Fabrication et applications des réseaux de Bragg ultra-longs

Cette thèse présente les principales réalisations accomplies dans le cadre du projet de doctorat. Cette soumission par articles présente quatre publications effectuées au cours du projet de recherche ayant comme thème central les réseaux de Bragg. Réalisée pour la première fois en 1978, l'écriture par laser ultra-violet (UV) de réseaux de Bragg à fibre est de nos jours une technique mature et répandue autant en industrie qu'en milieu académique. Leur propriété de réfléchir la lumière se propageant au travers des fibres optiques a mené à diverses applications en télécommunications, en lasers, ainsi qu'en divers capteurs de température, force, pression et indice de réfraction. La technique établie de fabrication se base généralement sur l'utilisation d'un masque de phase, élément relativement coûteux dont les caractéristiques se répercuteront sur le réseau de Bragg obtenu lors de son balayage par rayon UV. La fibre optique étant photosensible à ces longueurs d'onde, un motif périodique (le réseau de Bragg) peut y être « écrit ». La longueur maximale, la période, sa variation à travers le réseau (le chirp), le contraste d'indice et l'apodisation sont tous des caractéristiques qui pourront dépendre du masque de phase utilisé. Le premier objectif du projet de recherche est d'arriver à passer outre cette forte dépendance aux caractéristiques du masque de phase dans l'écriture des réseaux de Bragg sans faire de compromis sur la qualité des composants obtenus. Ce dernier aspect est ce qui démarque particulièrement les techniques présentées par cette thèse des autres techniques présentées dans la littérature. La démarche fondamentale pour obtenir des réseaux ultra-longs de profils arbitraires consiste à substituer l'approche de balayer le laser UV à travers le masque de phase par une approche où le faisceau est fixe et où la fibre se déplace au travers du faisceau. Pour obtenir un motif périodique, les franges d'interférence elles-mêmes qui doivent se déplacer en tandem avec la fibre. Pour ce faire, deux techniques sont utilisées : une ayant recours à des modulateurs de phase électro-optiques placés dans chaque bras d'un interféromètre Talbot et l'autre utilisant un masque de phase monté sur actionneur piézoélectrique. Une nouvelle approche utilisant un déplacement fin de l'interféromètre est démontré pour la première fois comme étant essentielle à l'obtention de réseaux de Bragg ultra-longs de haute qualité. Des réseaux de Bragg ultra-longs (jusqu'à 1 mètre) de haute qualité (i.e. dont le spectre de transmission correspond aux prédictions théoriques) sont obtenus pour la première fois.

Abstract

This thesis presents the principal accomplishments realized during the PhD project. The thesis is presented by publication format and is a collection of four published articles having fiber Bragg gratings as a central theme. First achieved in 1978, UV writing of fiber Bragg gratings is nowadays a common and mature technology being present in both industry and academia. The property of reflecting light guided by optical fibers lead to diverse applications in telecommunication, lasers as well as several types of sensors. The conventional fabrication technique is generally based on the use of generally expensive phase masks which determine the obtained characteristics of the fiber Bragg grating. The fiber being photosensitive at those wavelengths, a periodic pattern can be written into it. The maximal length, the period, the chirp, the index contrast and the apodisation are all characteristics that depend on the phase mask. The first objective of the research project is to be able to go beyond this strong dependance on the phase mask without deteriorating grating quality. This is what really sets apart the technique presented in this thesis from other long fiber Bragg grating fabrication techniques available in the literature. The fundamental approach to obtain ultra long fiber Bragg gratings of arbitrary profile is to replace the scheme of scanning a UV beam across a phase mask to expose a fixed fiber by a scheme where the UV beam and phase mask are fixed and where the fiber is moving instead. To obtain a periodic index variation, the interference pattern itself must be synchronized with the moving fiber. Two variations of this scheme were implanted: the first one using electro-optical phase modulator placed in each arm of a Talbot interferometer and the second one using a phase mask mounted on a piezo electric actuator. A new scheme that imparts fine movements of the interferometer is also implemented for the first time and showed to be essential to achieve high quality ultra long fiber Bragg gratings. High quality theory matching ultra long fiber Bragg gratings up to 1 meter long are obtained for the first time. The possibility of fabricating high quality ultra long fiber Bragg grating of more than 10 cm (approximately the maximal phase mask length) opens a variety of new applications otherwise impossible with short fiber Bragg grating technology. Ultra long fiber Bragg gratings have unique characteristics such as high reflectivity, high dispersion and ultra narrow bandwitdth.