Fabrication of Fiber Bragg Gratings Using Femtosecond Laser Direct-Writing Techniques

Les réseaux de Bragg (FBGs) sont des composantes essentielles dans plusieurs systèmes de fibre optique. Le sujet principal de cette thèse porte sur la fabrication des FBGs par écriture directe avec un laser femtoseconde. L'écriture directe est une technique employée pour modifier l'indice de réfraction de composés de verre dans une région contrôlée et localisée. Pour la fabrication de FBGs, cette technique peut être utilisée pour créer une variation périodique de l'indice de réfraction dans la fibre, une période à la fois. Dans cette étude, un système d'écriture directe capable d'inscrire des structures de FBG avancées est développé. Différentes méthodes sont présentées pour atteindre la capacité à inscrire des structures arbitrairement complexes avec une grande qualité. À l'aide de la réflectométrie fréquentielle, une nouvelle méthode pour suivre la position du cœur de la fibre est démontrée. Durant le processus d'écriture, la position de chaque modification d'indice de réfraction est contrôlée grâce à une stratégie pour suivre et synchroniser la position des plateformes de translation. Cette stratégie de contrôle est utilisée pour implémenter une puissante technique d'apodisation s'appuyant sur la modulation de phase. Pour fabriquer des FBGs avec une réflectivité élevée et une perte d'insertion faible, une approche multi-pulse est investiguée. Afin d'illustrer le potentiel du système d'écriture directe, plusieurs FBGs typiquement difficiles à fabriquer sont réalisés. En premier lieu, la capacité à inscrire un profil d'apodisation ou de phase arbitrairement complexe est démontrée par la fabrication d'un FBG nécessitant un contrôle précis de l'apodisation sur une large plage dynamique et avec une haute résolution spatiale. Par la suite, des capteurs de forme distribués sont produits dans des fibres avec un revêtement en polyimide et d'une longueur de l'ordre du mètre. Finalement, deux nouveaux filtres de phase servant au traitement de signal optique sont fabriqués et testés. Le premier de ces filtres est un FBG de 69 mm de longueur pour la compensation de la dispersion de la vitesse de groupe des signaux haute-vitesse traversant un lien de télécommunication de 70.56 km. Le design novateur de ces filtres permet de créer des dispositifs dont la longueur est 2.2 fois plus petite qu'un FBG conventionnel chirpé linéairement.

Abstract

Fiber Bragg gratings (FBGs) are key components in many fiber optics systems. The main topic of this thesis is on the fabrication of FBGs using femtosecond laser direct-writing. Direct-writing refers to the techniques employed to modify the refractive index of glass compounds over a controlled and localized area. For the fabrication of FBGs, these techniques can be used to create a periodic refractive index variation in a fiber, one period at the time. In this work, a flexible direct-writing system capable of inscribing advanced FBG structures is developed. Different methods are presented to achieve the ability of inscribing any arbitrary complex structures with high quality. Using optical frequency domain reflectometry, a novel method to track the fiber core position is demonstrated. During the writing process, the position of each refractive index modification is controlled using a strategy based on position synchronized output tracking of the translation stages. This control strategy is used to implement a powerful apodization technique relying on phase modulation. To achieve FBGs with high reflectivity and low insertion loss, a multi-pulse approach is investigated. To show the potential of the direct-writing system, several challenging gratings are realized. First, the ability to inscribe any types of arbitrary complex apodization or phase profiles is demonstrated by fabricating an FBG that requires control of apodization over a high dynamic range, and with a spatial resolution of at most 10 µm. Then, fully distributed optical fiber shape sensors are produced in meter-long polyimide coated fibers. Finally, two novel phase-only filters for signal processing are fabricated and tested. The first is a 69 mm long FBG for group velocity dispersion compensation of high-speed data signals passing through a 70.56 km telecommunication link. The novel design of this filter enables devices with a length 2.2x smaller than a conventional linearly chirped FBG. The second filter is a unique 213 mm ultra-long FBG that can impart an exact