Brevet FR3007536A1 — publié le 20141226

Composant optique à fibre La présente invention concerne un composant optique à fibre. Le guidage de la lumière dans une fibre optique est utile pour de très nombreuses applications. La plus connue concerne la transmission 5 d'information par voie optique dans des fibres de silice. Dans ce cadre, en plus de la transmission simple des signaux optiques, il est nécessaire d'inclure dans un réseau des composants actifs ou passifs pour agir sur le signal optique transmis comme par exemple des amplificateurs optiques ou des lignes à retard. 10 Par exemple pour une fibre amplificatrice, celle-ci peut être dopée par des matériaux (tels que des ions de terres rares) afin de leur conférer des propriétés d'émission ou d'amplification de la lumière. De nombreuses applications capteurs exploitent aussi des fibres optiques. On utilise alors la modification des propriétés optiques de la 15 fibre suite à une interaction avec le monde extérieure : pression sur la fibre, changement de température, présence à proximité ou dans la fibre de matériaux modifiant l'indice optique. Pour guider la lumière dans une fibre on distingue à ce jour deux modes de guidage, le guidage réfractif et le guidage par un miroir. 20 Le guidage réfractif est la méthode la plus utilisée en optique, notamment dans les fibres de silice. Le principe consiste à utiliser les lois de Descartes sur la réfraction, c'est-à-dire de faire en sorte que les rayons lumineux soient en permanence en réflexion totale à l'interface entre le coeur de la fibre et le milieu extérieur. 25 Dans ce mode de guidage, le coeur de la fibre est constitué d'un matériau d'indice plus élevé que la gaine. Ce saut d'indice permet le phénomène de réflexion totale. Cette méthode de transport de la lumière est très efficace puisqu'en principe les photons sont totalement contraints à résider dans le coeur. ICG30175 Elle a permis la réalisation de systèmes de communication très longue distance. Remarquons cependant que l'écart d'indice entre le coeur et la gaine est assez faible, ce qui a deux conséquences principales : L'angle critique sera important et les rayons se propagent donc à l'intérieur de la fibre avec une direction de propagation proche de celle de l'axe de la fibre. Il en résulte aussi une vitesse de propagation des photons selon l'axe, encore appelée vitesse de groupe, importante. En outre, la distribution latérale du champ électromagnétique sera, 10 de part de la faible différence d'indice, assez large (de l'ordre de 1011m dans une fibre monomode transportant un signal à une longueur d'onde de 1.55pm). Or, pour certaines applications qui exploitent l'interaction entre la lumière et un matériau actif, il est utile d'une part de confiner latéralement 15 les photons et, d'autre part, de les ralentir afin que le temps d'interaction soit le long possible. C'est le cas des capteurs ainsi que des lasers ou amplificateurs à fibres cités dans l'introduction. Pour simplifier, si la lumière fait plus de zigzag, son interaction avec le matériau, pour une longueur de fibre donnée, durera plus longtemps. On peut ainsi réaliser 20 des composants plus compacts et/ou plus efficaces. Il faudrait donc utiliser une méthode de guidage qui permette à la lumière, dans un matériau de faible indice, de faire des allers-retours dans la fibre quasiment perpendiculairement à l'axe et donc de se propager lentement selon l'axe de la fibre. 25 Une solution est le guidage par miroir. Si on dispose d'un miroir parfait, au sens usuel du terme, entourant le coeur de la fibre, la lumière sera réfléchie quelque soit sa direction de propagation. Elle pourra donc se propager avec une vitesse de groupe « lente » le long de l'axe de la fibre. Dans le domaine optique, pour réaliser un miroir presque parfait, 30 des solutions sont fondées sur des processus de diffraction et d'interférence et consistent à structurer un matériau diélectrique (non ICG30175 absorbant) autour du coeur de la fibre afin de bloquer les photons. On connait notamment deux types de fibres micro-structurées : - Les fibres à cristaux photoniques : il s'agit de fibres dans lesquelles un réseau de trous a été réalisé dans la silice. Dans ce cas la micro-structuration permet de réaliser un miroir dans les directions transverse à l'axe de la fibre. Cependant, le faible contraste d'indice entre la silice et l'air fait que le miroir n'est efficace que pour des angles de propagation par rapport à l'axe relativement faibles et on retrouve les problèmes de la méthode réfractive. - Les fibres» de Bragg : Dans ce cas, la gaine est constituée d'une succession de couches cylindriques d'indices différents. Ce multicouche cylindrique agit comme un miroir interférentiel. Cette solution répond donc au besoin formulé, c'est-à-dire qu'elle permet la réflexion d'une onde se propageant dans la direction normale à l'axe de la fibre : on obtient bien de la « lumière lente ». La présente invention vise à proposer un composant optique à fibre optique, qui puisse être de faible longueur et dans lequel les interactions lumière-matière (effets non linéaire, amplification stimulée, sensibilité à l'environnement) peuvent être mieux contrôlées (renforcées ou plus généralement modifiées). A cet effet, l'invention propose un composant optique à fibre comprenant: - une fibre optique, - au moins un miroir interférentiel cylindrique intégré dans la fibre optique et formé d'inclusions longitudinales réalisées dans un matériau dont l'indice de réfraction n est supérieur ou égal à deux c fois l'indice de réfraction n, de la fibre optique. Grâce au miroir interférentiel constitué de plusieurs inclusions ICG30175 longitudinales parallèles à l'axe de la fibre et réalisée en un matériau d'indice de réfraction élevé disposé sur un contour afin de former un cylindre / une couronne, on réalise un fort confinement pour des angles de réflexion quasi nulle, permettant d'exalter les interactions lumière-matière 5 dans des fibres qui peuvent être courtes, notamment inférieur à lcm. De façon avantageuse, cette solution permet d'exploiter la technologie de fabrication mise en oeuvre pour fabriquer les fibres optiques à coeur cristallin, c'est-à-dire une technique de tirage dérivée des technologies usuelles de fabrication de fibres optiques. 10 Le composant à fibre peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison : Selon un aspect le miroir interférentiel comporte au moins une première couronne d'au moins cinq inclusions longitudinales intégrées dans au moins une portion de la fibre optique et sensiblement 15 parallèles à l'axe de la fibre optique, les inclusions longitudinales étant disposées de façon quasi-régulière sur une courbe fermée, notamment un cercle en section transversale de la fibre optique. Le miroir interférentiel peut en outre comprendre une deuxième couronne d'au moins cinq inclusions longitudinales intégrées dans au 20 moins une portion de la fibre optique et sensiblement parallèles à l'axe de la fibre optique, les inclusions longitudinales étant disposées de façon quasi-régulière sur une courbe fermée, notamment un cercle en section transversale de la fibre optique, la deuxième couronne ayant un diamètre supérieur à la première couronne et étant disposé de façon 25 concentrique autour de la première couronne d'inclusions longitudinales. Selon un autre aspect le composant optique à fibre peut comprendre un second miroir interférentiel formé d'une deuxième couronne d'au moins cinq inclusions longitudinales intégrées dans au moins une 30 portion de la fibre optique et sensiblement parallèles à l'axe de la fibre ICG30175 optique, les inclusions longitudinales de la seconde couronne étant disposées de façon quasi-régulière sur une courbe fermée, notamment un cercle en section transversale de la fibre optique, la deuxième couronne étant disposé à côté de la première couronne d'inclusions longitudinales selon une vue en section transversale. Les inclusions longitudinales sont par exemple formées de barreaux de section elliptique, de préférence de section circulaire, ou de section polygonale. Selon encore un autre aspect, les barreaux remplissent le critère suivant 1 Â 10> [2xrxn, -4-2xr)xnfj>- 2 où - X est la longueur d'onde de la lumière destinée à être injectée dans la fibre, - r est le rayon d'un barreau - d est la distance entre deux barreaux. Selon encore un autre aspect, les barreaux remplissent le critère suivant : 0.05 Cette fente peut être remplie d'un matériau optiquement actif. L'invention concerne en outre l'utilisation d'un composant optique à fibre tel que défini ci-dessus pour réaliser un ou plusieurs des composants optiques suivant formé par le groupe : fibre amplificatrice, fibre laser, détecteur à fibre optique, ligne optique à retard, mémoire optique, capteurs optique. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description de l'invention, ainsi que des figures suivantes parmi lesquelles : - la figure 1 montre un composant optique à fibre selon un premier mode de réalisation, - la figure 2 montre une vue en coupe transversale du composant optique à fibre de la figure 1, - la figure 3 montre un composant optique à fibre selon un second mode de réalisation, - la figure 4 montre une vue en coupe transversale du composant optique à fibre de la figure 2, ICG30175 - la figure 5 montre un composant optique à fibre selon un troisième mode de réalisation, - la figure 6 montre un composant optique à fibre selon un quatrième mode de réalisation, - la figure 7 montre un composant optique à fibre selon un cinquième mode de réalisation - la figure 8 montre un composant optique à fibre selon un sixième mode de réalisation - la figure 9 montre un composant optique à fibre selon un septième mode de réalisation. Sur toutes les figures, les mêmes éléments sont référencés par les mêmes numéros de référence. Les figures 1 et 2 montrent un premier mode de réalisation d'un composant optique à fibre 1 selon l'invention. Ce composant à fibre 1 comprend une fibre optique 3 et au moins un miroir interférentiel cylindrique 5 intégré dans la fibre 3. Le miroir interférentiel cylindrique 5 est formé d'inclusions longitudinales 7 réalisées dans un matériau dont l'indice de réfraction nc est supérieur ou égal à deux fois l'indice de réfraction n, de la fibre. Le miroir interférentiel comporte au moins une première couronne 8 d'au moins cinq inclusions longitudinales 7 (dans le présent cas 12 inclusions dans la figure 2) intégrées dans au moins une portion d'une longueur 1 prédéterminée de la fibre optique ou sur toute la longueur de la fibre optique et sensiblement parallèles à l'axe longitudinale de la fibre. Les inclusions longitudinales 7 sont disposées de façon quasi- ICG30175 régulière, voire régulière (comme montré sur la figure) sur une courbe fermée dont le rayon de courbure est grand devant la distance entre les inclusions 7, (dans le présent exemple, la courbe fermée est un cercle 10 (en traits hachurés)) vu en section transversale de la fibre optique 3. Ainsi, on peut obtenir un confinement substantiel même pour des rayons lumineux ayant pratiquement une direction de propagation proche d'une direction radiale de la fibre optique 3. En effet, les inclusions longitudinales 7 forment une sorte de cage dont le comportement électromagnétique collectif empêche la fuite des photons dans des directions radiales, maintenant les photons dans deux directions dans l'espace. Il a été observé qu'une seule couronne 8 est suffisante pour obtenir une cage efficace. On a noté une disposition « quasi-régulière », car en effet, une légère modification (inférieur à 25%) de la périodicité des inclusions longitudinales 7 permet, selon l'application souhaitée de décentrer par exemple un mode de la cage formée par le miroir interférentiel 5. Selon le mode de réalisation des figures 1 et 2 les inclusions longitudinales 7 sont formées de barreaux de section elliptique, de préférence de section circulaire ou encore de forme polygonale. Pour la fabrication d'une telle fibre, on peut s'inspirer du document US 2011/103756A1, notamment des figures 10, 11 et 12 où à la place des conducteurs, on utilise un matériau à indice de réfraction élevé pour des inclusions longitudinales 7 qui formeront sur la fibre fini le miroir interférentiel 5. Il est clair qu'un tel composant à fibre optique 1 est réalisé pour une plage de longueur d'onde donnée, notamment de l'ordre du um, par exemple d'environ 1,5 mn, et c'est la longueur d'onde du signal optique à injecter qui va conditionner le positionnement des inclusions ICG30175 longitudinales 7 les unes par rapport aux autres pour former un miroir interférentiel 5 efficace. Le positionnement des barreaux remplit le critère suivant : 10x2>[2xrxn +(o-2xr)xn f] >-il 2 où X est la longueur d'onde de la lumière destinée à être injectée dans la fibre, r est le rayon d'un barreau d est la distance entre deux barreaux voisins. Les barreaux remplissent en outre le critère suivant : 0.05 Pour une application laser, ce matériau optiquement actif peut par exemple être un verre dopé. Ceci aura comme avantage d'obtenir un ICG30175 composant à fibre de taille longitudinale réduite et d'avoir un contrôle fin des propriétés modales tant d'un point de vue spectrale que spatiale du laser ou de l'amplificateur ainsi fabriqué. Selon un autre exemple, le coeur 9 pourrait être formé d'un matériau optique non linéaire (pour de la conversion de fréquence, de la modulation de la détection...) qu'il soit semi-conducteur ou diélectrique. Le composant à fibre 1 permet de combiner ainsi un fort confinement de la lumière et une interaction importante. Selon un autre mode de réalisation non représenté, le coeur 9 de la fibre optique 3 peut être plein, c'est-à dire formé du même matériau que la fibre dans son ensemble. Les figures 3 et 4 montrent un autre mode de réalisation qui se distingue de celui des figures 1 et 2 par le fait que le coeur 9 de la fibre 3 est creuse. La fibre optique 3 comporte donc au centre du miroir interférentiel cylindrique 5 une cavité creuse 13. Dans ce cas, on peut par exemple faire circuler un fluide à l'intérieur de la cavité creuse 13, par exemple un fluide à analyser. Selon une autre application possible, on peut insérer ou faire circuler un fluide dans le but de fabriquer des sources (voir par exemple A. V. Vasudevan Nampoothiri et al. Opt. Mater. Express, 2(7):948-961, Jul 2012), ou des amplificateurs à gaz ou colorant ou des capteurs (détecteurs opto-fluidiques...). La figure 5 montre encore un autre mode de réalisation selon lequel le miroir interférentiel 5 comprend en outre une deuxième couronne 15 d'au moins cinq inclusions longitudinales 7 intégrées dans au moins une portion de la fibre optique 3 et sensiblement parallèles à l'axe de la fibre 3. Dans ce mode de réalisation, les inclusions longitudinales 7 sont également disposées de façon quasi-régulière, voir régulière comme ICG30175 montré sur la figure, sur une courbe fermée, notamment un cercle, vu en section transversale de la fibre optique. Dans la présente configuration la deuxième couronne 15 possède un diamètre supérieur à la première couronne 8 et est disposé de façon concentrique autour de la première couronne 8 d'inclusions longitudinales 7. La figure 6 montre encore un autre mode de réalisation selon lequel le composant à fibre 1 comprend un second miroir interférentiel formé par une deuxième couronne 17 d'au moins cinq inclusions longitudinales 7 intégrées dans au moins une portion de la fibre optique 3 et sensiblement parallèles à l'axe de la fibre. Dans ce mode de réalisation, les inclusions longitudinales 7 sont également disposées de façon quasi-régulière, voir régulière comme montré sur la figure, sur un une courbe fermée, notamment un cercle, vu en section transversale de la fibre optique 3 Cependant, à la différence de la figure 6, la deuxième couronne 17 est disposé à côté de la première couronne 8 d'inclusions longitudinales 7 selon une vue en section transversale. Cela permet d'utiliser par exemple la première couronne 8 formant un miroir interférentiel 5 comme source de lumière qui alimente le capteur que constitue la seconde couronne 17. Cela peut aussi être deux capteurs permettant une mesure simultanée de deux grandeurs permettant de définir des rapports de concentration dans un fluide. La figure 7 montre encore un autre mode de réalisation selon lequel sur une portion du miroir interférentiel 3, une fente 19 est ménagée dans la fibre optique 3. Ceci peut par exemple se faire à l'aide d'acide fluorhydrique qui permet de graver une fente dans la fibre 3 en laissant les inclusions longitudinales 7 indemnes. Dans ce cas, un fluide peut traverser la fente 19, par exemple pour une utilisation de la fibre en tant que capteur. Bien entendu, on peut envisager plusieurs fentes au long du composant à fibre 1. ICG30175 La figure 8 montre une évolution qui se distingue de la figure 7 par le fait que la fente est remplie d'un matériau optiquement actif 21, par exemple un matériau optiquement émetteur / amplificateur, un matériau non linéaire, thermoactif ou photoréfractif. Un tel composant à fibre 1 peut servir pour réaliser une source laser, un détecteur ou encore un modulateur optique. La figure 9 montre un autre mode de réalisation selon lequel le miroir interférentiel cylindrique 5 dépasse une extrémité libre de la fibre optique d'une longueur prédéterminée, par exemple de qq jim à une dizaine de pin. Dans ce cas, le composant à fibre 1 peut être utilisé par exemple comme sonde environnementale qui peut être trempée dans un fluide comme détecteur. Selon une autre variante le miroir interférentiel cylindrique 5 dépassant l'extrémité de la fibre optique 3 peut être laissée à l'air libre afin de détecter des vibrations (microphone, sismographe ...). Tous les modes de réalisation précédemment décrits peuvent être combinés entre eux sans sortir du cadre de la présente invention. Le composant optique à fibre 1 tel que décrit ci-dessus peut donc être utilisé pour réaliser un ou plusieurs des composants optiques suivant formé par le groupe : fibre amplificatrice, fibre laser, détecteur à fibre optique, ligne optique à retard, mémoire optique, capteurs optique. L'avantage est d'utiliser des effets photoniques pour augmenter les qualités optiques (émission absorption, optique non linéaire, sensibilité à l'environnement) intrinsèques du matériau utilisé, ceci dans un composant à fibre assez court avec une forte interaction entre la lumière injectée d'une part et un matériau optiquement actif d'autre part, ce qui est rendu possible grâce à une vitesse de groupe réduite de la lumière. On aura donc des composants optoélectroniques et des ICG30175 capteurs à meilleur rendement, plus compact, mieux contrôlés spectralement, ceci sans utiliser de nouveaux matériaux. En utilisant par exemple les propriétés non linéaires d'un matériau optiquement actif présent dans le coeur de la fibre, on peut notamment réaliser des sources optiques aux propriétés inatteignables par d'autres moyens (lasers par ex.). Ainsi, en introduisant dans le composant à fibre un signal lumineux à une longueur d'onde donnée, on peut obtenir un signal à une autre longueur d'onde (conversion de fréquence) où un signal présentant une large bande spectrale (super-continuum). L'efficacité de ces mécanismes de conversion dépend très fortement du confinement du champ électromagnétique au lieu du matériau non linéaire. Pour une puissance d'excitation donnée, la densité d'énergie électromagnétique sera d'autant plus grande que le confinement dans le sens radiale du mode est grand et que la vitesse de groupe est faible. Le composant à fibre décrit ci-dessus est donc une structure de choix pour obtenir dans ce domaine des composants compacts et à faible coût énergétique. Le présent composant à fibre, notamment dans le cas où la fibre optique 3 renferme en outre un matériau optiquement actif à l'intérieur du miroir interférentiel 5, permet la propagation d'un mode optique extrêmement confiné et de faible vitesse de groupe, ce qui permet un rendement important avec un encombrement très limité. ICG30175 REVENDICATIONS1. Composant optique à fibre (1) comprenant: - une fibre optique (3), - au moins un miroir interférentiel cylindrique (5) intégré dans la fibre optique (3) et formé d'inclusions longitudinales (7) réalisées dans un matériau dont l'indice de réfraction n est supérieur ou égal c à deux fois l'indice de réfraction n, de la fibre optique (3). 2. Composant optique à fibre (1) selon la revendication 1, dans lequel le miroir interférentiel (5) comporte au moins 10 une première couronne (8) d'au moins cinq inclusions longitudinales (7) intégrées dans au moins une portion de la fibre optique (3) et sensiblement parallèles à l'axe de la fibre optique (3), les inclusions longitudinales (7) étant disposées de façon quasi-régulière sur une courbe fermée, 15 notamment un cercle (10) en section transversale de la fibre optique (3). 3. Composant optique à fibre (1) selon la revendication 2, dans lequel le miroir interférentiel (5) comprend en outre une deuxième couronne (15) d'au moins cinq inclusions 20 longitudinales (7) intégrées dans au moins une portion de la fibre optique (3) et sensiblement parallèles à l'axe de la fibre optique (3), les inclusions longitudinales (7) étant disposées de façon quasi-régulière sur une courbe fermée, notamment un cercle en section transversale de la fibre 25 optique (3), la deuxième couronne (15) ayant un diamètre supérieur à la première couronne (8) et étant disposé de façon concentrique autour de la première couronne (8) d'inclusions longitudinales (7). ICG301755 4. Composant optique à fibre selon la revendication 2, dans lequel il comprend un second miroir interférentiel (5) formé d'une deuxième couronne (17) d'au moins cinq inclusions longitudinales intégrées (7) dans au moins une portion de la fibre optique (3) et sensiblement parallèles à l'axe de la fibre optique (3), les inclusions longitudinales (7) de la seconde couronne (17) étant disposées de façon quasi-régulière sur une courbe fermée, notamment un cercle en section transversale de la fibre optique, la deuxième couronne (17) étant disposé à côté de la première couronne (8) d'inclusions longitudinales selon une vue en section transversale. 5. Composant optique à fibre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les inclusions longitudinales (7) sont formées de barreaux de section elliptique, de préférence de section circulaire, ou de section polygonale. 6. Composant optique à fibre selon la revendication 5, dans lequel les barreaux (7) remplissent le critère suivant : 1 Â 10> [2xrxn,+(d-2xr)xnfp- 2 où à être injectée - X est la longueur d'onde de la lumière destinée dans la fibre, - r est le rayon d'un barreau 25 - d est la distance entre deux barreaux. ICG30175 10 15 20 7. Composant optique à fibre selon la revendication 5 ou 6, dans lequel les barreaux (7) remplissent le critère suivant : 0.05 8. Composant 1 à 7, caractérisé en ce que pour une longueur d'onde micrométrique, la fibre optique (3) est réalisé en silice et les inclusions longitudinales (7) sont réalisées en silicium. 9. Composant 1 à 8, caractérisé en ce que la fibre optique (3) comporte au centre du miroir interférentiel cylindrique (5) un matériau optiquement actif (11), en particulier un matériau optiquement amplificateur ou non-linéaire. 10. Composant optique à fibre selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la fibre optique (3) comporte au centre du miroir interférentiel cylindrique (5) une cavité creuse (13). 11. Composant optique à fibre selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le miroir interférentiel cylindrique (5) dépasse une extrémité libre de la fibre optique (3) d'une longueur prédéterminée. 12. Composant optique à fibre selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel sur une portion du miroir interférentiel (5), une fente (19) est ménagée dans la fibre optique (3). 13. Composant optique à fibre selon la revendication 12 dans lequel la fente (19) est remplie d'un matériau optiquement actif (21). ICG30175 14. Utilisation d'un composant optique à fibre selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 pour réaliser un ou plusieurs des composants optiques suivant formé par le groupe : fibre amplificatrice, fibre laser, détecteur à fibre optique, ligne optique à retard, mémoire optique, capteurs optique. ICG30175