Révision du processus de fabrication de coupleurs fusionnés à quelques fibres

Ce mémoire se concentre sur la théorie et les méthodes de fabrication relatives à la fabrication de coupleurs directionnels à plus de 2 fibres. Plus spécifiquement, on s'intéresse à faire la révision du design de coupleurs doublement asymétriques dans le but de fabriquer des hybrides optiques complètement fibrés. Ce coupleur est défini par sa symétrie transverse et sa symétrie longitudinale. Sa coupe transverse, qu'on appelle structure ABAB, possède deux symétries miroir, mais ne possède pas la symétrie de rotation par 90°. Sa coupe longitudinale est définie par le fait qu'elle ne possède pas de symétrie de réflexion, contrairement aux coupleurs fibrés habituels. Sa structure qu'on qualifie de doublement asymétrique lui confère des propriétés particulières qui en simplifient la fabrication. Le coupleur doublement asymétrique est un équipartiteur de puissance inconditionnel et une seule condition doit être remplie lors de la fabrication afin de garantir qu'il ait le comportement d'un hybride optique. L'hybride optique doublement asymétrique possède une description mathématique simple et élégante. Elle nous permet de définir une métrique expérimentale, que nous appelons l'intégrant de l'hybride, permettant de déterminer sans ambiguïté le moment où la fabrication du composant doit être arrêtée. Elle nous permet aussi d'écrire sa dépendance en longueur d'onde de manière simple et compacte. La difficulté principale associée à la fabrication d'un coupleur à 3 ou 4 fibres est d'arriver à fabriquer la préforme fusionnée qui précède l'étape d'étirage. Des essais de fabrication de structures à 3 fibres ont montré qu'une technique utilisant des blocs de fusion spécialisés permet d'obtenir un rendement en fabrication des préformes se situant entre 13 et 18%. Pour augmenter ce rendement en fabrication, il sera nécessaire de fabriquer des coupleurs plus courts, qui permettront à leur tour de fabriquer des préformes fusionnées plus courtes. Dans cette optique, nous avons démontré que des dispositifs faisant intervenir des fibres à double gaine correctement paramétrées nous permettaient de réduire radicalement la taille de nos coupleurs fibrés. Des essais d'effilages de fibre simple ont montré expérimentalement qu'il était possible de réduire la taille d'un effilage adiabatique monomode d'un facteur 4, et ce, en gardant les pertes d'effilages en dessous de 0,06 dB sur l'ensemble de la plage λ∈ (630, 830) nm. Des calculs numériques ont montré qu'il serait possible d'obtenir un dispositif 20 fois plus court que son équivalent standard. Des calculs numériques ont aussi montré que des effilages simples de fibre à double gaine pourraient être utilisés pour effectuer des transitions très courtes à quelques modes. Ceci pourrait être utilisé pour fabriquer un nouveau type de composant qu'on appelle Dé/multiplexeur de modes spatiaux.

Abstract

This thesis focuses on the theory and manufacturing methods for the fabrication of directional fiber optic couplers with more than 2 fibers. More specifically, we are interested in reviewing the design of doubly asymmetrical couplers in order to manufacture optical hybrids made only from fiber optic. This coupler is defined by its transverse symmetry and its longitudinal symmetry. Its transverse section, called ABAB structure, has two mirror symmetries, but does not have rotation symmetry by 90°. Its longitudinal section is defined by the fact that it does not possess a symmetry of reflection , unlike other fiber couplers. Its so-called doubly asymmetrical structure gives it unique properties that simplify manufacturing. The doubly asymmetrical coupler is an unconditional power splitter and only one condition must be met during manufacture to ensure that it has the behavior of an optical hybrid. Furthermore, the doubly asymmetrical optical hybrid has a simple and elegant mathematical description. It allows to define an experimental metric, which we call the integrant of the hybrid, that dictates when the tapering process must be stopped. Also, the doubly asymmetrical optical hybrid has a wavelength dependence that can be written simply and has the potential to be made achromatic. The main difficulty associated with the manufacture of a coupler with 3 or 4 fibers is to manufacture the fused preform. Production yields ranging between 13 and 18 % have been achieved in essays intended to make 3 fibers fused preform. These essays have been conducted using precisely made fusion blocks. To increase manufacturing yields even more, it is necessary to reduce the length of the fused preform which can only be made by reducing the total length of the coupler. We minimize the length of our directional couplers by modifying the index profile of the structure in order to reduce the coupling coefficient in between modes. This process is made by studying the adiabatic power criterion of the structure. We have demonstrated that by using properly parameterized double-clad fibers we were able to make radically shorter adiabatic components. This applies to single fiber taper and directional couplers. We have shown experimentally that single mode taper length can be reduced by a factor of 4, keeping the excess losses below 0.06 dB in λ∈ (630, 830) nm. Numerical calculations have shown that it would reduce the length of a single mode transition for a single fiber taper up to a factor 20. Numerical calculations have also shown that multimode transition could also be made shorter by using double clad fiber. In this case the single fiber taper is made using a properly parametrized double clad fiber whose core contains many modes.