La fibre à cristaux photonique

Généralités sur la fibre cristaux photonique

Les fibres multimodes Les fibres multimodes (dites MMF, pour Multi Mode Fiber), ont été les premières sur le marché. Elles ont pour caractéristiques de transporter plusieurs modes (trajets lumineux). Du fait de la dispersion modale, on constate un étalement temporel du signal proportionnel à la longueur de la fibre. En conséquence, elles sont utilisées uniquement pour des bas débits ou de courtes distances. La dispersion modale peut cependant être minimisée (à une longueur d’onde donnée) en réalisant un gradient d’indice dans le coeur de la fibre. Elles sont caractérisées par un diamètre de coeur de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de micromètres (les coeurs en multimodes sont de 50 ou 62,5 μm pour le bas débit). Cependant les fibres les plus récentes, de type OM3, permettent d’atteindre le Gbit/s sur des distances de l’ordre du km. Les longues distances ne peuvent être couvertes que par des fibres optiques monomodes.

Les fibres monomodes

Pour de plus longues distances et/ou de plus hauts débits, on préfère utiliser des fibres monomodes (dites SMF, pour Single Mode Fiber), qui sont technologiquement plus avancées car plus fines. Leur coeur très fin n’admet ainsi qu’un mode de propagation, le plus direct possible c’est-à-dire dans l’axe de la fibre. Les pertes sont donc minimes (moins de réflexion sur l’interface coeur/gaine) que cela soit pour de très hauts débits et de très longues distances. Les fibres monomodes sont de ce fait adaptées pour les lignes intercontinentales (câbles sous-marin). Ces fibres monomodes sont caractérisées par un diamètre de coeur de seulement quelques micromètres (le coeur monomode est de 9 μm pour le haut débit). Les bandes de transmission sont classées aujourd’hui par l’UIT-T (Union internationale des télécommunications selon la terminologie suivante : Les fibres G.652 (fibres unimodales) sont classées à leur tour en trois catégories (A, B et C). La G.652A et la fibre classique qui permet le transport de débit à 2,5 Gbit/s dans les bandes O, C et S. La fibre G.652B permet des canaux en DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)à 10Gbit/s dans les bandes O, C, L et S.

Les autres fibres sont peu utilisées. La G.653 (fibre à dispersion décalée) est employée au Japon et en Italie pour les transmissions dans la bande C. La G.654, à cause de son faible affaiblissement linéique, est réservée aux liaisons sous-marines pour 1300 et 1550 nm. Les fibres G.655 (fibre à dispersion décalée non nulle-NZ DSF) sont dédiées au 40 Gbit/s ou N fois 40 Gbit/s en DWDM (la G.655A avec un espacement inter canal de 200 MHz – la G.655B avec un espacement inter canal de 100 MHz et avec une limitation de 400 km – et la G.655C, en 100 MHz mais pour les liaisons supérieures à 400 km). La fibre G.656 utilise le multiplexage en longueur d’onde dans les bandes S, C et L. [4] La fibre optique idéale devrait permettre le plus grand nombre de canaux possibles à haut débit sans dégradation, elle devrait permettre le maximum de portée. Enfin, elle devrait répondre, pour le prix minimum, aux exigences du réseau de transport, à celles du coeur de réseau et du réseau d’accès. Le dernier record en date, pour la capacité de transmissions de données sur fibre optique, a consisté à mettre sur la même fibre 140 canaux à 111 Gbit/s, soit 14 Tbit/s, multiplexés en longueur d’onde (WDM, Wavelength Division Multiplexing en anglais) sur une distance de 160 km. A titre d’exemple, NTT(NTT est l’opérateur de télécommunications leader du marché japonais)vise la mise en place d’une épine dorsale de réseau optique comprenant des canaux au débit de 100 Gbit/s, au lieu de 10 à 40 Gbit/s par longueur d’onde.

Méthode M.C.V.D

Ce processus de fabrication de préforme nécessite de réaliser deux étapes distinctes qui sont le dépôt puis le rétreint. La technique est décrite pour le cas d’une préforme classique. La réalisation d’une préforme s’effectue à partir d’un tube de silice de haute pureté qui ne contient par conséquent que quelques ppm d’ions OH- (1 ppm correspond à 0,8×1022 m-3). Celui-ci est monté sur un tour verrier, puis mis en rotation. Il est à noter que ce tube forme la gaine optique « support » de la fibre. A l’une des extrémités du tube (figure I.6 (a)), on injecte un mélange gazeux constitué d’halogénures et d’oxygène et on chauffe à haute température (1400° à 1600°) au moyen d’un chalumeau oxhydrique qui se déplace le long du tube, à la vitesse de quelques dizaines de centimètres à la minute, permettant d’activer la réaction d’oxydation des halogénures. L’opération donne lieu à la formation et au dépôt de suie de silice par couches successives de 5 à 10 μm d’épaisseur. Au passage du chalumeau sur les suies, le dépôt est vitrifié. Une fois le dépôt terminé, on stoppe l’injection de gaz (figure I.6 (b)). Cependant, un trou central subsiste à l’intérieur de la préforme. On augmente donc la température de chauffage jusqu’à atteindre la température de 1800°, ce qui provoque un ramollissement de la silice suffisant pour permettre un rétreint homogène, grâce aux forces dues aux tensions superficielles. Typiquement, si on veut réaliser une fibre standard, on dépose des couches de silicepure qui constitueront la gaine optique « déposée » et des couches de silice dopée augermanium qui formeront le coeur. Le rapport entre les rayons de ces couches de la préforme ainsi que leur indice de réfraction sont les mêmes que ceux de la future fibre. La fibre optique est une homothétie de la préforme.

La fibre à cristaux photonique

Les fibres cristaux photoniques sont une classe de fibres optiques constituées d’un arrangement de trous d’air parallèles à l’axe d’une matrice de silice, dont les toutes premières ont été proposées par Kaiser et al. Aux Bell Labs en 1974. [8]. L’objectif était à l’époque d’obtenir un fort guidage dans un coeur de silice entouré d’une gaine optique à très forte proportion d’air. Mais ces fibres, très multimodes, n’ont pas suscité d’intérêt particulier dans la communauté car elles n’apportaient pas de progrès sensible en termes de propagation. De plus leur raccordement aux fibres classiques était très délicat. L’implantation des cristaux photoniques dans les fibres optiques est relativement récente. Ils constituent la gaine optique de la fibre, le coeur de cette dernière étant obtenu en créant un défaut dans le cristal. Selon que coeur de la fibre a un indice de réfraction supérieur ou inférieurà celui de la gaine environnante. Le but de ce chapitre est de proposer une présentation générale desPCF. Après avoir montré que deux types de guidage peuvent opérer dans les PCF (BIP ou réflexion totale interne (RTI)), nous passerons en revue les propriétés, nous décrirons les techniques mises en oeuvre pour fabriquer ce type de fibre, ce qui nous permettra de préciser les avantages et les inconvénients. Ensuite nous présenterons un rapide état sur les applications de ce type de fibre.

La nouvelle fibre cristaux photonique

Un nouveau type de fibre a vu le jour en 1996 : la fibre à cristaux photoniques couramment appelée PCF (Photonic Crystal Fiber en anglais). C’est d’ailleurs cette écriture qu’on adopterait dans la suite du manuscrit lorsqu’on parlerait de fibres à cristaux photoniques. La première PCF à guidage par réflexion totale interne a été fabriquée par une équipe de l’université de Bath en Angleterre [9].Ce type de fibre possède des propriétés intéressantes en terme de caractère uni modal et de dispersion chromatique. Ces caractéristiques sont ajustables en fonction des paramètres opto-géométriques de la fibre. Actuellement, leurs principales applications se trouvent dans les domaines de la métrologie, de l’optique non linéaire et de la tomographie.

Propriétés de base des cristaux photoniques Les matériaux BIP ont rapidement trouvé des applications dans le domaine des ondes électromagnétiques millimétriques et centimétriques. Ils ont par exemple permis de réaliser des matériaux supports d’antennes. En choisissant le matériau BIP de telle sorte que sa bande interdite photonique soit centrée sur la fréquence d’émission (ou de réception) de l’antenne, on supprime les pertes dues au rayonnement de l’antenne sur son support. Pour des applications dans le visible ou le proche infrarouge (longueurs d’onde de l’ordre du micron), la fabrication d’un BIP tridimensionnel devient délicate. En revanche, de nombreux scientifiques ont envisagé la possibilité d’utiliser un BIP bidimensionnel qui serait périodique suivant deux dimensions dans sa section transverse et invariant longitudinalement [10]. La structure périodique est alors fabriquée à partir d’un assemblage de composants de taille macroscopique, tels que des barreaux cylindriques de matériaux différents par exemple. Puis, les dimensions transverses de cet assemblage sont réduites par une technique d’étirage semblable à celle mise en oeuvre pour l’étirage d’une préforme pour la fabrication de fibres optiques. Si un défaut est placé dans le cristal photonique, la lumière réfléchie par le cristal est confinée transversalement dans ce site, réalisant ainsi un guide d’onde. Ce défaut joue le rôle de cavité résonnante transverse au sein du cristal photonique. On dit alors que la lumière est guidée par effet de résonance transverse. Grâce cette technique d’étirage, on peut fabriquer une fibre possédant un cristal photonique à deux dimensions avec une période de l’ordre du micromètre (cf. Figure suivante). Ce type de fibre est souvent appelé fibre à cristal photonique (PCF).