Étude des paramètres de conception d'un coupleur fusionné en verre fluoré

Les coupleurs fusionnés en fibre optique sont des composants essentiels à de nombreuses technologies optiques. À ce jour, seuls les systèmes fibrés en silice, et donc limités au visible et au proche infrarouge, se retrouvent hors laboratoire. Pour cause, les fibres optiques de verre fluoré, utilisées pour l'infrarouge moyen, présentent des propriétés mécaniques et chimiques qui nécessitent des conditions contrôlées lors de leur manipulation. Les procédés de fabrication de coupleurs fusionnés en silice ne conviennent pas aux verres fluorés. Dans ce projet, nous proposons l'utilisation d'une méthode de chauffage utilisant l'air chaud, pour fabriquer des composants fibrés. Parallèlement, nous suggérons un nouveau paramètre de conception : la viscosité des fibres devient l'assise du procédé de fabrication. Nous commençons d'abord par l'étude de la viscosité de deux fibres optiques de verre fluoré, le ZBLAN et le fluoroindate. En proposant un modèle théorique à un seul paramètre libre et une méthodologie minimaliste, nous arrivons à reconstruire la décroissance en viscosité autour des températures de procédé. Les résultats montrent une plage de température d'une largeur proche de 10 C pour la fabrication de composants pour les deux types de verre. À partir des données de viscosité, nous arrivons à faire des fibres effilées, une première étape vers les coupleurs fusionnés. Qui plus est, des fibres effilées de fluoroindate à très faibles pertes et sans cristallisation apparente sont fabriquées à une viscosité élevée de départ. Les essais expérimentaux s'avèrent moins concluants pour le ZBLAN, où la cristallisation demeure apparente, malgré un procédé à viscosité élevé. Enfin, l'étape cruciale de la fusion révèle rapidement les limites de la méthode de chauffage : le débit trop élevé sépare les fibres et empêche toute fusion. L'hypothèse de départ est que l'utilisation commune d'une méthode de chauffage à air chaud et de la viscosité comme paramètre de conception permettra la conception de coupleurs fusionnés en verre fluoré. Elle s'avère en partie vérifiée. Les résultats de fibres effilées de fluoroindate à faible pertes sont prometteuses. Un raffinement du système de chauffage sera un pas de plus vers les premiers coupleurs fusionnés en verre fluoré.

Abstract

Fused optical fiber couplers are key to the commercialization of optical systems. To this day, most applications outside of laboratories are limited to visible and near-infrared wavelengths. As fabrication methods for fused optical fiber coupler were developed mainly for silica fibers – which are transparent from the visible to the near-infrared – they reveal to be unadapted for specialty fibers. Fluoride glass fibers are among those fibers. Fluoride glasses o˙er a solution to the optical limits of silica. They are transparent from the visible to the mid-infrared. However, various challenges remain. Fluoride glasses possess critical mechanical and chemical properties. Therefore, actual fabrication methods for fused fiber couplers are unadapted to fluoride glasses. We suggest a new method for making fluoride glass optical fiber coupler. This method is based on two elements. Firstly, we use a heat source of warm air to heat the fibers. Secondly, by studying the viscosity of two fluoride glasses : ZBLAN and fluoroindate, we propose a new design parameter that deals with the challenging properties of those glasses. The viscosity around the fabrication temperature is measured using a simple method requiring cheap and accessible material. We extract the viscosity from strain values using a single parameter theoretical model. Results show ranges for fabrication temperature for both fibers are close to 10 C. A viscosity study leads quickly to taper fabrication, the first step towards fused couplers. Using the viscosity as a design parameter, we fabricate various tapers in ZBLAN and fluo-roindate. The best results are fluoroindate tapers made at high viscosity : they show low optical loss combined with virtually no cristallisation. Experimental results for ZBLAN ta-pers are not as conclusive. Even at high viscosities, cristallisation was prominent on the tapers. The last step before fused couplers is the fusion process. The heat source is, however, unadapted. Its flow separates the fibers instead of gluing them one to another. This project is based on the hypothesis that using an adapted method of heating – hot air – combined with using viscosity as a design parameter would lead to fused optical fluoride glass fiber couplers. Results are promising as fluoroindate tapers were successfully made. The missing part is a refined heating system with a lower mass flow, bringing us one step closer to a low-loss fused fiber coupler in fluoride glass.