Brevet FR2980277A1 — publié le 20130322

FIBRE OPTIQUE MICROSTRUCTUREE A GRAND COEUR ET A MODE FONDAMENTAL APLATI, ET PROCEDE DE CONCEPTION DE CELLE-CI, APPLICATION A LA MICROFABRICATION PAR LASER DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne une fibre optique microstructurée à grand coeur (en anglais, large core), permettant d'obtenir un mode fondamental aplati, ainsi qu'un procédé de conception de cette fibre. Par « grand coeur », on entend un coeur dont le diamètre vaut au moins 10 pm. Et par « mode fondamental aplati », on entend un mode fondamental dont l'intensité a un profil transverse aplati ; il convient de noter que le diamètre du mode fondamental est alors peu différent du diamètre du coeur ; et lorsque ce dernier est grand (supérieur ou égal à 10 pm), le diamètre du mode fondamental l'est donc aussi. L'invention s'applique notamment aux procédés de microfabrication par laser, par exemple aux procédés de marquage par laser et aux procédés de découpe par laser, ou aux procédés reliés à l'interaction lumière-tissus biologiques pour la thérapie et les diagnostics. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Afin d'obtenir une fibre optique à mode fondamental aplati, il est connu de placer, autour du coeur de la fibre, un anneau dont l'indice optique est légèrement supérieur à celui dudit coeur. A ce sujet, on se reportera au document [1] qui, comme les autres documents [2] à [7] cités par la suite, est mentionné à la fin de la présente description. Toutefois, la fibre optique décrite dans le document [1] présente l'inconvénient d'avoir un coeur de faible diamètre. L'utilisation d'un anneau autour d'un grand coeur dopé aux terres rares est connue par les documents [2] et [3]. Mais la fibre optique dont il est question dans ces documents est multimode et, pour obtenir un seul mode, à savoir le mode fondamental, à la sortie de cette fibre, on effectue une discrimination par le gain. En effet, par rapport aux autres modes, le mode fondamental aplati possède un meilleur recouvrement sur le coeur dopé. Il s'agit de la seule réalisation expérimentale d'un large mode aplati que l'on connaisse dans l'état de la technique. L'image expérimentale du mode obtenu à la sortie de la fibre se trouve à la figure 7 du document [4]. Le profil obtenu est très imparfait. Cela est attribué à la réalisation pratique de la fibre, qui ne permet pas d'obtenir des sauts d'indice parfaits. Une fibre optique permettant un confinement du mode au moyen d'une structure à trous d'air, ainsi qu'un aplatissement du mode au moyen d'un anneau, est connue par le document [5]. Le rapport d/A du diamètre d des trous d'air de la microstructure décrite, à l'espacement A de ces trous, est de l'ordre de 0,4 ; cela conduit à un coeur multimode pour ce type de structure. Toutefois, aucune démonstration expérimentale n'est donnée. Les paramètres de la fibre décrite dans le document [5] semblent en outre irréalistes. En particulier, la différence d'indice optique entre l'anneau et le coeur est extrêmement faible - elle vaut 3x10-4 - et elle est extrêmement difficile, voire impossible, à obtenir lors de la fabrication de la fibre. Une fibre optique microstructurée, à coeur dopé très petit (quelques micromètres de diamètre) et sans anneau, est également connue par le document [6]. En fait, on ne connaît actuellement aucune solution satisfaisante pour obtenir, à la sortie d'une 15 fibre optique passive, un seul mode aplati ayant un diamètre au moins égal à 10 }gym : - les fibres à coeur passif proposées dans les documents [1] et [6] ne permettent d'obtenir qu'une faible taille de mode (aire effective inférieure à 20 100 pm2) ; - l'aspect multimode de la conception de la fibre connue par le document [2] oblige à utiliser cette fibre lorsqu'une amplification est nécessaire, afin de bénéficier de la discrimination par le gain. Or, dans 25 certains cas (mise en forme spatiale, transport d'énergie, amplification non-linéaire par exemple), il est indispensable de disposer d'une fibre passive ; remarquons que dans de tels cas, la discrimination par la courbure est toutefois possible ; 30 - les paramètres de la fibre proposée dans le document [5], notamment l'écart d'indice de l'anneau de cette fibre, est extrêmement difficile, voire impossible, à réaliser expérimentalement. D'une manière générale, les conceptions proposées dans l'état de la technique ne sont pas 5 réalistes car elles ne prennent pas en compte les contraintes de fabrication. Dans l'état de la technique, on ne trouve d'ailleurs qu'une seule réalisation expérimentale d'une fibre à mode fondamental aplati (voir le document [2]). 10 Cette réalisation est toutefois peu convaincante car le faisceau lumineux obtenu à la sortie de la fibre ne peut être considéré comme aplati (voir le document [4]). Les auteurs du document [2] reconnaissent d'ailleurs que la réalisation pratique de la fibre ne 15 permet pas d'obtenir des sauts d'indice suffisamment contrôlés. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour objet une fibre 20 optique microstructurée, ne présentant pas les inconvénients de celles qui sont mentionnées plus haut. De façon précise, la présente invention a pour objet une fibre optique microstructurée à grand coeur et à mode fondamental aplati, comprenant : 25 -un coeur dont le diamètre vaut au moins 10 }gym, -un anneau qui entoure le coeur, dont l'indice optique dépasse celui du coeur d'une valeur An et dont le rayon externe dépasse le rayon interne d'une 30 valeur AR, et -une gaine optique (en anglais, optical cladding) qui entoure l'anneau et comporte des trous longitudinaux et dont l'indice optique moyen est inférieur à l'indice optique du coeur, caractérisée en ce que An est supérieur à 10-3 et AR est lié à An par la relation AR=OE/(An) où OE est dans l'intervalle allant de 5x10-4 }gym à 5x10-2 }gym, p est dans l'intervalle allant de 0,5 à 1,5 et OE et p dépendent de la longueur d'onde X de la lumière destinée à être guidée par la fibre optique microstructurée, du nombre de trous longitudinaux manquants dans celle-ci (à cause de la présence du coeur et de l'anneau), du diamètre d des trous longitudinaux, de l'espacement A de ceux-ci et de l'indice optique du coeur. Selon un mode de réalisation préféré de la fibre optique microstructurée, objet de l'invention, le nombre de trous longitudinaux manquants est égal à 7. On dit alors que la fibre présente un défaut de 7. Le coeur de la fibre optique microstructurée, objet de l'invention, peut être dopé ou non dopé. Par exemple, il peut être dopé par des ions de terres rares ou non dopé par de tels ions. Selon un premier mode de réalisation particulier de l'invention, le coeur est en silice non dopée, p vaut 1 et OE est donné par la formule suivante : = 2,489x10-2 (d/A) 0,25 x2/A. où OE est exprimé en micromètres lorsque d, A et X le sont également. Selon un deuxième mode de réalisation particulier de l'invention, le coeur est en silice dopée à l'ytterbium et l'aluminium de manière à augmenter l'indice optique de la silice pure d'environ 1,5x10-3, R vaut 0,905 et OE est donné par la formule suivante : OE = 1,046x10-2 (x/A) 0,19 où OE est exprimé en micromètres lorsque A et X le sont également. Selon un troisième mode de réalisation particulier de l'invention, le coeur est en silice dopée à l'ytterbium et l'aluminium de manière à augmenter l'indice optique de la silice pure d'environ 5x10-3, p vaut 0,87 et OE est donné par la formule suivante : OE = 1,327x10-2 (x/A) 0,05 où OE est exprimé en micromètres lorsque A et X le sont également. La présente invention concerne aussi un procédé de conception de la fibre optique microstructurée, objet de l'invention, dans lequel : -on choisit X, -on choisit le nombre de trous longitudinaux 20 manquants, -on choisit le rapport d/A, -on choisit le taux T de dopage du coeur, T étant supérieur ou égal à 0, -on choisit A, 25 -on choisit An, et -on détermine AR par ladite relation de façon à obtenir un mode fondamental aplati à la sortie de la fibre lorsqu'on injecte une lumière de longueur d'onde X à l'entrée de celle-ci. La présente invention concerne en outre un procédé de microfabrication par laser, dans lequel on utilise la fibre optique microstructurée, objet de l'invention, pour guider la lumière émise par le laser. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : -la figure 1A est une vue en coupe transversale schématique d'un exemple de la fibre optique microstructurée, objet de l'invention, et la figure 1B montre le profil radial de l'indice optique pour cet exemple de fibre, -la figure 2 montre les variations de l'épaisseur AR de l'anneau, permettant l'obtention d'un profil aplati, pour la fibre optique de la figure 1A, en fonction du contraste d'indice An, pour un défaut de 7 et diverses valeurs de l'espacement A, -la figure 3A montre le profil transverse du mode guidé dans cette fibre lorsque A vaut 30 pm et An vaut 2x10-3, et la figure 3B montre les variations de l'intensité lumineuse I dans la fibre, suivant l'axe X de la figure 3A, qui fait un angle de n/6 (30°) avec l'axe horizontal x de la figure 3A, -la figure 4 est un diagramme de variations de planéité r.m.s (moyenne quadratique) exprimées en %, en fonction de An et AR, lorsque A vaut 30 pm, et -la figure 5 montre le profil radial de l'indice optique d'une fibre optique conforme à l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 1A est une vue en coupe transversale schématique d'un exemple de la fibre optique microstructurée, objet de l'invention, permettant d'obtenir un mode fondamental aplati, de grand diamètre. La figure 1B montre le profil d'indice de la fibre représentée sur la figure 1A, suivant une coupe horizontale, c'est-à-dire les variations de l'indice optique n en fonction du rayon R (profil radial). L'intérêt de la microstructuration est notamment d'assurer un comportement quasi-monomode, même pour un coeur de grande taille par rapport à la longueur d'onde X de la lumière qui se propage dans la fibre. La fibre représentée sur la figure 1A comprend : -une partie centrale constituée d'un coeur 2 dont l'indice optique est noté N, et d'un anneau 4 dont l'indice optique est égal à N+An où An (saut d'indice) est strictement positif, et -une gaine optique 6 entourant l'anneau 4, comportant des inclusions d'air et ayant un indice optique moyen nFsm inférieur à l'indice optique N du coeur 2. Plus précisément, dans l'exemple représenté sur la figure 1A, la gaine optique 6 comporte des trous longitudinaux 8 qui sont parallèles à l'axe de la fibre. La gaine 6 est constituée du même matériau que le coeur mais, du fait de l'existence de ces trous, l'indice nFsm est inférieur à N. Dans l'exemple, le coeur 2 est en silice pure ; l'anneau 4 a une taille sub-micronique et il est en silice légèrement dopée au germanium ; le rayon interne de l'anneau est noté R1, son rayon externe R2 et son épaisseur AR (AR=R2-R1) ; et la gaine 6 est de type air-silice. Remarquons que le diamètre du coeur 2 vaut 2R1, avec 2R1>10 }gym conformément à l'invention. Les paramètres de la microstructuration sont le diamètre d des trous d'air 8 et l'espacement A de ceux-ci. Comme on le voit sur la figure 1A, afin de constituer le coeur 2 entouré par l'anneau 4, le trou ou capillaire central est remplacé par le matériau solide, constitutif du coeur, et les six trous ou capillaires correspondant à la première couronne de trous sont remplacés par le matériau solide, constitutif de l'anneau. Le nombre de trous manquants est donc égal à 7 et l'on dit que la fibre présente un défaut de 7. Cette géométrie permet d'agrandir la taille du mode fondamental sans trop agrandir le pas (en anglais, pitch) A du réseau de trous. On rappelle que pour une telle géométrie, il faudrait un rapport d/A égal à 0,046 pour obtenir un seul mode de propagation quel que soit X/A (voir le document [7]). Le rapport d/A doit être le plus petit possible (typiquement d/A inférieur à 0,25) pour que le nombre de modes guidés soit le plus faible possible. Le rayon externe R2 de l'anneau 4 est imposé par la fabrication de la fibre. A cause du positionnement des capillaires utilisés pour former la gaine 6, il faut au minimum un espacement égal à A/2 entre le cylindre externe, de rayon R2, délimitant l'anneau 4, et le centre du premier trou d'air rencontré, ce qui correspond à un rayon externe maximum égal à (2,/i-e. 2 Le mode aplati est obtenu lorsqu'il y a couplage entre le mode fondamental du coeur 2 et le mode dans l'anneau 4. La planéité du profil d'intensité transverse du mode fondamental est optimisée pour le couple (An ; AR). Un exemple d'optimisation pour d/A = 0,25 est donnée sur la figure 2. On rappelle que An (saut d'indice ou contraste d'indice) est la différence entre l'indice optique de l'anneau 4 et celui du coeur 2, et que AR représente l'épaisseur de l'anneau. Plus précisément, la figure 2 donne l'épaisseur de l'anneau permettant l'obtention d'un 20 profil aplati, en fonction du contraste d'indice, pour un défaut de 7, pour plusieurs espacements A entre les trous d'air, à savoir A=8,5 }gym (courbe I), A=17 }gym (courbe II) et A=30 }gym (courbe III) et pour d/A = 0,25. La figure 3A montre le profil transverse du 25 mode guidé dans la fibre microstructurée, représentée sur la figure 1A (défaut de 7), pour un pas A de 30 }gym, un contraste d'indice An de 2x10-3 et un rapport d/A de 0,25. Pour ce contraste d'indice, la figure 2 montre que l'épaisseur AR de l'anneau doit être égal à 305 nm. La figure 3B montre les variations de l'intensité lumineuse I (en W/m2) suivant l'axe X de la figure 3A, qui fait un angle de n/6 rd (30°) avec l'axe horizontal x de la figure 3A. On précise que seul un quart de la fibre est représenté sur la figure 3A par raison de symétrie. L'aire effective du mode fondamental obtenu est alors de 64201=2 pour la structure entière. La structure représentée sur la figure 1A et la variation de l'épaisseur de l'anneau en fonction du contraste d'indice, donné par la figure 2, permettent d'obtenir un mode fondamental aplati. Contrairement aux propositions de conception qui sont présentées dans l'état de la technique, les paramètres de la fibre optique sont calculés, dans la présente invention, en prenant en compte les contraintes de fabrication. Il s'agit donc d'une amélioration des dimensionnements connus dans l'état de la technique. Cette amélioration permet de résoudre le problème de la fabrication d'une fibre optique à mode fondamental aplati, problème qui n'avait pas été résolu jusqu'à présent. Les contrastes d'indice An, que l'on peut lire sur la figure 2, sont réalisables par la technique OVD, c'est-à-dire la technique de dépôt externe en phase vapeur (en anglais, outside vapor deposition), soit par dépôt de silice dopée au germanium autour d'un barreau de silice pure, soit par dépôt de silice pure autour d'un coeur dopé au fluor. La technologie actuelle de fabrication permet de contrôler les dimensions de l'anneau à quelques pourcents près et d'obtenir un contraste d'indice à 5x10-4 près. La figure 4 est un diagramme des variations de la planéité (variations r.m.s. exprimées en %) pour 5 une fibre optique ayant un défaut de 7, un pas A de 30 }gym et un rapport d/A de 0,25, en fonction des paramètres An et AR. Sur la figure 4, on voit que An varie autour de 2x10-3 et AR autour de 300 nm. Ces variations sont 10 calculées à partir du taux de modulation Mspa (I(x, m y))_ iuAsurface où le symbole <> 2 (I2 (x, y)) msurface - (I(x, y))___ n fmsurface correspond à la valeur moyenne calculée sur 80% de la surface du mode. Les valeurs des variations, définies par 15 Mspa, sont donc inférieures à 7%, même pour une plage de valeurs de AR (différence de rayons) plus importante que la précision typique de fabrication. Dans la présente invention, les paramètres de la structuration de la fibre optique ainsi que les 20 incertitudes sur ces paramètres sont compatibles avec les technologies de fabrication actuelles, contrairement aux fibres optiques connues dans l'état de la technique. En particulier, bien que le dimensionnement de la fibre optique divulguée par le document [5] semble 25 proche du dimensionnement d'une fibre optique conforme à la présente invention, cette fibre, connue par le document [5], n'est pas réalisable expérimentalement, contrairement à une fibre conforme à l'invention. Il convient en outre de noter que, dans la présente invention, afin d'obtenir un dimensionnement prenant en compte les contraintes de fabrication, il est nécessaire de réaliser des optimisations numériques. Les paramètres utilisés ne sont donc pas obtenus directement à partir d'une loi ou de valeurs connues dans l'état de la technique. On notera aussi que, malgré le fort intérêt que représente une fibre à mode fondamental aplati, on ne trouve dans l'état de la technique qu'une seule réalisation expérimentale d'une telle fibre (voir le document [2]). Cette réalisation expérimentale connue est d'ailleurs peu convaincante car l'intensité du faisceau obtenu à la sortie de la fibre est très faiblement aplati (voir le document [4]). Cela montre clairement que le dimensionnement n'est pas trivial. On précise ci-après le raisonnement utilisé pour le dimensionnement d'une fibre optique conforme à l'invention : - on choisit la longueur d'onde X de la lumière guidée dans la fibre (par exemple X=1 }gym ou X=1,55 }gym) , - on choisit le nombre de capillaires remplacés par un coeur solide dans la structure à trous (par exemple un défaut de 7), - on choisit le rapport d/A (par exemple d/A=0,12), - on choisit le taux de dopage T du coeur par des ions de terres rares (T>0), ce qui détermine l'indice du coeur N (voir la figure 5), et - on choisit l'espacement entre les trous d'air A, ce qui détermine le diamètre des trous d, le rayon externe R2 (figure 5) et l'indice optique effectif ou indice optique moyen nFSM de la gaine optique. Il existe alors une relation entre l'épaisseur AR de l'anneau et le contraste d'indice An. Cette relation est la suivante : AR- oe WY Les valeurs des paramètres a(exprimé en }gym) et (3 dépendent des paramètres choisis précédemment (longueur d'onde X, valeur du défaut, rapport d/A, valeur N de l'indice optique du coeur résultant de l'éventuel dopage, espacement A entre les trous d'air). Les valeurs des paramètres la et p sont données ci-après pour différentes configurations. I) Le coeur est en silice non dopée. OE est donné par la formule suivante : OE = 2,489x10-2(d/A)"25X2/A où OE est exprimé en micromètres lorsque d, A et X sont également exprimés en micromètres ; et (3 vaut 1. II) Le coeur est en silice dopée à l'ytterbium et à l'aluminium ; et le dopage entraîne une différence d'indice par rapport à de la silice pure d'environ ônyb = 1,5x10-3. la est donné par la formule suivante : OE = 1,046x10-2(X/A)0,19 où OE est exprimé en micromètres lorsque A et X sont également exprimés en micromètres ; et p vaut 0,905. III) Le coeur est dopé à l' ytterbium et à l'aluminium ; et le dopage entraîne une différence d'indice par rapport à de la silice pure d'environ Snyb = 5x10-3. OE est donné par la formule suivante : OE = 1,327x10-2 (x/A) 0,05 où OE est exprimé en micromètres lorsque A et X sont également exprimés en micromètres ; et p vaut 0,87. D'une manière générale, plus le dopage du coeur est important, plus la variation de OE en fonction de A est faible (la structure de la gaine optique a moins d'effet sur les valeurs optimales des paramètres An et AR relatifs à l'anneau dopé au germanium). Il est important de noter que les variations entre l'épaisseur AR de l'anneau et le contraste d'indice An, qui résultent de la relation (1) et des valeurs ci-dessus, sont différentes de celles qui sont données par la formule analytique que l'on trouve dans le document[5]. Cette formule donne des résultats trop approximatifs pour que la conception qui en résulte donne un mode fondamental aplati. On précise que, d'une manière générale, on a : An>10-3, 5x10-4 pm Ning, "Photonic crystal fiber with a flattened fondamental mode for the fiber lasers", Opt. Commun. 282, 2232-2235 (2009) [6] X. Lu, Q. Zhou, J. Qiu, C. Zhu et D. Fan, "Design guidelines and characteristics of beam-shaping microstructure optical fibers", Opt. Commun. 259, 636-639 (2006) [7] K. Saitoh, Y. Tsuchida, M. Koshiba et N. Asger Mortensen, « Endlessly single-mode holey fibers : the influence of core design », Opt. Express 26, 10833 (2005). REVENDICATIONS1. Fibre optique microstructurée à grand coeur et à mode fondamental aplati, comprenant : -un coeur (2) dont le diamètre vaut au moins }gym, -un anneau (4) qui entoure le coeur, dont l'indice optique dépasse celui du coeur d'une valeur An et dont le rayon externe dépasse le rayon interne d'une 10 valeur AR, et -une gaine optique (6) qui entoure l'anneau et comporte des trous longitudinaux (8) et dont l'indice optique moyen est inférieur à l'indice optique du coeur, caractérisée en ce que An est supérieur à 10-3 et AR est lié à An par la relation AR=OE/(An) où OE est dans l'intervalle allant de 5x10-4 }gym à 5x10-2 }gym, p est dans l'intervalle allant de 0,5 à 1,5 et OE et p dépendent de la longueur d'onde X de la lumière destinée à être guidée par la fibre optique microstructurée, du nombre de trous longitudinaux manquants dans celle-ci, du diamètre d des trous longitudinaux (8), de l'espacement A de ceux-ci et de l'indice optique du coeur (2). 2. Fibre optique microstructurée selon la revendication 1, dans laquelle le nombre de trous longitudinaux manquants est égal à 7. 3. Fibre optique microstructurée selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans laquelle le coeur (2) est non dopé. 4. Fibre optique microstructurée selon la revendication 3, dans laquelle le coeur (2) est en silice non dopée, p vaut 1 et OE est donné par la formule suivante : = 2,489x10-2(d/A)"25X2/A où OE est exprimé en micromètres lorsque d, A et X le sont également. 5. Fibre optique microstructurée selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans laquelle le coeur (2) est dopé. 6. Fibre optique microstructurée selon la revendication 5, dans laquelle le coeur (2) est en silice dopée à l'ytterbium et l'aluminium de manière à augmenter l'indice optique de la silice pure d'environ 1,5x10-3, p vaut 0,905 et OE est donné par la formule suivante : = 1,046x10-2 (x/A) 0,19 où OE est exprimé en micromètres lorsque A et X le sont 25 également. 7. Fibre optique microstructurée selon la revendication 5, dans laquelle le coeur (2) est en silice dopée à l'ytterbium et l'aluminium de manière à 30 augmenter l'indice optique de la silice pure d'environ x10-3, p vaut 0,87 et a est donné par la formule suivante : = 1,327x10-2(1/A)°'°5 où a est exprimé en micromètres lorsque A et 1 le sont 5 également. 8. Procédé de fabrication de la fibre optique microstructurée selon la revendication 1, dans lequel : -on choisit ?, -on choisit le nombre de trous longitudinaux manquants, -on choisit le rapport d/A, -on choisit le taux T de dopage du coeur (2), 15 T étant supérieur ou égal à 0, -on choisit A, -on choisit An, -on détermine AR par ladite relation de façon à obtenir un mode fondamental aplati à la sortie 20 de la fibre lorsqu'on injecte une lumière de longueur d'onde 2^, à l'entrée de celle-ci, et -on fabrique la fibre optique microstructurée, avec le nombre de trous longitudinaux et les paramètres d, T, A, An ainsi choisis, et le 25 paramètre AR ainsi déterminé. 9. Procédé de microfabrication par laser, dans lequel on utilise la fibre optique microstructurée selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 pour 30 guider la lumière émise par le laser. -