Brevet FR2742881A1 — publié le 19970627

! PROCEDE ET SYSTEME D'INSCRIPTION POINT PAR POINT D'UN RESEAU DE BRAGG DANS UNE FIBRE OPTIQUE La présente invention concerne de manière générale les réseaux de Bragg, ou réseaux photoréfractifs, photoinscrits dans les fibres optiques. Plus précisément, l'invention concerne l'inscription point par point de ces réseaux. L'inscription d'un réseau de Bragg dans une fibre optique recourt au principe fondamental de variation de l'indice de réfraction du coeur de la fibre par illumination à l'U.V. tel que décrit dans le brevet américain US-A-4 474 427. Pour cette inscription, peut être utilisée à titre d'exemple, selon la technique antérieure, ou bien une technique d'holographie rappelée dans le document US-A-4 725 , ou bien une technique point par point décrite dans le brevet US-A-5 104 209, ou encore une technique à masque de phase divulguée dans le US-A-5 367 588. Cette dernière technique recourt à un masque de phase illuminé par un faisceau incident et situé au voisinage immédiat de la fibre. Dans le plan de la fibre, se produit une interférence entre les faisceaux d'ordres 1 et -1 diffractés par le20 masque. Le document intitulé "Point-by-point fabrication of micro-Bragg gratings in photosensitive fibre using single excimer pulse refractive index modification techniques" de B.MALO et al. publié dans ELECTRONICS LETTERS, 2 septembre25 1993, vol. 29, N'18 décrit une technique d'inscription point par point d'un réseau de Bragg. Chaque point est l'image d'une fente qui est focalisée par une lentille pour délimiter une tache de faisceau laser. La période requise pour le réseau afin qu'il réfléchisse la lumière au premier30 ordre pour la longueur d'onde 1558 nm, est de 533 nm. En pratique, selon la solution décrite dans ce document, il n'est pas possible d'inscrire un réseau de Bragg au premier ordre. La présente invention vise à remédier & l'inconvénient précité en fournissant des système et procédé d'inscription point par point d'un réseau de Bragg dans une fibre optique, le réseau étant inscrit au premier ordre. 5 A cette fin, un système d'inscription point par point d'un réseau de Bragg dans un guide optique comprenant des moyens d'illumination pour produire un faisceau primaire, est caractérisé selon l'invention en ce qu'il comprend, d'une part, un réseau de diffraction pour recevoir le10 faisceau primaire et produire un faisceau secondaire d'ordre 0 et deux faisceaux secondaires symétriques d'ordre supérieur et, d'autre part, un élément optique de focalisation pour focaliser les faisceaux secondaires sur une zone d'inscription du guide, lesdits réseau de15 diffraction et élément optique de focalisation définissant une fonction d'intensité d'inscription dans ladite zone du guide comprenant, d'une part, un pic central et, d'autre part, deux pics secondaires chacun distant du pic central d'une distance égale au pas du réseau.20 De préférence, le réseau de diffraction est un masque de phase. Par ailleurs, afin de réduire la dimension des optiques, le masque de phase et l'élément optique de focalisation peuvent être combinés sous la forme d'une25 unique optique diffractive. Selon une variante avantageuse, l'amplitude de chacun des deux pics secondaires est sensiblement la moitié de l'amplitude du pic central. Afin d'inscrire le réseau de Bragg sur une longueur étendue, le système de l'invention comprend des moyens de déplacement du guide relativement auxdits réseau de diffraction et élément optique de focalisation. Selon une réalisation, les moyens de déplacement sont sous la forme d'un dispositif piézo-électrique. Ces moyens de déplacement sont par exemple commandés, pour l'inscription d'une zone suivante, par des moyens de détection de type interférométrique. Le procédé d'inscription point par point d'un réseau de Bragg dans un guide optique selon lequel on forme un faisceau lumineux primaire, est caractérisé en ce que - on sépare le faisceau lumineux primaire en au moins un faisceau lumineux secondaire d'ordre 0 et deux faisceaux secondaires symétriques d'ordre supérieur, et - on focalise les faisceaux secondaires sur une zone d'inscription dudit guide, de sorte à définir une fonction d'intensité comprenant un pic central et deux pics secondaires chacun distant du pic central d'une distance15 égale au pas du réseau Il est, en outre, que l'on produit un déplacement relatif du guide par rapport à la tache de la fonction d'intensité, pour l'inscription de chaque point du réseau. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, en référence aux dessins annexés correspondants, dans lesquels: - la figure 1 montre un système selon l'invention d'inscription point par point d'un réseau de Bragg dans une fibre optique; - la figure 2 représente en coupe longitudinale une portion d'un réseau de diffraction du système de la figure 1; - la figure 3 montre la fonction d'intensité lumineuse produite par une combinaison d'un réseau de diffraction et d'une lentille de focalisation dans le système de la figure 1; - la figure 4 est une représentation d'une projection dans le plan focal d'une image reçue par la lentille de focalisation; et - la figure 5 illustre la transformation sous forme d'une optique diffractive de la lentille de focalisation. En référence & la figure 1, un système d'inscription point par point d'un réseau de Bragg dans une fibre optique comprend selon l'invention un réseau de diffraction 2, une lentille de focalisation 3. Un faisceau lumineux primaire 1 produit par une source laser, typiquement KrF à la longueur d'onde A = 249 nm, illumine une fibre optique 4 à travers successivement le réseau de diffraction 2 et la lentille de focalisation 3. Le réseau de diffraction 2 est par exemple sous la forme d'un masque de phase possédant un motif surfacique périodique d'onde rectangulaire définissant des dents successives sur une portion de longueur donnée. Cornmme montré sur la figure 3, le motif surfacique présente une période notée d comprenant un front bas et un front haut, ce dernier front formant la dent. Un tel réseau de diffraction produit des faisceaux diffractés de différents ordres, notamment un faisceau secondaire d'ordre 0, noté f(0) et20 deux faisceaux secondaires symétriques d'ordres supérieurs 1 et -1, notés f(1) et f(-1). Ces faisceaux secondaires se projettent sur la lentille de focalisation 3 qui er;réponse produit un motif élémentaire d'inscription de réseau de Bragg sur une zone de la fibre optique 4.25 De manière connue dans les réseaux de diffraction, la relation suivante est obtenue: d( sin i - sin 0) =m., o d est la période du réseau de diffraction 2, i est l'angle d'incidence du faisceau primaire, O est l'angle de diffraction du faisceau secondaire diffracté considéré, m est l'ordre de ce faisceau secondaire diffracté et A est la longueur d'onde du faisceau primaire. Dans la réalisation de la figure 1, l'angle i est tel que sin(i) = 0. Le faisceau d'ordre 0, soit f(0), est tel i = (O) et est donc diffracté suivant la normale n au masque de phase 2. Les deux faisceaux d'ordres respectifs 1 et (-1) sont tels que: d.sin(O) = A, soit: sin(G) = A/d. (1) En résultat de la focalisation par la lentille 3 des faisceaux primaire f(0) et secondaires f(1) et f(-1) produits par le réseau de diffraction 2, on obtient, sur la zone d'inscription de la fibre, une fonction d'intensité I du type représenté par la courbe C2 dans la figure 3. Cette courbe d'intensité C2, dont seule une moitié est représentée, comprend un pic central 10 et deux pics secondaires 11 résultant respectivement du faisceau secondaire d'ordre 0 et des deux faisceaux secondaires15 d'ordres 1 et (-1). La courbe C2 est incluse dans une enveloppe Cl. Comme montré dans la figure 4, dans le plan focal P de la lentille 3, le pas A du réseau à inscrire dans la fibre optique 4 est donné géométriquement par:20 A _ sin(O). f, soit sin (0) = A /f (2) En comparant les équations (1) et (2), l'on obtient: X/d = A/f, soit d = (f.X)/A (3) Par ailleurs, la dimension du spot de focalisation w du faisceau d'ordre 0, noté 10, doit être égal au pas A du réseau de Bragg à inscrire dans la fibre 4.30 Or, pour une lentille de distance focale f et de nombre d'ouverture fi = f/D, o D désigne le diamètre du faisceau, la dimension w du spot est donné par: w = 2.X.f# Il faut donc avoir: 2.1.f# = A. (4) Dans un exemple de réalisation selon lequel l'on souhaite obtenir un réseau de Bragg à 1558 nm, le pas A du réseau de Bragg doit être égal à 533 nm pour qu'il réfléchisse la lumière au premier ordre. Le faisceau lumineux primaire 1 a typiquement une longueur d'onde X = 249 nm. Il résulte donc de l'équation (4) pour cet exemple de réalisation: 2.(249). fj = 533, soit f# _ 1, ce qui est équivalent à dire que f = D. En reprenant l'équation (3) précisant que d = (f.X)/A, et sachant que le pas du réseau à inscrire A est égal à 2.. dans la réalisation choisie, l'on obtient d = (f/2) = (D/2). Ainsi, en prenant un faisceau primaire de diamètre égal à 25 mm, alors le motif surfacique d'onde rectangulaire du réseau de diffraction 2 possède une longueur D égale à 25 mm. Sachant que d = (D/2), la période d du motif surfacique est égale à 12, 5 mm. Le motif surfacique du réseau de diffraction 2 inclut donc deux périodes. La distance focale20 f de la lentille 3 est également de 25 mm. Comme montré dans la figure 5, une lentille de focalisation 3 de forme convergente est sensiblement équivalente à une lentille, dite de Fresnel, 31 en "dents de scie" gravée sur une épaisseur donnée. Cela résulte du fait que toute variation de la hauteur de la lentille induisant une différence de marche multiple de A pour l'onde reçue, peut ne pas être considérée. Cette lentille de Fresnel peut encore être approchée par un optique à motif surfacique à créneaux 32. Pour cela, chaque "dent de scie" de la lentille30 de Fresnel 31 est approximée par un front haut et un front bas correspondant respectivement aux partie haute et partie basse de la dent de scie. Une portion d'onde reçue à travers un front haut va être déphasée de x par rapport une portion d'onde reçue à travers un front bas.35 Chaque dent, ou front haut, du réseau de diffraction possède une hauteur h = hl associé & un déphasage de x/2 par rapport à un front bas. En pratique ce déphasage peut être différent de x/2, ce qui modifie les amplitudes relatives I entre pics principal 10 et secondaires 11. Parallèlement, chaque dent de la lentille de focalisation approximée 32 possède une hauteur h'= h2 associée à un déphasage de x par rapport à un front bas. Selon l'invention, il est envisagé que le masque de phase 2 et la lentille optique de focalisation approximée 32 soient tous deux combinés de sorte à utiliser une unique optique diffractive. Pour cela, on "superpose" le masque de phase et la lentille de focalisation approximée. La surface de l'unique optique diffractive est gravée de telle sorte qu'en chaque point la hauteur de dent soit égale à la somme des hauteurs de dent respectives du réseau de diffraction 2 et de la lentille de focalisation approximée 32, pour le point considéré. Dans l'unique optique diffractive, peuvent ainsi coexister des dents de hauteur hl, h2 ou (hl + h2). Alternativement, l'unique optique diffractive peut être réalisée en gravant une structure correspondant à la réponse souhaitée de l'ensemble réseau de diffractioon/lentille. En revenant à la figure 3, la fonction d'intensité I d'inscription d'une zone dans le plan focal de la lentille 3 comprend un pic central 10 et deux pics secondaires 11. Deux variantes peuvent être envisagées pour l'inscription des différentes zones successives destinées à former ensemble le réseau. Selon une première variante, après l'inscription d'une zone, la zone suivante est inscrite après déplacement de la fibre 4 relativement auxdits réseau de diffraction 2 et élément optique de30 focalisation 3, de sorte que pour la zone suivante, le pic central soit localisé au point d'un pic secondaire de la zone précédente, comme montré par la courbe en trait discontinu C3 dans la figure 3. Selon une seconde variante, après l'inscription d'une zone, la zone suivante est35 inscrite après un déplacement de la fibre 4, relativement auxdits réseau de diffraction 2 et élément optique de focalisation 3, égal au double du déplacement de la première variante. Ainsi, pour la zone suivante, le pic secondaire est localisé au point d'un pic secondaire de la zone précédente, comme illustré par la courbe C4 dans la figure 3. Selon cette seconde variante, l'amplitude de chacun des deux pics secondaires 11 doit être égale sensiblement & la moitié de l'amplitude du pic central 10. En pratique, cette condition est obtenue en prévoyant que chaque dent, ou front haut, du réseau de diffraction 2 possède une hauteur h = hl associé à un déphasage de x/2 par rapport à un front bas. En revenant à la figure 1, le déplacement de la fibre relativement aux réseau de diffraction 2 et élément optique de focalisation 3 est assuré au moyen d'un dispositif 5, par exemple sous la sous la forme d'un dispositif piézo- électrique. Il peut être prévu d'utiliser un dispositif de détection optique 6, de type interféromètre, situé dans le plan de la fibre 4. Ce dispositif de détection 5 mesure des déplacements en translation de la fibre. Le dispositif de déplacement 5 est commandé en conséquence par ce dispositif20 optique 6 pour l'inscription d'une zone suivante du réseau de Bragg. Le système décrit offre la possibilité d'inscrire des réseaux courts, typiquement inférieurs à 100 gm. En outre, selon l'invention, la distance entres pics secondaires 11 et25 pic central 10 peut être modifiée en utilisant un faisceau primaire 1 ou bien convergent ou bien divergent, selon une technique décrite dans la demande de brevet français non publiée N'9415132 incluse par référence dans la présente demande. Cette solution est intéressante en ce qu'elle30 permet de faire varier le pas du réseau. REVENDICATIONS 1 - Système d'inscription point par point d'un réseau de Bragg dans un guide optique (4), comprenant des moyens d'illumination pour produire un faisceau primaire (1), caractérisé en ce qu'il comprend, d'une part, un réseau de diffraction (2) pour recevoir ledit faisceau primaire (1) et produire un faisceau secondaire d'ordre 0 (f(0)) et deux faisceaux secondaires symétriques d'ordre supérieur (f(1); f(-1)) et, d'autre part, un élément optique de focalisation (3) pour focaliser lesdits faisceaux secondaires sur une zone d'inscription dudit guide (4), lesdits réseau de diffraction et élément optique de focalisation (2, 3) définissant une fonction d'intensité (I) d'inscription dans ladite zone du guide comprenant, d'une part, un pic central (10) et, d'autre part, deux pics secondaires (11) chacun distant du pic central d'une distance égale au pas (A) dudit réseau.20 2 - Système conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau de diffraction (2) est un masque de phase. 3 - Système conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que ledit masque de phase (2) et ledit élément optique de focalisation (3) sont combinés sous la forme d'une unique optique diffractive. 4 - Système conforme à l'une quelconque des revendicatios 1 à 3, caractérisé en ce que l'amplitude de chacun des deux pics secondaires (11) est sensiblement la30 moitié de l'amplitude du pic central (10). - Système conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de déplacement (5) dudit guide (4) relativement auxdits réseau de diffraction et élément optique de35 focalisation (2, 3). 6 - Système conforme & la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de déplacement (5) sont sous la forme d'un dispositif piézo-électrique. 7 - Système conforme aux revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de déplacement (5) sont commandés, pour l'inscription d'une zone suivante, par des moyens de détection (6) de type interférométrique. 8 - Procédé d'inscription point par point d'un réseau de Bragg dans un guide optique selon lequel on forme un faisceau lumineux primaire (1), caractérisé en ce que, en outre, - on sépare ledit faisceau lumineux primaire en au moins un faisceau lumineux secondaire d'ordre 0 et deux faisceaux secondaires symétriques d'ordre supérieur, et15 - on focalise lesdits faisceaux secondaires sur une zone d'inscription dudit guide, de sorte à définir une fonction d'intensité comprenant un pic central et deux pics secondaires chacun distant du pic central d'une distance égale au pas dudit réseau 9 - Procédé conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que l'on produit un déplacement relatif dudit guide par rapport à la tache de ladite fonction d'intensité, pour l'inscription de chaque point dudit réseau.