CONCEPTION ET FABRICATION D’UNE NOUVELLE FIBRE A CRISTAL

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1 CONCEPTION ET FABRICATION D’UNE NOUVELLE FIBRE A CRISTAL
JNOG 2004 Paris, 27 Octobre 2004 CONCEPTION ET FABRICATION D’UNE NOUVELLE FIBRE A CRISTAL PHOTONIQUE COMPENSATRICE DE DISPERSION Frédéric Gérôme, J-L. Auguste, J-M. Blondy, P. Roy Institut de Recherche en Communications Optiques et Microondes, UMR CNRS n°6615, Université de Limoges,123, avenue A. Thomas, Limoges – France Merci Monsieur le Président. Bonjour à tous. Je suis Frédéric Gérôme et je vais vous présenter la conception et la fabrication d’une fibre à cristal photonique compensatrice de dispersion chromatique. Ce travail a été réalisé entièrement à l’IRCOM au sein de l’Equipe Optique Guidée et Intégrée, à l’Université de Limoges. Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 27 Octobre 2004

2 Fibre de ligne avec Dch>0 Fibre compensatrice avec Dch<<0
Introduction Solution retenue Fibre de ligne avec Dch>0 [Dch=16ps/(nm.km) à1550nm] Fibre compensatrice avec Dch<<0 Lfibre ligne Lfibre compensatrice Longueur à limiter “MODULE COMPENSATEUR DE DISPERSION DANS LA BANDE C BASE SUR UNE FIBRE A DEUX COEURS CONCENTRIQUES”, F. Gérôme, J.L. Auguste, S. Février, J. Maury, J.M. Blondy, L. Gasca, L. Provost, JNOG 2004. Pour améliorer les transmissions d’information dans les liaisons optiques existantes, il est nécessaire d’annuler la dispersion positive des fibres de ligne qui se situent aux alentours des 16 ps/(nm.km) en bande C. Pour cela, l’une des solutions consiste à associer à ces fibres une fibre compensatrice de Dch avec une longueur la plus faible possible. Hier j’ai présenté l’utilisation d’une unique fibre à 2cc dopé au Germanium fabriquée par le process MCVD où on a montré que dans ce cas le rapport de longueur se trouvait limité à une valeur de 20. fibre à 2cc fabriquée par le process MCVD rapport de longueur limité à  = 20 Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 27 Octobre 2004

3 Potentialité de la technologie air-silice
Fibre à 2cc MCVD Nouvelle fibre microstructurée Structure à 2cc  forte Dch<0 Conserver 1 structure à 2cc  forte Dch<0 les 2 cœurs dopés au Ge  n max de silice pure + différents trous d’air  n  (fct de d/) Dch limitées    20 Dch plus fortes   > 20 ? L’idée ici est donc de concevoir une nouvelle fibre compensatrice de dispersion dans le but d’améliorer les performances c.a.d d’obtenir des rapports de longueur > cette valeur limite de 20 tout en conservant des Dch résiduelles de l’ordre du dizième de ps/(nm.km). Pour cela nous avons choisi de travailler sur les fibres microstructurées pour les raisons suivantes : Tout d’abord il est important de se rappeler que le but premier est d’obtenir des Dch opposée à celles des fibres de ligne qui sont positives. Pour cela, la fibre devra présenter une structure à 2cc, condition nécessaire à la création de valeurs très négatives. Le dopant Germanium permettant de créer les 2 zones guidantes (les 2 cœurs) sera remplacé par l’utilisation unique de silice pure associée à des trous de différentes tailles. Il est connu que les delta n obtenus dans les fibres microstructurées prennent des valeurs très importantes (de l’ordre de ) et sont fonctions du rapport d/. Par conséquent, cette augmentation des différences d’indice devra avoir pour effet une augmentation des valeurs des Dch et donc une répercussion sur le rapport de longueur : on espère dépasser la valeur limite 20 obtenue hier. Cette solution ne met donc plus en œuvre le process MCVD. Process MCVD Élimination du process MCVD Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 27 Octobre 2004

4 Profil d’Indice de Réfraction
 Dch  ps/(nm.km) at 1558 nm1 7 à 8 couronnes de trous  bon compromis entre confinement du champ et fabrication « Guidage par réflexion total interne » « Fibre à 2cc microstructurée » Transposition n(r) rayon Pure silice Trous d’air n1 Coeurs dopés Germanium gaines internes et externes composées par silice pure n2 n(r) n3 n1 n2 n3 n3 Radius 1 Auguste & Al. «Conception, realization and characterization of a very high negative chromatic dispersion fiber» Invited Paper, Optical Fiber Technology  Il faut donc de transposer le profil d’indice de réfraction d’une fibre à 2cc MCVD dans une fibre microstructurée là où les n peuvent être très important. Pour créer une structure à 2cc, deux tailles différentes de trous d’air sont assemblées de façon particulière avec de la silice pure. On obtient alors un cœur central en silice pure entouré de trous d’air. La structure des couronnes de trous est parfaitement périodique. Dans l’exemple, la 4ème couronne est remplacée par une couronne composées de trous d’air de plus petites dimensions pour créer le cœur annulaire. On se limitera à des structures à 7 ou 8 couronnes : compromis entre bon confinement du champ et difficulté de fabrication. En conclusion, on a bien une structure à 2cc sans dopant Germanium donc le process MCVD est totalement éliminé. Il est à noter que le principe de guidage utilisé est celui du guidage par réflexion total interne. « Fibre à 2cc MCVD » Structure à 2cc non dopée : process MCVD totalement éliminé Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 27 Octobre 2004

5 Étude modale par la méthode des éléments finis
Équivalence profil n  (max en MCVD) fibre à saut d’indice 2r1 = 21.6 µm Évolution des indices effectifs « Méthode des éléments finis »   Exemple de structure retenue : pitch = 2.3 µm d = 1.4 µm  = 0.51 µm Anneau = 3ème couronne Accord de phase 0 Voici un exemple de couple de paramètres géométriques retenu présentant un fort n concernant le cœur central. Les simulations sont réalisées avec la méthode des éléments finis. Le comportement modal du mode fondamental de la structure appelé supermode est le suivant : à savoir qu’aux basses longueurs d’onde, toute la puissance se trouve dans le cœur central puis passe progressivement dans le cœur externe à partir de la longueur d’onde que l’on appelle longueur d’onde d’accord de phase (ici choisi pour être égale à 1550 nm). Par conséquent, on retrouve aussi la même évolution des indices effectifs en fonction de la longueur d’onde que celle que l’on a chez les fibres à 2cc MCVD. Il est à noter la présence d’un deuxième supermode opposé au premier.  guide central monomode  Aeff = 9.5 µm2 à 1550nm Comportement modale identique aux fibres classiques MCVD Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 27 Octobre 2004

6  le guide central est monomode avant 0 (moyennage tous les 2nm)
Détermination de la Dch Injection sélective dans le coeur central  le guide central est monomode avant 0  pour <0, Dch est dû uniquement au Supermode 1 Dch du Supermode 1 30 nm Dch = ps/(nm.km) à 1550 nm (moyennage tous les 2nm) Mais de la même façon que pour les fibres à 2cc MCVD, ce second supermode sera éliminer expérimentalement avant l’accord de phase grâce à une injection sélective. La courbe de Dch du supermode fondamental est obtenu en calculant les neff du mode avec un pas de 2nm pour coller avec la réalité des conditions de mesure. La courbe présente un minimum de dispersion de ps/(nm.km) à 1550nm et une largeur à mi-hauteur de 30 nm. Par conséquent, cette nouvelle fibre peut donc être utilisée pour annuler la Dch >0 des fibres de ligne. Cette nouvelle fibre présente une forte valeur négative de Dch Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 27 Octobre 2004

7 Dépendance de la Dch avec  et d
Variation du pitch Variation de d quand le  diminue quand le d augmente « La Dch est plus <0 décalée vers les basses longueurs d’onde et la FWHM plus étroite » Le pitch controle + significativement la valeur de Dch & d la FWHM (200nm pour 40%) (50nm pour 20%) Dans un deuxième temps, j’ai étudié l’influence des paramètres géométriques sur l’évolution de la courbe de Dch pour savoir si les modifications induites sont viables avec les tolérances de fabrication. Une diminution du pitch ainsi qu’une augmentation du diamètre des gros trous entraînent une augmentation de la valeur négative de la Dch, un décalage vers les basses longueurs d’onde et une réduction de la largeur à mi-hauteur de la courbe. On peut dire au vue des résultats trouvés que le pitch contrôle d’une façon plus significative la valeur de la Dch avec la possibilité d’atteindre des valeurs très négatives de l’ordre de –11000ps/(nm.km) dans notre exemple alors que le diamètre des trous à une influence plus forte sur la largeur à mi-hauteur. Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 27 Octobre 2004

8 Dépendance de la Dch avec  et couronnes
Variation de  Position du coeur annulaire compensation monocanal ou compensation WDM Simple avec la position de l’anneau En adaptant les paramètres géométriques : d,  and  pente de ps/(nm2.km) sur 35 nm WDM Dch devient plus <0 quand le nombre de couronne augmente mais sans modifier la 0 Important décalage vers les longueurs d’onde basses quand  diminue (500nm pour 25%) La même idée a été répétée pour étudier l’influence du diamètre des petits trous. Un important décalage vers les longueurs d’onde basse se produit avec la diminution du diamètre mais sans modifier de façon significative la valeur de la Dch minimale. Par contre, la position de l’anneau fait apparaitre un comportement singulier car son emplacement modifie la valeur minimale de Dch mais pas la longueur d’accord de phase. On a donc là une technique simple pour adapter le profil à la compensation monocanal ou WDM. Il est à noter, que pour ces applications WDM c’est-à-dire dans le cas où l’on cherche à obtenir une pente quasi linéaire sur 35nm, la configuration favorable est celle où l’anneau correspond à la seconde couronne de trous. Toutes ces différentes modifications induites par les variations des paramètres géométriques sont en accord avec les tolérances de fabrication. Modification en accord avec les tolérances de fabrication Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 27 Octobre 2004

9 Optimisation du profil pour le WDM
Très fortes Dch quand d/ → 1 Zone quasi linéaire sur 35nm quand anneau  2nde couronne 3 tailles différentes de trous zoom Pente = -8.8ps/(nm2.km) Dch = -2300ps/(nm.km) Rapport 150 avec =0.1ps/(nm.km) Les simulations précédentes ont mis en évidence l’apparition de très fortes valeurs négatives (-11000) lorsque le rapport d/ tend vers 1 et l’apparition de zone linéaire sur toute une bande de longueurs d’onde lorsque l’anneau correspond à la seconde couronne de trous. En tenant compte de ces évolutions, j’ai optimisé les paramètres géométriques pour l’application qui nous importe à savoir le WDM. Le zoom de la coupe transverse fait apparaître l’utilisation de 3 tailles différentes de trous : les trous de la première couronne ont été choisi les plus gros possible dans le but d’augmenter les n pour atteindre des valeurs de Dch les plus fortes possibles. La courbe de Dch montre que dans la bande C on obtient des Dch de ps/(nm.km) avec une pente de -8.8 ps/(nm2.km) ce qui permet d’atteindre un rapport égalisé de 150 tout en gardant une Dch résiduelle voisine de ce que l’on a avec une fibre MCVD. Le rapport de longueur est par conséquent 7.5 fois plus important que ce que l’on a avec les fibres en MCVD, du fait des forts n amené par les portions d’air.  Rapporttrous = 7.5  RapportMCVD Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 27 Octobre 2004

10 Fabrication test Première étape : capillaires Etapes suivantes :
Fabrication des capillaires à l’unité pour controler les caractéristiques Gros trous d’air 144, petits trous d’air 24, coeur central 1 avec le même dext pour obtenir le même pitch Préforme avec 7 couronnes Etapes suivantes : étirage manchonnage+étirage D = 25 mm D = 1.9 mm D = 35 µm L’étape suivante est donc la fabrication « test » de la nouvelle fibre. Pour débuter, on a choisi de fabriquer une fibre appliquée à la compensation en sous bande, là où les tolérances de fabrication sont plus souples. La première phase passe par la fabrication de capillaires unitaires pour respecter les dimensions retenues. Ensuite on les assemble pour former la préforme que l’on étire une première fois. De multitudes cannes microstructurées sont obtenues, une est sélectionnée puis remanchonnée de façon à réduire les dimensions si nécessaire. On réalise alors un deuxième étirage pour créer la fibre finale. On applique donc la méthode dite de « stack and draw ». « Première fibre cristal photonique à 2 coeurs concentriques » Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 27 Octobre 2004

11 Énergie uniquement dans
Premières caractérisations Mise en évidence du guidage : Injection SMF dans les deux coeurs Minimum de puissance dû aux petits trous Cœur central Cœur annulaire Guide central asymptotiquement monomode à 1550nm : Mode LP01 Caméra CDD + Injection SMF centrée Coupe transverse Une fois la fibre réalisée, il reste à la caractériser. La première mesure à consister à vérifier que les deux cœurs de notre fibre se comportent bien comme deux guides. C’est ce qu’illustre la photographie issue d’une caméra CCD. On peut noter des 0 de puissance dans l’anneau qui sont due à la présence des petits trous. Dans la deuxième mesure on a injecté en entrée la lumière uniquement dans le cœur central d’un tronçon de qql mètres de la fibre à trous. On constate sur la photographie la présence unique du mode LP01, donc le guide central est bien monomode, condition indispensable à la mesure de la Dch. La mesure d’ouverture numérique confirme la présence de delta n créés important. Enfin, la dernière caractérisation met en évidence autour de 1550 nm sur un autre tronçon de fibre le phénomène de couplage à savoir la présence de l’énergie dans les 2 cœurs en sortie alors qu’on injecte de la lumière que dans le cœur central en entrée. Les mesures proprement dites de Dch sont actuellement en cours. ONexp=0.587 correspond à 36° (ONthé=0.56 )  n= (avec d/=0.75) Observation du couplage sur un tronçon différent : Énergie uniquement dans le cœur central à 1300 nm Énergie dans les deux coeurs à 1550 nm Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 27 Octobre 2004

12 E-mail : gerome@ircom.unilim.fr
Conclusion  Conception d’une nouvelle fibre à trous fortement dispersive  Elimination complète du process MCVD  Etude théorique du comportement modal avec M.E.F  Comportement similaire à la fibre à 2cc MCVD  Obtention de très fortes valeurs de Dch (application monocanal)  Dchmin autour de ps/(nm.km) très sélective  Optimisation des paramètres géométriques pour le WDM  n plus fort  Dchmin=-2300ps/(nm.km) en bande C  Rapport de longueur de 150  amélioration de 7.5 /fibre MCVD (20) avec dispersion résiduelle de 0.1ps/(nm.km)  En conclusion, On a donc conçu une nouvelle fibre à 2cc microstructurée compensatrice de Dch. Fibre pour laquelle le process MCVD a totalement était éliminé. On a réalisé une étude théorique du comportement modal avec la méthode des éléments finis, qui a montré que le comportement est similaire à celui des fibres à 2cc MCVD. On a obtenu des valeurs de Dch très négatives pouvant atteindre des valeurs supérieures à –10000 ps/(nm.km). Les paramètres géométriques ont alors été optimisés pour l’application WDM : grâce à des n plus fort qu’en MCVD, on a pu obtenir des Dch de ps/(nm.km) sur toute la bande C, ce qui correspond à un rapport de longueur égalisé de 150 soit 7.5 fois plus important qu’avec la MCVD tout en gardant les mêmes Dch résiduelles. Enfin, la fabrication de ces nouvelles fibres a débuté et les premières caractérisations ont permis de montrer que les deux cœurs sont bien des guides, que le cœur central est monomode quand l’injection en entrée est centrée et enfin qu’il semblerait qu’un couplage entre les 2 cœurs ait lieu autour de 1550nm, observation à confirmer par la mesure de la courbe de Dch. Parallèlement, la fabrication d’une fibre appliquée au WDM est en cours. Je vous remercie de votre attention. Fabrication de fibres test totalement conçues au laboratoire  Vérification du guidage des deux guides  Vérification du caractère monomode du guide central si injection centrée  Vérification du couplage entre les deux guides Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 27 Octobre 2004