Fabrication et caractérisation d'hybrides optiques tout-fibre

Ce mémoire traite de la fabrication et de la caractérisation de composants en fibres optiques comportant trois ou quatre fibres. On s'intéresse plus spécifiquement aux composants permettant de retrouver de façon non ambigüe l'amplitude et la phase d'une onde par rapport à une référence connue. Ce type de composant est souvent nommé hybride optique. Les composants à trois fibres placées en triangle sont étudiés de façon théorique pour réaliser un hybride optique, fabriqués, puis caractérisés en transmission et en phase. Les composants à quatre fibres placées en carré sont également étudiés théoriquement pour réaliser un hybride optique, puis fabriqués et caractérisés en transmission et en phase. L'objectif de ce mémoire est, dans un premier temps, de montrer qu'il est possible de réaliser des hybrides optiques avec les structures tout-fibre proposées. Dans un deuxième temps, des prototypes d'hybrides ont été réalisés et leurs caractéristiques évaluées et comparées à celles d'hybrides optiques idéaux, soit l'équipartition des signaux de sortie et les relations de phases spécifiques entre eux. Les prototypes d'hybrides sont fabriqués avec la méthode par fusion-étirage de fibres et la source de chaleur employée est une flamme à base de propane. Cette méthode est privilégiée car elle s'est avérée efficace et reproductible pour réaliser des coupleurs en fibres optiques. Ce procédé permet de contrôler les paramètres expérimentaux et peut ainsi s'adapter aux composants à plusieurs fibres. Les coupleurs à trois fibres réalisés ont une transmission totale en longueur d'onde de 85 % (-0,7 dB), le croisement est typiquement situé autour de 1 550 nm avec une transmission de 33 % (-4 dB) par branche. De plus, les phases relatives entre les signaux de sortie sont de 120 9°. Les coupleurs à quatre fibres réalisés ont une transmission de 89 % (-0,5 dB) avec un croisement typiquement situé autour de 1 550 nm avec une transmission autour de 25 % (-6 dB) sur chaque branche. Enfin, les phases relatives entre les signaux de sortie sont de 90 3°. Les applications possibles de tels composants sont dans le domaine de la détection cohérente.En télécommunications, il est intéressant de procéder au décodage de l'information de façon optique. Puisque dans certains systèmes actuels l'information est encodée en phase («Phase-Shift Keying»), il faut, pour effectuer le décodage, être en mesure de détecter sans ambiguïté la phase du signal, ce que l'hybride permet de faire. Étant donné que les composants sont réalisés dans des fibres standards, ils sont compatibles avec les montages fibrés et les appareils courants. Une autre application possible est en imagerie biomédicale avec des techniques de tomo

Abstract

In this thesis, we present the fabrication and characterization of optical hybrids made of all fibre 3 x 3 and 4 x 4 couplers. The three-fibre components are made with a triangular cross section, while the four-fibre components are made with a square cross section. All of these couplers have to exhibit equipartition of output amplitudes and specific relative phases of the output signals to be referred to as optical hybrids. These two types of couplers are first modelled to determine the appropriate set of experimental parameters to make hybrids out of them. The prototypes are made in standard telecommunication fibres and then characterized to quantify the performances in transmission and in phase. The objectives of this work is first to model the behaviour and physical properties of 3 x 3 and 4 x 4 couplers to make sure they can meet the requirements of optical hybrids with an appropriate set of fabrication parameters. The next step is to make prototypes of these 3 x 3 and 4 x 4 couplers and test their behaviour to check how they fulfill the requirements of optical hybrids. The experimental set-up selected is based on the fusion-tapering technique to make optical fibre components. The heat source is a micro-torch fuelled with a gas mix including propane and oxygen. This type of set-up gives the required freedom to adjust experimental parameters to suit both 3 x 3 and 4 x 4 couplers. The versatility of the set-up is also an advantage towards a repeatable and stable process to fuse and taper the different structures. The fabricated triangular-shape couplers have a total transmission of 85 % (-0,7 dB), the crossing is typically located around 1 550 nm with a transmission of around 33 % (-4 dB) per branch. In addition, the relative phases between the output signals are 1209°. The fabricated square-shape couplers have a total transmission of 89 % (-0,5 dB) with a crossing around 1 550 nm and a transmission around 25 % (-6 dB) per branch. The relative phases between the output signals are 90 3°. As standard telecommunications fibres are used to make the couplers, the prototypes are compatible with all standard fibered set-ups and benches. The properties of optical hybrids are very interesting in coherent detection, where an unambiguous phase measurement is desired. For instance, some standard telecommunication systems use phase-shift keying (PSK), which means information is encoded in the phase of the electromagnetic wave. An all-optical decoding of signal is possible using optical hybrids. Another application is in biomedical imaging with techniques such as optical coherence tomography (OCT), or to a more general extend, profilometry systems. In state-of-the-art techniques, a conventional interferometer combined with Fourier analysis only gives absolute