Développement de procédés de fabrication de coupleurs à fibre optique : application aux hybrides optiques

Les hybrides optiques permettent des mesures fiables de l'amplitude d'un signal optique et de sa phase relative par rapport à un signal de référence, ou oscillateur local. La théorie prédit que, par sa symétrie, un coupleur 3x3 de géométrie équilatérale constitue un hybride optique 120 lorsque celui-ci présente une équipartition des puissances. La méthode de fusion-étirage est utilisée pour fabriquer des hybrides optiques 120 tout-fibre à partir de coupleurs optiques 3x3. Des blocs d'étirage usinés au micron près contraignent trois fibres optiques SMF-28 à adopter une géométrie équilatérale tout au long de la fabrication des dispositifs. Les fibres sont fusionnées et étirées à l'aide d'une micro-torche dont la flamme est à base d'un mélange d'oxygène et de propane. Plusieurs approches différentes ont été testées afin d'identifier la meilleure façon de fabriquer des hybrides optiques de manière répétable. Ces approches sont : l'étirage sans fusion, l'utilisation de torsions, l'ajout d'une étape de préforme avant la fusion, la fusion par balayage et la fusion en un passage. L'approche qui a donné les meilleurs résultats est la fusion en un passage ; tous les composants ayant pu être caractérisés entièrement sont sortis de cette approche. Les composants fabriqués sont caractérisés en transmission par des mesures de pertes d'insertion pour des longueurs d'onde entre 1300 et 1600 nm. Leur phase relative est également caractérisée dans la bande C, de 1530 à 1565 nm. Les hybrides optiques caractérisés présentent des pertes d'excès se situant entre 0,54+-0,16 dB et 1,85+-0,21 dB de 1300 à 1600 nm et des ratios de couplage de 33,3% dont l'écart-type varie de 0,5 à 4,1% selon le dispositif à sa longueur d'onde de croisement. Les phases relatives des dispositifs caractérisés se situent entre 112,3+-0,9 et 123,2+-3,6 autour du 120 recherché et entre 236,6+-2,4 et 241, 6+-3, 6 pour le 240 pour toute la bande C. En comparaison avec les travaux antérieurs, les hybrides optiques entièrement caractérisés sont fabriqués sans tube de verre externe ou torsion pour maintenir la géométrie. Ils présentent généralement moins de pertes d'excès et une bonne stabilité en phase dans la bande C.

Abstract

Optical hybrids enable the unambiguous measurement of both the amplitude of an optical signal and its phase relative to a reference. A fusion-tapering technique is used to produce monolithic all-fiber 3x3 optical hybrids. By a symmetry argument, theory predicts that an equilateral triangular 3x3 coupler must form a 120 hybrid whenever a power equipartition is obtained during tapering. Precision-machined holding clamps constrain three SMF-28 fibers to an equilateral triangle geometry. An oxygen-propane micro-torch is used for the fusion and tapering steps. Several approaches have been tested to maximise the chances of having an equilateral ge-ometry of the fibers, thus a power equipartition. Those approaches are: tapering without fusion, fusion with or without twists, fusion with twists and with a preform of the fibers and fusion in one sweep. The fusion in one sweep and without twists produced the best results. All devices that were fully characterized were produced with the fusion without sweeping method. Fabricated devices are characterized with respect to insertion loss from 1300 to 1600 nm and relative phases in the C-band. Fabricated devices exhibit excess loss lying between 0,54 +- 0,16 dB and 1,85 +- 0,21 dB in the whole band, the coupling ratio is 33,3 +- 0,5 to 4,1% at their coupling wavelength. The relative phases are measured within 120±10 and 240+-10 across the whole C-band from 1530 to 1565 nm and showed a small variation of less than 3,6 for all devices. Compared to previous work, all-fibre hybrids are fabricated without an outer glass tube, exhibit lower excess loss and good phase tolerance over the whole C-band.