Conception, fabrication et caractérisation d'une fibre de Bragg à faibles pertes
et à grande aire effective
R. Jamier
1
, S. Février
1
, P. Viale
1
, M. Likhachev
2
, S. Semjonov
2
, E. Dianov
2
, J.-M. Blondy
1
1 :
IRCOM, UMR CNRS n°6615, 123 Avenue A. Thomas, 87060 Limoges
fevrier@ircom.unilim.fr
2 : Fiber Optics Research Center at the General Physics Institute, Russian Academy of Sciences, 38 Vavilov Street, 119991 Moscow, Russia.
Dans de nombreux domaines scientifiques ou industriels (télécom, usinage industriel, lasers fibrés...),
l'augmentation de la puissance optique transportée par fibre provoque la génération de fréquences non désirées par
effets non linéaires pour lesquels il n'existe pas de moyens de compensation. Les effets non linéaires sont exacerbés
quand la densité surfacique de puissance transportée devient trop importante. Il est envisageable de concevoir des
fibres particulières telles que le seuil d'apparition de ces effets soit repoussé en augmentant la surface effective ou
modale de la fibre.
Outre les fibres microstructurées air-silice, les fibres à gaine périodique ou fibres de Bragg à coeur de silice
permettent de combiner une grande aire effective et des pertes de propagation faibles (< 1 dB/m). Une telle fibre a
été optimisée en termes de régularité des épaisseurs et des indices des couches diélectriques puis réalisée par MCVD
au Fiber Optics Research Center. Le profil d'indice de cette fibre est porté sur la figure 1. L'accord entre le profil
idéal et le profil de la fibre fabriquée est tout à fait acceptable. Les couches diélectriques d'indice bas de cette fibre
sont constitués de silice pure, les couches d'indice haut étant dopées avec du germanium de manière à avoir une
différence d'indice entre les couches du réseau de Bragg de 15.10
-3
.
Figure 1 : Profil d'indice et distribution transverse de l'intensité
à 833 nm
Figure 2 : Comparaison entre la bande passante calculée et
mesurée
(a) : couplage observé à 898 nm à l'aide d'une caméra Spiricon
Une dépression d'indice (
n = 2.10
-3
) est accolée à la dernière couche d'indice haut du réseau de Bragg dans le
but de diminuer les pertes par courbure. Afin d'abaisser les pertes de propagation de la fibre, un très faible saut
d'indice (de l'ordre de
n = 2.10
-4
) a été ajouté dans le coeur de la fibre (voir le profil sur la figure 1). Les pertes
calculées sont faibles, de l'ordre du dB/km autour de 800 nm, et correspondent aux pertes dues au matériau.
Cette fibre a été caractérisée en termes de bande passante, atténuation, sensibilité à la courbure et unimodalité
transverse. La distribution d'intensité en sortie de la fibre de Bragg a été mesurée et comparée à l'intensité
calculée par une méthode scalaire (voir figure 1). On observe une excellente correspondance entre la mesure et la
simulation. En encart de la figure 1 est placée la distribution d'intensité en champ proche du mode fondamental
(noté LP
01
), seul mode présent à la sortie de la fibre (L = 30 m). La bande spectrale de propagation du mode
fondamental guidé a été calculée puis mesurée. On observe en figure 2 une bonne correspondance entre le calcul
et la mesure. Dans les deux cas, les atténuations minimales sont observées à 800 nm et valent 3 dB/km. La bande
mesurée apparaît plus étroite que celle calculée, ce qui peut s'expliquer par des pertes par courbure induites lors
de la mesure effectuée sur un tronçon de longueur 30 m. Notons la présence de couplages discrets entre le mode
fondamental guidé dans le coeur de la fibre et les modes du premier anneau d'indice haut. Ces couplages se
traduisent par une augmentation des pertes (cf. pic (a) sur la figure 2). Un de ces couplages a été observé
expérimentalement (en retirant la SMF de sortie) et est présenté sur la figure 2.
L'atténuation spectrale du premier mode d'ordre élevé (noté LP
11
) a également été calculée. On constate alors
qu'autour de la longueur d'onde de Bragg (
~0,8 µm) le rapport entre les pertes de propagation du mode LP
11
et
du mode LP
01
avoisine 100. Cette fibre peut alors être considérée monomode. L'aire effective du mode LP
01
guidé à 833 nm a été calculée et est presque cinq fois supérieure à celle des fibres conventionnelles monomodes
à cette longueur d'onde (140 µm
2
contre 30 µm
2
) présentant une longueur d'onde de coupure (
c
) égale à
0,75 µm et une ouverture numérique (ON) de 0,1 et deux fois supérieure à celle des fibres à large mode
(
c
= 0,75 µm et ON = 0,06). Une telle fibre optimisée pour un guidage à 1,55 µm est en cours de
caractérisation.
Des études théoriques et expérimentales concernant le dopage du coeur d'une telle fibre avec un matériau
optiquement actif (ytterbium dans notre cas) sont menées. L'objectif de ces recherches est la fabrication d'un
laser fibré de très forte puissance (puissance délivrée de plusieurs watts en continu).
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
10
500
600
700
800
900
1000
1100
Longueur d'onde (nm)
Pertes de propagation du mode
fondamental LP01 (dB/m)
Atténuation calculée
Atténuation mesurée
SMF
(ëc=770nm)
Fibre de Bragg (L=30m)
SMF 28
(a)
(a)
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
10
500
600
700
800
900
1000
1100
Longueur d'onde (nm)
Pertes de propagation du mode
fondamental LP01 (dB/m)
Atténuation calculée
Atténuation mesurée
SMF
(ëc=770nm)
Fibre de Bragg (L=30m)
SMF 28
(a)
(a)
SMF
(ëc=770nm)
Fibre de Bragg (L=30m)
SMF 28
SMF
(ëc=770nm)
Fibre de Bragg (L=30m)
SMF 28
(a)
(a)
1.45
1.454
1.458
1.462
1.466
1.47
-40
-20
0
20
40
Rayon (µm)
Indice de réfraction
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Intensité normalisée du mode fondamental LP01
1.45
1.454
1.458
1.462
1.466
1.47
-40
-20
0
20
40
Rayon (µm)
Indice de réfraction
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Intensité normalisée du mode fondamental LP01
(
c
=770nm)
22