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INSCRIPTION DE TRANSDUCTEURS A RESEAUX DE BRAGG DANS DES FIBRES
MICROSTRUCTUREES POUR DES APPLICATIONS EN REFRACTOMETRIE
M.C. Phan Huy1, G. Laffont1, V. Dewynter-Marty1 et P. Ferdinand1
P. Roy2, J-M. Blondy2 et D. Pagnoux2
B. Dussardier3 et W. Blanc3
1 CEA-DRT-LIST-DETECS-SYSSC-LMO, Centre d’Etudes de Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex
2 IRCOM / OGI, UMR-CNRS 6615, 123 Avenue Albert Thomas, 87060 Limoges Cedex
3 LPMC / FOA, UMR-CNRS 6622, Université de Nice Sophia-Antipolis, Parc Valrose, 06108 Nice
contact : phanhuy@cea.fr
RESUME
Nous présentons les résultats liés à la photo-inscription de réseaux de Bragg dans le cœur
dopé germanium de deux fibres photosensibles microstructurées air-silice pour des appli-
cations instrumentales. Une caractérisation modale est effectuée en comparant les figures
de champ observées et calculées. Nous présentons les premières valeurs de la sensibilité
spectrale de réseaux de Bragg, vis-à-vis de l’indice de réfraction du milieu hôte des trous.
1. INTRODUCTION
Depuis quelques années, les fibres optiques à cristaux photoniques sont de plus en plus étudiées
du fait de leurs grandes potentialités dans des domaines aussi diversifiés que l’optique non linéaire, la
compensation de dispersion, le transport de puissance et les capteurs. On peut distinguer : les fibres à
guidage par bandes interdites [1] et celles dites microstructurées qui assurent un guidage par réflexion
totale. Pour ces dernières, plusieurs approches ont été proposées pour l’inscription de réseaux de
Bragg [2-4], en particulier le recours à un cœur dopé Germanium [5]. C’est ainsi que dans cette étude,
nous avons conçu et réalisé des fibres microstructurées photosensibles dopées Ge pour l’inscription de
transducteurs à réseaux de Bragg dans la perspective d’applications en réfractométrie.
2. FABRICATION DES FIBRES MICROSTRUCTUREES ET INSCRIPTION DE RESEAUX DE B RAGG
Un outil de modélisation scalaire des fibres microstructurées a été récemment implémenté par le
LMO à partir de la méthode des fonctions localisées [6, 7]. L’étape de décomposition du profil
d’indice a été adaptée pour prendre en compte la présence du cœur dopé [7]. Cet outil permet désor-
mais de modéliser les caractéristiques des modes guidés (l’indice effectif neff, les figures de champ) en
tenant compte de la topologie des trous et de l’indice du milieu liquide ou gazeux qu’ils contiennent.
Le barreau correspondant au cœur de la future fibre est réalisé selon la méthode MCVD, il est
ensuite réduit en diamètre, puis assemblé à des capillaires et des barreaux pour former une préforme.
L’opération de fibrage est ensuite effectuée sur une tour conventionnelle. Une première fibre réalisée
dans le cadre de ce projet comporte une couronne de six trous de 15 µm espacés d’un pas Λ de 15,8
µm entourant un coeur dopé Ge de 11 µm (Fig. 1a). La fibre ainsi constituée est multimode (d/Λ = 0,95
étant supérieur à 0,4). Une seconde fibre également composée d’un cœur Ge de 5µm (légèrement dé-
centré) mais cette fois entouré de deux couronnes de respectivement 6 et 12 trous de 3,1 µm séparés de
Λ = 6,7 µm et agencés suivant une structure dite triangulaire a aussi été réalisée (Fig. 1b). Les diffé-
rentes dimensions ont été optimisées par le modèle, afin que la fibre soit monomode vers 1,5 µm. Ce-
pendant, les tolérances de fabrication ont induit un comportement faiblement multimodal (3 modes).
Deux bancs laser (argon doublé intra-cavité, émission continue à 244 nm) ont été utilisés pour la
photo-inscription des réseaux : un premier dit à masque de phase et un second dit à miroir de Lloyd.
Préalablement à la photo-inscription, les fibres microstructurées avaient été hydrogénées sous 160 bar
et 25°C pendant 2 semaines. La Figure 2a présente la réponse spectrale en transmission d’un réseau
standard inscrit dans le cœur de la fibre à six trous. On distingue le pic de Bragg ainsi que d’autres
résonances vers des modes d’ordres supérieurs. Dans la fibre à deux couronnes, deux types de réseaux
de Bragg, standard et à saut de phase, ont été inscrits (Fig. 2b et Fig. 2c).
Fig. 1 : Photographie de sections de fibres microstructurées constituées (a) d’une couronne de six trous,
et (b) de deux couronnes agencées selon une structure triangulaire.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1554 1556 1558 1560
Longueur d'onde (nm)
Transmission normalisée
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1555 1555,5 1556
Longueur d'onde (nm)
Transm ission normalis ée
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1541,3 1541,8 1542,3
Longueur d'onde (nm)
Transmissi on normal isée
Fig. 2 : Spectres en transmission (a) d’un RdB standard inscrit dans la fibre à 6 trous, (b) d’un RdB
standard et (c) d’un RdB à saut de phase(
π
/2) inscrits tous les deux dans la fibre à 2 couronnes.
3. IMAGERIE MODALE
Le RdB permet d’isoler spectralement les modes guidés et à fuites. Les modes à fuites ne se
manifestent qu’en transmission tandis que les modes guidés le sont également en réflexion. Le banc
d’imagerie modale utilisé est constitué d’une caméra CCD à détecteurs InGaAs, d’un laser accordable,
de deux objectifs de microscope x40 pour l’injection et d’un cube séparateur 50/50. La fibre micros-
tructurée contenant le réseau est clivée à quelques mm de celui-ci afin de minimiser l’influence des
pertes. Ce banc d’imagerie permet l’acquisition du spectre en transmission des réseaux, ce qui permet
le calage précis sur chacune des résonances et l’imagerie modale du mode réfléchi correspondant.
Par ailleurs, des images des sections des deux fibres réalisées ont été acquises à l’aide d’un mi-
croscope optique. Le logiciel de modélisation précité utilise ces images une fois numérisées pour four-
nir, entre autres, les figures de champ des modes que l’on peut ensuite comparer à celles observées
expérimentalement. Pour la fibre à deux couronnes, les résultats du modèle rejoignent l’expérience
(Fig. 3a). Nous identifions parfaitement les figures de champ des trois premières résonances corres-
pondants aux trois premiers modes y compris le fondamental. Les figures de champ des deux résonan-
ces aux basses longueurs d’onde n’ont pu être imagées distinctement. Elles correspondent très proba-
blement à des modes à fuites. Pour la fibre à six trous, nous avons noté certaines différences entre les
résultats expérimentaux et théoriques : des modes (à deux et trois lobes) observés expérimentalement
n’apparaissent pas dans la simulation et inversement, un mode à trois lobes obtenu par simulation n’est
pas observé expérimentalement (Fig. 3b). Nous supposons que ces différences sont dues à une impré-
cision sur la définition du contour du cœur dopé à partir de l’image utilisée pour la simulation.
(a) (b)
Fig. 3 : Réponse spectrale en transmission et figures de champs théoriques et expérimentales de deux
réseaux standard inscrits (a) dans la fibre à deux couronnes et (b) dans la fibre à six trous
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1542 1544 1546 1548 1550 1552
Longueur d' onde (nm)
Transmis sion normali sé
e
?
?
Exp
Modèle
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1535 1537 1539 1541 1543 1545 1547 1549 1551
Longueur d'onde (nm)
Transmission normal isée
Modes à fuite
Modèle :
Expérience :
(a) (b) (c)
(a) (b)
Coefficient de Tr ansmission
Coefficient de Transmission
Coefficient de Tr ansmission
Coefficient de Transmission
Coefficient de Tr ansmission
4. INFLUENCE DE L’INDICE DES TROUS SUR LA REPONSE DES RESEAUX DE BRAGG
Afin de déterminer la sensibilité spectrale des réseaux de Bragg inscrits dans la fibre à six trous
vis-à-vis de l’indice nl du milieu présent en leur sein, différents liquides d’indices calibrés (type Car-
gille) sont introduits par capillarité dans plusieurs tronçons de fibre. Pour chaque liquide d’indice un
nouveau tronçon de fibre est utilisé de manière à éviter le risque de pollution avec les traces d’un pré-
cédent liquide. Nous avons effectué l’étude pour 3 liquides d’indice différents : nl = 1,3245, nl = 1,4097
et nl = 1,44385 (@ 1550 nm / 25 °C). Lorsque le liquide introduit atteint le réseau, le pic de Bragg se
déplace. Le réseau est placé sur un élément thermoélectrique de type Peltier. Nous faisons varier la
température par paliers successifs induisant des variations de nl dont la sensibilité est
dnl/dT ~ -3,3.10-4/°C. Ces variations d’indice décalent le pic de Bragg que l’on mesure avec un laser
accordable. Après correction de l’influence de la température sur la silice (1/L.dL/dT et dn/dT), nous
déterminons la sensibilité spectrale du réseau avec nl. Les résultats sont consignés dans le tableau ci-
dessous (Fig. 4). On note que la sensibilité est plus élevée quand nl est proche de l’indice effectif du
mode fondamental. Les écarts entre les résultats expérimentaux et la simulation (Fig. 4) s’expliquent
essentiellement par le manque de précision sur les dimensions du cœur (paramètres de simulation), la
stabilité de la température (~ 0,1 °C) du réseau et l’inhomogénéité des profils d’indice entre tronçons.
1,4496
1,4501
1,4506
1,4511
1,3 1,34 1,38 1,42
Indice des trous
Indice effectif
Fig. 4 : Evolution théorique de l’indice effectif du mode guidé en fonction de l’indice du liquide inséré
dans chacun des 6 trous de la fibre microstructurée. Sensibilités spectrales correspondantes.
CONCLUSION
Deux fibres microstructurées photosensibles ont été conçues et réalisées, puis utilisées pour
l’inscription de réseaux de Bragg, tant standard qu’à saut de phase, bien que l’analyse de ces derniers
reste à mener. La sensibilité spectrale de réseaux standard inscrits dans la fibre microstructurée à six
trous a été mesurée et comparée aux résultats du modèle fondé sur la méthode des fonctions localisées,
pour trois valeurs d’indice comprise entre 1,32 et 1,45. Une sensibilité expérimentale de 16 nm/u.i.r a
été mesurée pour la valeur d’indice (nl ~ 1,444) proche de celui de la silice. Dans une optique
d’application capteurs, mettant en œuvre un système d’analyse spectrale du type de ceux que déve-
loppe le LMO et dont la résolution spectrale avoisine le pm, une telle sensibilité correspond à une
résolution de 6.10-5 sur la valeur de l’indice du milieu hôte des trous. L’amélioration de cette valeur
passe par une optimisation du profil d’indice de la fibre microstructurée, afin d’accroître l’interaction
entre le champ électromagnétique de l’onde guidée et le milieu transducteur inséré dans les trous.
REMERCIEMENTS
Les auteurs tiennent à remercier l’INRS (Institut National de Recherche et de Sécurité) et le Ministère
Français de la Recherche pour leur participation financière à ces travaux.
REFERENCES
[1] J.C. Knight et al., All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding, Opt. Lett. 21 (19), 1547-1549 (1996)
[2] J. Canning et al., All-fibre photonic crystal distributed Bragg reflector fibre laser, Opt. Express 11(17), 1995-2000 (2003)
[3] G. Kakarantzas et al., Structural long period gratings in photonic crystal fibers, Opt. Lett. 27 (12), 1013-1015 (2002)
[4] N. Groothoff et al., Bragg gratings in air-silica structured fibers, Opt. Lett. 28 (4), 233-235 (2003)
[5] B.J. Eggleton et al., Grating resonances in air-silica microstructured optical fibers, Opt. Lett. 24 (21), 1460-1462 (1999)
[6] T.M. Monro et al., Holey optical fibers: an efficient modal model, IEEE J. Lightwave Technol. 17, 1093-1101 (1999)
[7] R. Parmentier et al., Cross comparison between theoretical and experimental modal field patterns in a doped-core microstruc-
tured fiber, Summer school on advanced glass-based nanophotonics POWAG 2004.
Indice du liquide
@ 1550 nm/ 25 °C
∆λ/∆n (nm/u.i.r.)
Simulation
∆λ/∆n (nm/u.i.r.)
Expérience
1,3245 0,9 4,5
1,4097 3,6 5
1,44385 22,9 16
n
l
= 1,3245
n
l
= 1,4097
n
l
= 1,44385
