l/5

Analyse expérimentale et théorique de la biréfringence
dans les Fibres Microstructurées Air Silice
Laurent LABONTE1, Faouzi BAHLOUL2, Philippe ROY1,
Dominique PAGNOUX1, J.M. BLONDY1, J.L. AUGUSTE1,
Gilles MELIN3, Laurent GASCA3, Mourad ZGHAL2,
Jacky BRIAND4, Thierry CHARTIER4.
1
2
3
4
IRCOM - CNRS - Equipe Optique Guidée et Intégrée (Limoges, France)
ENIT - Communication Systems Laboratory (Tunis, Tunisie)
Alcatel - Research & Innovation Center (Marcoussis, France)
ENSSAT FOTON (Lannion, France)
Equipe Optique Guidée et Intégrée
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Plan de l'exposé
• Introduction :
• Les Fibres Microstructurées Air Silice (FMAS)
considérées
• Biréfringence dans une FMAS parfaite
• Approche expérimentale :
• Mesures de biréfringence sur plusieurs fibres
•Approche théorique :
• Méthode des éléments finis sur profils réels de fibres
• Discussion et conclusion
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Les fibres microstructurées Air Silice considérées
L
d
Coeur
Gaine optique
}
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Biréfringence dans une FMAS parfaite
nL
nR
nL = nR
Pas de biréfringence de géométrie à cause de la symétrie en p/3
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Approche expérimentale : les fibres mesurées
Fibre 1
d = 1.4 µm
L = 2 µm
Fibre 4
d = 2.2 µm
L = 2.4 µm
Fibre 2
d = 1.45 µm
L = 2.15 µm
Fibre 5
d = 1.8 µm
L = 2.25 µm
Fibre 3
d = 1.9 µm
L = 2.25 µm
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Approche expérimentale : les fibres mesurées
Fibre 6
d = 2 µm
L = 3.3 µm
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Fibre 7
d = 4.2 µm
L = 9.5 µm
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Approche expérimentale : Méthodes de mesure
Méthode Magneto-optique (Thierry Chartier, ENSSAT Lannion)
Mesure directe de la biréfringence de phase
Bobine mobile
l/2
Polariseur
FMAS sous test
Source laser
Polarisée
lb=1cm
Référence
Détection synchrone
Source de courant
Méthode inutilisable
lorsque D =Lb > lb
Niveau U.A.
!
Detecteur
Oscilloscope
0.8
D
0.6
0.4
0.0
0.2
-0.2
Bph=l/ Lb
avec Lb = D
-0.4
0
10
20
30
40
50
60
z (cm)
Equipe Optique Guidée et Intégrée
70
80
90 100
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Approche expérimentale : Méthodes de mesure
Méthode du spectre cannelé
Mesure de la biréfringence de groupe
Source Large
spectre
analyseur
Fibre monomode
polariseur
FMAS sous test
Fibre multimode
Analyseur
de spectre
Optique
dl
DNg =BG = B - l
l0
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dB
dl
=
2
l0
L. dl
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Résultats de mesures
Fibre
d (µm) L (µm) d/L
DNg = BG
mesuré
Bph
mesuré
Incertitude
1
1.4
2.
0.7
3 10-4
± 3 10-5
2
1.45
2.15
0.67
1.25 10-3
± 10-4
3
1.9
2.25
0.84
8.2 10-4
± 8 10-5
4
2.2
2.4
0.9
1.2 10-3
± 10-4
5
1.8
2.25
0.8
1.4 10-3
±1.4 10-4
6
2
3.3
0.61
< 9 10-5 !
7.8 10-5
± 8 10-6
7
4.2
9.5
0.44 < 1.1 10-5 !
3.7 10-6
± 4 10-7
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Résultats de mesures
• La biréfringence B est anormalement forte pour les
fibres à petit pas L,
• Pas de lien évident avec le diamètre des trous d ou le
rapport d/L,
• Pas de comparaison immédiate entre les valeurs de
biréfringence de groupe et de phase.
• Recherche des causes principales de la biréfringence :
– géométrie ?
– contraintes mécaniques ?
– contraintes dans le matériau ?
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Approche théorique : Méthode des éléments finis
 Description de la structure par des
éléments triangulaires de base (maillage)
 Résolution des équations de Maxwell
vectorielles à chaque nœud du maillage
 Utilisation de Conditions aux Limites
Trous d'air
silice
CLs
aux bornes du domaine d'analyse
Valeurs propres : constante de propagation b (ou indice effectif ne)
Vecteurs propres : champs électrique ou magnétique
Attention, seule la contribution de la géométrie est prise en compte
Stress résiduel ou torsions non considérées
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MEF : Les causes d'erreurs
Le maillage :
d=1.9µm, L=2.4µm
(d/L=0.79)
l=1.55µm
Dimensions des mailles < l/5
• en automatique,
Bph = Dne = 1.35 10-5
Biréfringence de maillage en 10-5 sur une fibre parfaite
• en "manuel",
Bph = ney-nex < 4.10-9  0
Biréfringence de maillage en 10-9 sur une fibre parfaite
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MEF sur profils réels de fibres
Image MEB
(d  1.3µm ; L  2µm)
Détermination du contour
des trous
Maillage de la section
de la fibre
l=1550nm
Calcul des b pour
les deux
polarisations du
mode fondamental
Calcul de la
biréfringence de
géométrie
Bph=6.4 10-4
Nex=1,4005183093 Ney=1,4011587145
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MEF : Les autres causes d'erreurs
L'image MEB :
• angle,
• défaut d'échelle,
• définition des contours (contraste)
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Biréfringence de phase calculée (due à la géométrie)
d (µm)
L (µm)
d/L
Bph
calculée
Incertitude
1
1.34
2
0.7
1.24 10-4
± 10-5
2
1.45
2.15
0.67
7 10-4
± 7.10-5
4.8 10-4
± 5.10-5
7.8 10-4
± 8.10-5
Fibre
Fibre PANDA Bph = 3.10-4
3
1.9
2.25
0.84
Fibre Bow-Tie Bph = 5.10-4
2.410-8 0.9
4
2.2 B en
Fibre
SMF28
ph
5
1.8
2.25
0.8
9.8 10-4
± 10-4
6
2
3.3
0.61
4.1 10-5
± 4.10-6
7
4.2
9.5
0.44
1.7 10-6
± 2.10-7
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Fibre 2
(d  1.45µm , L  2.15µm d/L=0.67)
8
6
dBph
dl
4
= 880m-1
1550nm
1550
1600
1400
1200
1000
800
0
600
2
400
Biréfringence calculée Bph (x10-4)
Dépendance spectrale de la biréfringence de phase
Longueur d'onde (nm)
Biréfringence de groupe : DNg = B- l
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dB
dl
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Résultats de calculs : Biréfringence de groupe
d (µm)
L (µm)
Bph
calculée
Bg =DNg
calculée
Incertitude
1
1.4
2
1.24 10-4
2.7 10-4
± 5.10-5
2
1.45
2.15
7 10-4
1.1 10-3
± 2.10-4
3
1.9
2.25
4.8 10-4
6.10-4
± 1.210-4
4
1.8
2.4
7.8 10-4
1.1 10-3
± 2.10-4
5
1.8
2.25
9.8 10-4
1.46 10-3
± 3.10-4
6
2
3.3
4.1 10-5
9.2 10-5
± 6.10-6
7
4.2
9.5
1.95 10-6
2.16 10-6
± 4.10-7
Fibre
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Comparaison des valeurs
Bg mesurée
Bg calculée
Bph mesurée
Bph calculée
1
1,6
1,4
1,2
0,1
1
0,8
0,6
0,01
0,4
0,2
0
Fibre n°
5
3
1
2
Equipe Optique Guidée et Intégrée
4
7
6
0,001
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Biréfringence de phase (10-3)
Biréfringence de groupe (10-3)
1,8
Influence de la taille de la structure
Biréfringence calculée Bph (x 10-4)
X 0.9
4.5
X 1.1
d/L=0.61
l=1550nm
Fibre 6
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.77 10-4
Rapport : 2.4
0.5
0.32 10-4
0
0.4
0.6
0.8
1
0.9
1.2
1.1
1.4
1.6
1.8
2
Rapport d'échelle
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Conclusion
 La biréfringence dans une fibre microstructurée réelle à
symétrie en p/3 peut être très élevée,
 La biréfringence augmente lorsque le motif devient petit
devant la longueur d'onde,
 Des micro imperfections géométriques de la structure
semblent suffisantes pour expliquer les fortes valeurs de
biréfringence mesurées,
 Aucune modification de la biréfringence n'a pu être mise en
évidence par un traitement à haute température.
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