Hollow Core Double Clad ». La première fibre optique 430 comprend de façon générale un cœur creux configuré pour le guidage de lumière dans une première plage de longueurs d’onde. La première fibre optique 430 comprend par ailleurs une gaine interne fortement multimode, configurée pour le guidage de lumière dans une deuxième plage de longueurs d’onde. Comme cela sera décrit plus en détails par la suite, le cœur creux de la fibre HC-DC comprend une température d’endommagement donnée. Des exemples de fibres HC-DC seront décrits plus en détails par la suite, en relation avec la Fig. 6.
Le coupleur 400 comprend par ailleurs une deuxième fibre optique 460 comprenant une partie en verre guidante, fortement multimode, configurée pour le guidage de la lumière dans une troisième plage de longueurs d’ondes. Comme cela sera décrit par la suite, le verre de la partie en verre guidante comprend une température de transition vitreuse inférieure à la température d’endommagement. Des exemples de deuxièmes fibres optiques seront décrits plus en détails par la suite, en relation avec les Fig. 5A, Fig. 5B.
Comme illustré sur la Fig. 2A, le coupleur 400 comprend en outre une zone de couplage optique 401 entre la première fibre 430 et la deuxième fibre optique 460. Comme cela sera décrit plus en détails par la suite, la zone de couplage est générée par fusion entre une région de la gaine interne de la première fibre et une région de la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique.
Dans des exemples de réalisation, le coupleur 400 peut comprendre également, comme illustré sur la Fig. 2A, une gaine externe bas indice 480 recouvrant dans une région qui comprend la zone de couplage 401, la gaine interne de la première fibre et la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique. La gaine externe est bas indice, c’est-à-dire qu’elle présente un indice de réfaction inférieur à celui de la gaine interne de la première fibre et la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique.
Comme illustré sur la Fig. 2B, l’endoscope 200 configuré pour l’imagerie non linéaire comprend une source 210 pour l’impulsions lumineuses ultra-courtes, un détecteur 250, un coupleur à fibre creuse à double gaine 400 selon la présente description. L’endoscope peut comprendre par ailleurs, comme illustré sur les figures, une optique 220 d’injection des impulsions optiques dans une extrémité (A, Fig. 2A) de la première fibre HC-DC 430 du coupleur 400 et une tête 240 en extrémité distale (B, Fig. 2A) de la première fibre 430. La tête 240 comprend par exemple un dispositif de balayage des impulsions incidentes. Le détecteur peut être connecté, de façon connue, à une unité de traitement (non représenté sur la Fig. 2B), pour le traitement des signaux optiques détectés. L’endoscope peut par ailleurs comprendre toute autres unités connus, comme une unité d’affichage, une unité de stockage (mémoire), etc.
La source est par exemple une source laser, par exemple un laser titane-saphir délivrant des impulsions femtosecondes.
Le détecteur est par exemple un tube photomultiplicateur.
En opération, le cœur creux de la première fibre optique 430 transporte les impulsions lumineuses vers un échantillon biologique 100 à imager (voie optique schématisée en trait gras, simple flèche sur la Fig. 2A) et la gaine interne de la première fibre optique transporte un signal optique résultant d’une interaction non linéaire des impulsions avec l’échantillon biologique 100 (voie optique schématisée en trait gras, double flèche sur la Fig. 2A). Par ailleurs, la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique 460 couplée optiquement avec la première fibre optique dirige ledit signal optique vers une extrémité proximale C du coupleur (voie optique schématisée en pointillés sur la Fig. 2A) puis vers le détecteur 250. Ainsi, comme cela est viciable sur la Fig. 2B, le couplage peut être réalisé au moyen du coupleur 400 fibré et nulle autre optique en espace libre n’est nécessaire pour l’envoi du signal non linéaire vers le détecteur 250, ce qui permet de gagner en fiabilité, en stabilité mécanique et en robustesse.
La fig. 3 A représente un schéma illustrant, en vue de dessus et de manière simplifiée, un exemple d’un montage 300 pour la mise en œuvre d’un procédé de fabrication d’un coupleur à fibre optique à cœur creux à double gaine selon la présente description. La Fig. 3B représente un schéma illustrant en vue de coupe et de manière simplifiée, un élément du montage. Le montage 300 comprend dans cet exemple deux supports 320 avec des fentes taillées en V (« V-groove ») dans lesquels les fibres (localement dénudées) sont serrées, par exemple à l’aide de pinces aimantés 330. La fibre de plus petit diamètre (ici la fibre creuse 430) est placée au fond du support en V. La fibre de plus gros diamètre (ici la fibre 460) est placée sur le dessus. Ces supports sont fixés sur une platine 310, elle-même mobile dans une direction 315 sensiblement perpendiculaire à la direction d’un faisceau laser 350 utilisé pour la fusion. Les fibres 460 et 430 sont maintenues l’une contre l’autre et sont chauffées latéralement par le faisceau laser 350. Entre les supports en V situés des deux côtés de la platine 310, les fibres sont tendues de telle sorte qu’elles restent collées l’une à l’autre sur toute la longueur située entre les deux supports. En opération, la platine se déplace pour chauffer sur l’ensemble de la zone recherchée pour le couplage.
Un procédé de fabrication d’un coupleur à fibre optique à cœur creux à double gaine selon la présente description, mise en œuvre par exemple au moyen d’un montage 300 tel qu’illustré sur les Fig. 3 A et Fig. 3B comprend la provision d’une première fibre optique à cœur creux à double gaine et la provision d’une deuxième fibre optique comprenant une partie en verre guidante.
La Fig.6 illustre des images de coupes d’exemples de telles fibres à cœur creux à double gaine (HC-DC) référencées 601, 602, 603, 604.
De telles fibres HC-DC comprennent dans des exemples de réalisation un cœur creux 431 configuré pour le guidage de lumière dans une première plage de longueurs d’onde et une double gaine. La double gaine comprend une gaine interne 435 fortement multimode, configurée pour le guidage de lumière dans une deuxième plage de longueurs d’onde et une gaine externe, non représentée sur les images, par exemple une gaine externe en polymère bas indice, c’est dire d’indice de réfaction inférieur à celui de la gaine interne. Les fibres HC-DC comprennent par ailleurs dans ces exemples une partie microstructurée 432 à la périphérie du cœur creux, par exemple constitué d’air et de verre, et permettant d’assurer le guidage de la lumière dans le cœur creux.
Le cœur creux comprend généralement un cœur au sein duquel se trouve un gaz, par exemple de l’air, ou du vide. Le cœur est monomode ou faiblement multimode, c’est-à-dire pouvant propager un ou quelques modes, au maximum environ 10 modes. Par exemple, pour des applications d’endoscopie, la première plage de longueurs d’onde est comprise entre environ 700 nm et environ 1800 nm. La gaine interne est fortement multimode, c’est- à-dire apte à la propagation de plusieurs centaines à plusieurs dizaines de milliers. Par exemple, pour des applications d’endoscopie, la deuxième plage de longueurs d’onde est comprise entre environ 380 nm et environ 2200 nm.
Plus précisément, les exemples des fibres HC-DC illustrées au moyen des images 601 - 604 sont décrites respectivement dans [Réf. 4], [Réf. 5], [Réf. 6], [Réf. 7], Elles diffèrent notamment du fait de leur microstructure 432 et par conséquence du fait de leur mécanisme de guidage de la lumière dans le cœur creux.
Dans une étape du procédé selon la présente description, on fournit une deuxième fibre optique comprenant une partie en verre guidante, fortement multimode et une gaine externe. La partie en verre guidante est configurée pour le guidage de la lumière dans une troisième plage de longueurs d’ondes.
La Fig.5A et la Fig. 5B représentent des schémas simplifiés d’un premier exemple 501 d’une deuxième fibre optique avec partie en verre guidante fortement multimode et d’un deuxième exemple 502 d’une deuxième fibre optique avec partie en verre guidante fortement multimode.
Dans l’exemple de la Fig. 5A, la deuxième fibre optique 501 comprend un cœur en verre 511, une gaine interne en verre 512 et la gaine externe 513. Dans un premier exemple, l’indice de réfraction de la gaine interne en verre 512 est inférieur à celui du cœur et la gaine externe 513 est formée en matériau bas indice, d’indice de réfraction inférieur à celui du cœur et à celui de la gaine interne. La partie en verre guidante fortement multimode est alors constituée du cœur et de la gaine interne. Dans un deuxième exemple, l’indice de réfraction de la gaine interne en verre 512 est inférieur à celui du cœur 511 et la gaine externe 513 est formée en matériau haut indice, d’indice de réfraction supérieur à celui de la gaine interne 512. La partie en verre guidante fortement multimode est alors constituée du cœur.
Dans l’exemple de la Fig. 5B, la deuxième fibre optique 502 comprend un cœur en verre 521 et la gaine externe 522, la gaine externe étant formée en matériau bas indice, d’indice de réfraction inférieur à celui du cœur. La partie en verre guidante est alors constituée du cœur 521.
La partie en verre guidante de la deuxième fibre est constituée, comme cela sera décrit plus en détails par la suite, en un verre comprenant une température de transition vitreuse inférieure à la température d’endommagement du cœur creux de la fibre HC-DC. Par exemple, les déposants ont montré qu’un verre adapté était un verre borosilicate. Dans le cas où la partie en verre guidante comprend le cœur en verre 511 et la gaine interne 512 (Fig. 5 A), le cœur en verre 511 et la gaine interne 512 peuvent être constitués du même verre mais avec des dopages différents. Par exemple, le cœur en verre 511 et la gaine interne 512 peuvent être en verre borosilicate de composition chimique différente.
Le procédé selon la présente description comprend ensuite un dénudage local de la première fibre optique et un dénudage local de la deuxième fibre optique pour retirer dans une zone de dénudage donnée, la gaine externe, par exemple en polymère, de la première fibre et la gaine externe, par exemple en polymère, de la deuxième fibre. Ainsi, on pourra retirer localement la gaine externe 513 ou 522 de la deuxième fibre (Fig. 5 A et Fig. 5B). A noter que la zone de dénudage est choisie plus grande que la zone dans laquelle on prévoir la fusion pour ne pas abîmer les gaines externes en polymère restantes des fibres lors de réchauffement.
Le procédé selon la présente description comprend ensuite réchauffement, dans la zone de dénudage, d’une première région de la gaine interne de la première fibre optique et d’une deuxième région de la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique pour obtenir localement une fusion de la première région et de la deuxième région et générer une zone de couplage optique entre la première fibre et la deuxième fibre optique.
L’échauffement est obtenu par exemple par application d’un faisceau laser 350, comme illustré sur la Fig. 3 A. Le faisceau laser est émis de telle sorte à recouvrir la première région de la gaine interne de la première fibre et la deuxième région de la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique.
Les fibres 460 et 430 sont placées dans des supports par exemple des fentes en V (Fig. 3B) et serrées l’une contre l’autre. Elles sont ensuite chauffées latéralement, par exemple au moyen du faisceau laser 350, dont la puissance optique est ajustée en fonction du type de verre de la fibre 460. Par exemple, la puissance optique est comprise entre environ 5 pW et environ 10 pW, par exemple de l’ordre de 8 pW, pour un verre Simax®.
On obtient alors un coupleur de type HC-DCFC tel que décrit sur la Fig. 4A.
Plus précisément, le coupleur comprend une zone de fusion 401 entre la partie en verre guidante 461 de la deuxième fibre 460 et la gaine interne 435 de la fibre HC-DC 431. La zone de fusion correspond à la zone de couplage, c’est-à-dire la zone dans laquelle peut se faire, en opération, un transfert d’énergie lumineuse entre la première fibre 430 et la deuxième fibre 460. De part et d’autre de la zone de fusion 401, on observe des régions 402, 403 dites de transition dans lesquelles le recouvrement passe progressivement d’une valeur maximale (au niveau de 401) à une valeur nulle. La fig. 4B représente une image en coupe d’une première fibre optique HC-DC 430 et d’une deuxième fibre optique 460 avec partie en verre guidante 461 fortement multimode, les deux fibres étant couplées optiquement selon un procédé conforme à la présente description.
Dans un exemple de réalisation, la première fibre HC-DC 430 est une fibre du type de la fibre 604 illustré sur la Fig. 6 et décrit par exemple dans [Réf. 7], Elle comprend un cœur creux 431, une partie microstructurée 432 avec des capillaires d’air et de verre qui entoure le cœur creux et une gaine interne 435. La gaine interne 435 (partie grise) est en verre de silice, le cœur 431 (partie noire) comprend de l’air. La deuxième fibre 460 comprend dans cet exemple un cœur en verre 461 qui forme la partie guidante et qui est constitué de verre borosilicate Simax®.
La zone de couplage 401est matérialisée su l’image de la Fig. 4B par des pointillés. On note e la largeur du recouvrement au niveau de la zone de couplage. Plus on intensifie l’échauffement, plus on augmente le recouvrement. Bien entendu, le recouvrement doit permettre un coupage optique mais ne doit pas être si important qu’il endommage le cœur creux 431 de la première fibre HC-DC.
Le procédé de fabrication peut comprendre, de façon optionnelle, la mise en place, au niveau de la zone de dénudage et après l’étape de fusion pour former la zone de couplage 401, d’une gaine externe recouvrant la partie dénudée de la gaine interne de la première fibre et la partie dénudée de la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique. Une telle gaine externe (480, Fig. 2A, non représentée sur la Fig. 4A) a un rôle de protection et d’amélioration de la résistance mécanique. Elle est avantageusement formée en polymère d’acrylate d’indice plus faible que celui du verre de la fibre 430. On pourra alors opérer une jonction entre la gaine externe et la gaine externe restante de la première fibre optique d’une part et la gaine externe restante de la deuxième fibre optique d’autre part, par exemple à l’aide d’une machine pour application du revêtement de fibres optiques (ou « recoateuse »).
Comme décrit précédemment, le verre de la partie en verre guidante de la deuxième fibre 460 est choisi de telle sorte à présenter une température de transition vitreuse (ou température de ramollissement) inférieure à la température d’endommagement du cœur creux 431 de la première fibre 430 à cœur creux à double gaine. La température de transition vitreuse peut être mesurée de façon routinière en utilisant la technique de calorie différentielle à balayage, telle que décrite par exemple dans [Réf.8], La Fig. 7A représente un schéma illustrant de manière simplifiée un exemple d’un montage
700 pour la caractérisation de la température d’endommagement d’un cœur d’une fibre HC-DC 730.
Le montage 700 comprend une source optique 710 pour l’émission d’un faisceau lumineux (par exemple un laser Ti :Saphire délivrant des impulsions femtoseconde accordables entre 650 et 1050 nm) injecté dans la fibre 430 et un dispositif de mesure de puissance optique 730. La fibre est placée dans une étuve 720 dont la température peut être ajustée de la température ambiante à une température supérieure à la température de destruction de la fibre 430 (par exemple 1600°C).
La fig. 7B représente à titre d’illustration, un schéma montrant une courbe de puissance optique transmise dans la fibre HC-DC 460 en fonction de la température appliquée.
La fibre optique est localement entièrement dénudée, c’est-à-dire que le polymère extérieur est enlevé. On mesure la puissance optique Pmax transmise par la fibre optique à température ambiante Ta, c’est-à-dire la puissance du faisceau optique transmis en sortie de fibre. On augmente progressivement la température dans l’étuve, tout en mesurant la puissance optique transmise par la fibre dans les mêmes conditions. Cette puissance optique diminue jusqu’à une température Td à laquelle elle atteint un seuil prédéterminé donné en % de Pmax, par exemple égal à environ 10% de Pmax. Td correspond alors à la température d’endommagement de la fibre 430.
La fig. 8A représente des courbes comparatives illustrant, selon un exemple, le recouvrement obtenu lors de la fusion, entre la région de la gaine interne de la première fibre optique et la région de la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique, en fonction de la puissance de chauffe appliquée lors de la mise en œuvre d’un procédé de fabrication d’un coupleur selon la présente description. La courbe 81 correspond au cas d’une deuxième fibre optique en Simax glass ® qui fait partie de la famille des verres borosilicate et la courbe 82 correspond au cas d’une deuxième fibre optique en silice (art antérieur).
On observe que la puissance de chauffe requise pour atteindre une valeur de recouvrement donnée (par exemple supérieure à 10 pm) est environ deux fois plus faible avec la fibre en verre borosilicate qu’avec la fibre en verre de silice.
La Fig. 8B représente des courbes comparatives illustrant selon un exemple le diamètre du cœur creux de la fibre optique à cœur creux à double gaine, en fonction du recouvrement obtenu lors de la fusion (e, Fig. 4B), entre la région de la gaine interne de la première fibre optique et la région de la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique, lors de la mise en œuvre d’un procédé de fabrication d’un coupleur selon la présente description. La courbe 86 correspond au cas d’une deuxième fibre optique en silice (art antérieur) et la courbe 87 correspond au cas d’une deuxième fibre optique en Simax glass ® qui fait partie de la famille des verres borosilicate. La ligne droite 85 en pointillés correspond au diamètre du cœur creux de la fibre HC-DC avant le procédé de fabrication du coupleur. On observe qu’avec une fibre en silice (86), dès que le recouvrement augmente, le cœur creux se réduit, ce qui fait que la fibre devient inopérante. Au contraire, avec une fibre en verre borosilicate (87), le diamètre du cœur creux est indépendant du recouvrement et reste très proche de sa valeur initiale. La fusion d’une fibre en verre borosilicate n’altère donc pas le cœur creux de la fibre creuse.
La fig. 9A représente une courbe expérimentale montrant le couplage optique obtenu entre la première fibre optique et la deuxième fibre optique, dans un exemple de coupleur selon la présente description, pour différentes longueurs d’onde de la lumière se propageant dans le coupleur.
La lumière (par exemple issue d’un laser Ti :Saphire délivrant des impulsions femtoseconde accordables entre 650 et 1050 nm) est injectée dans le port B du coupleur (Fig. 2A), et on mesure le pourcentage de puissance optique récupéré dans le port C, en fonction de la longueur d’onde. Les résultats montrent qu’environ 60% de la lumière injectée en B est détectée en C, pour une longueur d’onde comprise entre 450 et 650 nm, correspondant à la gamme d’émission de la plupart des marqueurs biologiques. Il est remarquable de noter que même en l’absence d’un miroir dichroïque, 60% de la puissance lumineuse est récupérée.
La Fig. 9B représente une image SHG de peau de souris non marquée, obtenue au moyen d’un exemple d’un endoscope non linéaire tel que décrit sur la Fig. 2B, avec une longueur d’onde d’excitation de 920 nm et des impulsions de 200 fs à 80 MHz et présentant une puissance de 20 mW. La barre d’échelle est de 50 pm. Cette image démontre la faisabilité d’imagerie non-linéaire de tissus biologiques non marqués à l’aide du coupleur.
Bien que décrite à travers un certain nombre d’exemples de réalisation, les procédés et les dispositifs selon la présente description comprennent différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l’homme de l’art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l’invention telle que définie par les revendications qui suivent. REFERENCES
[Réf. 1] : V. Kucikas ét al. “Two-Photon Endoscopy: State of the Art and Perspectives” .
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[Réf. 2] : A. Kudlinski et al. “ Double clad tubular anti-resonant hollow core fiber for nonlinear microendoscopy”, Optics Express, Vol. 28, N°10, pp 15062 - 15070 (2020) [Réf. 3] S. Lemire-Renaud et al. "Double-clad fiber coupler for endoscopy," Optics Express Vol. 18, N°10, pp. 9755-9764 (2010)
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[Ref.9] J. David Musgraves et al., Springer Handbook of Glass, Springer 2019, chapter 14.

Claims

REVENDICATIONS
1. Coupleur (400) pour fibre optique à cœur creux à double gaine comprenant : une première fibre optique (430) à cœur creux à double gaine comprenant : un cœur creux (431) configuré pour le guidage de lumière dans une première plage de longueurs d’onde et comprenant une température d’endommagement donnée ; et une gaine interne (435) fortement multimode, configurée pour le guidage de lumière dans une deuxième plage de longueurs d’onde; une deuxième fibre optique (460) comprenant une partie en verre guidante (461), fortement multimode, configurée pour le guidage de la lumière dans une troisième plage de longueurs d’ondes, le verre comprenant une température de transition vitreuse inférieure à la température d’endommagement ; une zone de couplage optique (401) entre la première fibre optique et la deuxième fibre optique générée par fusion entre une région de la gaine interne de la première fibre optique et une région de la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique.
2. Coupleur selon la revendication 1, dans lequel la partie en verre guidante (461) de la deuxième fibre optique est constituée en verre borosilicate.
3. Coupleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une gaine externe bas indice (480) recouvrant dans une région qui comprend la zone de couplage (401), la gaine interne (435) de la première fibre optique et la partie en verre guidante (461) de la deuxième fibre optique.
4. Endoscope (200) configuré pour l’imagerie non linéaire comprenant : une source (210) d’impulsions lumineuses ultra-courtes ; un détecteur (250) ; un coupleur à fibre optique à cœur creux à double gaine (400) selon l’une quelconque des revendications précédentes ; dans lequel : le cœur creux (431) de la première fibre optique (430) est configuré pour transporter lesdites impulsions lumineuses vers un échantillon biologique à imager et la gaine interne (435) de la première fibre optique est configurée pour transporter un signal optique résultant d’une interaction non linéaire des impulsions avec l’échantillon biologique ; et la partie en verre guidante (461) de la deuxième fibre optique (460) couplée optiquement avec la première fibre optique est configurée pour diriger ledit signal optique vers le détecteur.
5. Procédé de fabrication d’un coupleur à fibre optique à cœur creux à double gaine comprenant : la provision d’une première fibre optique (601 - 604) à cœur creux à double gaine comprenant un cœur creux (431) configuré pour le guidage de lumière dans une première plage de longueurs d’onde et comprenant une température d’endommagement donnée ; et une double gaine comprenant une gaine interne fortement multimode, configurée pour le guidage de lumière dans une deuxième plage de longueurs d’onde et une gaine externe; la provision d’une deuxième fibre optique (460) comprenant une partie en verre guidante, fortement multimode, configurée pour le guidage de la lumière dans une troisième plage de longueurs d’ondes, le verre comprenant une température de transition vitreuse inférieure à la température d’endommagement et une gaine externe ; le dénudage local de ladite première fibre optique et le dénudage local de la deuxième fibre optique pour le retrait, dans une zone de dénudage donnée, de la gaine externe de la première fibre optique et le retrait de la gaine externe de la deuxième fibre optique; l’échauffement, dans ladite zone de dénudage, d’une première région de la gaine interne de la première fibre optique et d’une deuxième région de la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique pour obtenir localement une fusion de ladite première région et de ladite deuxième région et générer une zone de couplage optique entre la première fibre optique et la deuxième fibre optique.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l’échauffement est obtenu par application d’un faisceau laser recouvrant ladite première région de la gaine interne de la première fibre et ladite deuxième région de la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 5 ou 6, dans laquelle la deuxième fibre optique comprend un cœur en verre, une gaine interne en verre d’indice de réfraction inférieur à celui du cœur et la gaine externe, la gaine externe de la deuxième fibre optique étant formée en matériau bas indice, d’indice de réfraction inférieur à celui du cœur et à celui de la gaine interne, la partie en verre guidante étant constituée du cœur et de la gaine interne.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel la deuxième fibre optique comprend un cœur en verre, une gaine interne en verre d’indice de réfraction inférieur à celui du cœur et la gaine externe, la gaine externe de la deuxième fibre optique étant formée en matériau haut indice, d’indice de réfraction supérieur à celui de la gaine interne, la partie en verre guidante étant constituée du cœur.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel la deuxième fibre optique comprend un cœur en verre et la gaine externe, la gaine externe de la deuxième fibre optique étant formée en matériau bas indice, d’indice de réfraction inférieur à celui du cœur, la partie en verre guidante étant constituée du cœur.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 5 à 9, dans lequel la partie en verre guidante (461) de la deuxième fibre optique est constituée en verre borosilicate.
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 5 à 10 comprenant en outre : la mise en place, au niveau de la zone de dénudage et après fusion, d’une gaine externe recouvrant la partie dénudée de la gaine interne de la première fibre et la partie dénudée de la partie en verre guidante de la deuxième fibre optique, la jonction de ladite gaine externe avec la gaine externe de la première fibre optique et la gaine externe de la deuxième fibre optique.
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