Fabrication et caractérisation d'hybrides optiques tout-fibre 120° et 90° achromatiques

Ce mémoire traite de la fabrication et de la caractérisation d'hybrides optiques tout-fibre. Les hybrides optiques tout-fibre ont la forme de coupleurs à trois (3 × 3) ou quatre fibres (4×4). Un hybride est un composant ayant deux fonctions, il sert de diviseur de puissance et d'interféromètre. Sa fonction d'interféromètre permet de trouver l'amplitude et la phase d'un signal optique par rapport à une référence. Un peu comme pour la radio, un oscillateur local joue le rôle de référence et interfère avec le signal dans l'hybride. L'amplitude complexe du signal est reconstruite avec les puissances sortantes de l'hybride. Cette technique est connue sous le nom de <détection cohérente>. Puisque ceci est le deuxième mémoire publié sur le sujet, l'objectif principal est d'améliorer le procédé de fabrication des coupleurs afin de le rendre plus répétable et reproductible. Puisque le procédé est semblable pour les deux types d'hybrides, c'est le coupleur 3 × 3 qui sert de plateforme de développement. L'objectif secondaire est de valider les concepts théoriques d'un hybride large bande sous forme de coupleur 4 × 4 doublement asymétrique. Les deux coupleurs en question sont étudiés théoriquement et les paramètres expérimentaux nécessaires à leur fabrication sont établis. La méthode de fabrication utilisée est celle de fusion-étirage, utilisée depuis plusieurs années pour la fabrication de coupleurs à deux fibres et de fibres effilées. Elle consiste à maintenir de façon tangente les fibres optiques et de les fusionner en une structure monolithique avec une flamme au propane. La structure est ensuite étirée à chaud avec des moteurs linéaires. Le procédé est arrêté lorsque le composant atteint la réponse optique désirée et il est ensuite emballé dans un tube protecteur. L'étape cruciale du procédé est le maintien des fibres dans la géométrie voulue et les nouveaux moyens employés pour accomplir ceci sont détaillés. Les méthodes de caractérisation en transmission et en phase sont détaillées et les résultats obtenus sont présentés. Le images des structures fusionnées sont présentées et discutées. Suite à cela, la caractérisation en transmission et en phase du coupleur 3 × 3 fabriqué est présentée. La dérive de la phase en longueur d'onde est aussi analysée sur toute la bande C (1530-1565 nm). Le composant fabriqué fonctionne de façon satisfaisante avec des pertes maximales de 0,8 dB et montre une dérive de la phase inférieure à 5 sur une plage de 40 nm. La capacité du coupleur à reconstruire la phase d'un signal modulé est démontrée par la génération d'un diagramme de constellation QPSK sur un oscilloscope. Pour la validation des concepts théoriques des hybrides large bande, une nouvelle recette de fusion-étirage est mise au point et validée expérimentalement.

Abstract

This thesis presents the fabrication and characterization of optical hybrids as all-fiber 3 × 3 and 4 × 4 couplers. A hybrid does two things; it splits power equally and acts as an interferometer. As an interferometer, it allows to accurately measure the amplitude and phase of an optical signal with respect to a reference signal. Like in a radio receiver, a local oscillator is used to interfere with the incoming signal to produce a beating signal. The complex amplitude is then rebuilt using the output signals of the hybrid. This is known as coherent detection. Since this thesis is a follow-up to a previous project, the main goal is to improve the fabrication process of the couplers in order to give it a certain level of repeatability and reproducibility. The 3 × 3 coupler will be used as a platform of development since the fabrication process is pretty much the same for both couplers. The secondary objective is to validate the theoretical concepts of a broadband hybrid in the form of an asymmetric 4 × 4 coupler. The theory explaining the functioning these couplers is presented and the experimental parameters necessary to their fabrication are derived. The fabrication method used is that of fusion-tapering that has been used for many years to produce 2×2 couplers and fiber tapers. The procedure consists of holding fibers together tangentially and fusing them into a monolithic structure with the help a propane flame. The structure is then tapered by linear motorized stages and the procedure is stopped when the desired optical response is achieved. The component is then securely packaged in a hollow metal tube. The critically step of the procedure is holding the fibers together in a desired pattern - a triangle for 3 × 3 couplers and a square or a diamond for 4 × 4 couplers. New methods to make this step more repeatable are highlighted. Several cross-sections of fused couplers are shown and the level of success of the new methods is discussed. The characterization methods in transmission and phase are described and the experimental results are presented. The transmission spectra of the 3 × 3 coupler that was built are presented. Its performances in phase at several wavelengths of the C band (1530-1565 nm) are measured and analyzed. The built hybrid has low loss (<0,8 dB) and shows a phase drift lower than 5 on about 40 nm. Its ability to measure phase accurately is demonstrated by demodulating a digital QPSK signal. In order to validate the theory of the broadband 4 × 4 hybrid, a new fusion-tapering approach is developed and tested. It is used to make biconical 2 × 2 couplers that allow to test the adiabatic transfer of supermodes, a core concept of broadband hybrids. This however does not yield the expected result and an alternative approach is proposed and tested.