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TECHNIQUE D'ÉCRITURE DE RÉSEAUX DE BRAGG
PAR CONTRÖLE DES FRANGES
DOMAINE DE L'INVENTION
s La présente invention est liée au domaine de la fabrication de composantes
optiques et porte plus particulièrement sur une méthode et un dispositif
permettant
l'écriture d'un réseau d'indice de réfraction dans un milieu photosensible tel
un
fibre optique.
o DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR
L'utilisation d'un masque de phase est une technique bien connue et prisée
pour écrire un réseau de Bragg dans un guide d'onde. Plusieurs variantes de
cette
technique ont été développées pour la rendre plus efficace et versatile.
Une telle variante est par example enseignée par Cole et al. (voir le brevet
1s américain no. 6,072,926 et l'article "Moving fibre/phase mask-scanning beam
technique for enhanced flexibility in producing fibre gratings with uniform
phase
mask, Electron. Lett.., 1995, pp. 1488-1490). Cole a proposé le déplacement
latéral du masque de phase en cours de balayage pour l'ajustement fin de la
longueur d'onde de Bragg. D'excellents résultats ont été rapportés mais la
plage
2o d'ajustement demeure limitée. La Figure 1 est issue de l'article de Cole où
on
montre les limites permises pour l'ajustement de la longueur d'onde de Bragg
lorsque la largeur du faisceau UV est de 350 gym. Cette plage d'ajustement est
d'autant plus grande que la largeur du faisceau est petite.
Cole a également proposé le déplacement du masque de phase à vitesse
2s variable pour l'ajustement du chirp d'un réseau de Bragg.
Une autre technique d'écriture à l'aide d'un masque de phase est celle de
Prohaska, divulguée dans Prohaska, J.D., et al., "Magnification of mask
fabricated
fibre Bragg gratings", Electron. Lett. 1993. pp. 1614-1615 et le brevet
américain
no. 5,351,321 (SNITZER et al.). La technique de Prohaska permet de modifier la
30 longueur d'onde de Bragg par plusieurs nanomètres en utilisant une lentille
qui
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produit une magnification des franges d'interférence UV dans l'axe où la fibre
est
placée.
La Figure 2b) illustre l'utilisation d'un faisceau UV convergent à l'entrée
d'un
masque de phase pour modifier la période d'un réseau de Bragg photo-induit.
s Cette modification de la période du réseau dépend de la distance entre le
masque
de phase et le coeur de la fibre. La période du réseau inscrit est donné par
n
- 2 'M~ (~)
où M - 1 - q , (2)
zf
1o et où n est le pas du masque de phase, p est la distance entre le masque
et le coeur de la fibre et zf est la distance entre le masque de phase et le
plan
focal. La magnification des franges M caractérise la courbure du front d'onde
UV
(convergence ou divergence).
Au contraire, la Figure 2a) illustre l'écriture d'un réseau à l'aide d'un
ts faisceau UV collimaté. La période du réseau est alors indépendante de la
distance
entre le masque et la fibre.
La technique de Prohaska permet d'ajuster la longueur d'onde de Bragg à
une valeur désirée. Par contre, une indésirable distribution d'angle (« blaze
») est
également obtenue.
OBJECTIF ET SOMMAIRE DE L'INVENTION
L'objectif de l'invention est de permettre un grand contrôle des
caractéristiques d'un réseau de Bragg fabriqué à l'aide d'un masque de phase.
Cet objectif est atteint par une combinaison des techniques de Cole et de
2s Prohaska. Cette combinaison permet l'écriture de réseaux sur une grande
plage
de longueur d'onde sans que ceux-ci soient à angle. Elle permet également
d'écrire des réseaux superposés pouvant couvrir une grande plage spectrale.
Les avantages de pouvoir augmenter la plage de longueur d'onde de Bragg
possible à l'aide d'un unique masque de phase sont les suivants
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~ Un nombre plus restreint de coûteux masques de phase est nécessaire pour
pouvoir écrire des réseaux de Bragg à l'intérieur d'une certaine plage
souhaitée de longueur d'onde.
~ La production est facilitée en diminuant la fréquence des changements de
s masques de phase.
~ L'écriture de réseaux superposés de différentes longueurs d'onde de Bragg
est
possible. L'étirement de la fibre pour une telle opération est possible mais
plus
limitée. Le changement de masque n'est pas réellement envisageable.
to BR~VE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 (art antérieur) montre la dépendance de la réflectivité sur le
décalage en longueur d'onde pour la technique de Cole.
La figure 2a) (art antérieur) est un schéma des franges claires à la sortie
d'un masque de phase dans la zone de croisement de faisceaux collimatés; La
is figure 2b) (art antérieur) est un schéma des franges claires à la sortie
d'un masque
de phase dans la zone de croisement de faisceaux convergents.
La figure 3 illustre une modulation induite dans deux portions successives.
a) avec un faisceau collimaté, il n'y a pas de saut de phase entre les
portions 1 et
2. b) avec une courbure du front d'onde UV, un saut de phase existe entre les
2o portions 1 et 2.
La figure 4 montre un montage optique pour l'ajustement de la longueur
d'onde de Bragg selon un mode de réalisation préféré de la présente invention.
La figure 5 montre les spectres de réflectivité et de délai de groupe d'un
compensateur de pente à 12 canaux fabriqués selon un mode de réalisation
2s préféré de la présente invention.
La figure 6 est un graphique montrant les valeurs de dispersion pour
chacun des 12 canaux du réseau dont les caractéristiques sont données à la
Figure 5. La courbe en trait plein représente les valeurs ciblées de chacun
des
canaux.
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DESCRIPTION DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS DE L'INVENTION
Techniaue de Prohaska lors d'un balayaae
L'utilisation d'une courbure du front d'onde UV (faisceau convergent ou
divergent) permet de modifier la longueur d'onde de Bragg tel qu'illustré à la
s Figure 2. Par contre, si le faisceau est balayé, un réseau de période p=lll2
sera
obtenu et l'effet de la courbure du front d'onde UV ne devient qu'une perte
d'efficacité analogue à celle obtenue par vibration du masque de phase. Ceci
peut
se comprendre de la manière suivante : un masque de phase possède N franges
sur une longueur L. Un réseau fabriqué en balayant un faisceau sur toute la
1o longueur du masque produira un réseau de longueur L possédant 2N franges.
La
période du réseau obtenu ne dépend donc que des caractéristiques du masque et
est indépendant de la courbure du front d'onde UV.
Combinaison des techniques de cote et de Prohaska
1s Si, lors d'un balayage d'un faisceau UV possédant une courbure dans son
front d'onde, le masque de phase est déplacé latéralement (technique de Cole),
un réseau dont la longueur d'onde de Bragg correspond à celle qu'on
calculerait
avec la technique de Prohaska peut être obtenu. L'utilisation d'une courbure
du
front d'onde UV permet alors d'augmenter très substantiellement la plage
Zo d'ajustement de la technique de Cole.
La Figure 3 illustre la modulation d'indice induite dans deux portions de
fibre au cours d'un balayage pas à pas. Lorsque le faisceau UV est collimaté,
la
modulation d'indice demeure en phase d'une portion à l'autre. Par contre, avec
une courbure du front d'onde UV, un saut de phase existe entre les portions.
Ce
2s saut de phase dépend de la courbure, du déplacement du faisceau UV et de la
distance entre le masque de phase et la fibre selon la relation suivante
B - 2~.2~z~1_~~
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Ce saut de phase d'une portion à l'autre peut être éliminé en déplaçant le
masque de phase latéralement en même temps que le faisceau UV est déplacé.
Le déplacement du masque dxm requis pour éliminer le saut de phase est
OXm - ~Z CI - 1 ~ .
M (4)
s Ce déplacement du masque de phase en combinaison avec l'utilisation
d'une courbure du front d'onde UV permet une forte augmentation de la plage
d'ajustement de la longueur d'onde de Bragg.
C'est le déplacement du masque (technique de Cole) qui détermine la
longueur d'onde de Bragg du réseau. La courbure du front d'onde UV doit être
io ajustée pour permettre une bonne efficacité d'écriture. Un désaccord entre
le
déplacement du masque et la courbure du front d'onde provoque une perte
d'efficacité conformément au graphique donné dans l'article de Cole.
L'ajustement
de la courbure du front d'onde n'est donc pas extrêmement critique. La
courbure
du front d'onde a pour effet de décaler spectralement la courbe d'efficacité
de la
is technique de Cole. En d'autres fermes, la modification de la longueur
d'onde de
Bragg par rapport à la valeur nominale est
~~a - lao ~~~~ ~ (5)
m
où ~.eo est la valeur nominale de la longueur d'onde de Bragg (sans
déplacement du masque). La magnification nécessaire pour que l'écriture soit
2o efficace est
M - 1 + ~~~
(6)
m
De la même manière, dans un processus de balayage en continu, en tout
point le long du réseau la longueur d'onde de Bragg locale ~,eo(z) (valeur
qu'on
Zs obtiendrait sans déplacement du masque de phase) peut être modifiée d'une
quantité d~,8(z) par un mouvement dxm(z) selon la relation suivante
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O~,B (z) dx,~ (z)
~ao(z) dz-~m(z)
où dz représente le déplacement local du faisceau UV. La courbure du front
d'onde UV doit être appropriée de sorte qu'en tout point on ait
~m (Z)
M(z) ,., 1+ dz-~m(z) '
où le caractère approximatif de l'équation (8) rend compte de la tolérance
de la technique de Cole représentée par la Figure 1.
Contrôle de la courbure du front d'onde UV
Io La courbure du front d'onde peut être ajustée à l'aide d'un système
optique.
Par exemple, un système composé de deux lentilles cylindriques tel qu'illustré
à la
Figure 4 peut être utilisé.
La figure 4 montre un montage optique pour l'ajustement de la longueur
d'onde de Bragg, selon un mode de réalisation de l'invention. En cours de
is balayage, les lentilles L1, L2 et Lf sont balayées tandis que le masque de
phase et
la fibre ne le sont pas.
Les lentilles L 1 et L2 servent à réduire la dimension du faisceau et à
permettre, via un déplacement de la lentille L1, un ajustement de la courbure
du
front d'onde UV. La lentille Lf est la lentille de focalisation et n'interfère
pas avec le
2o système optique formé des lentilles L1 et L2. La distance q est celle entre
le
masque de phase et le coeur de la fibre, I est la distance entre la lentille
L2 et la
fibre, D, D'et D"sont les largeurs de faisceau à l'entrée du système, à la
lentille
L2 et à la fibre respectivement, f1 et f2 sont les focales des lentilles L 1
et L2
respectivement. La distance d entre les lentilles L1 et L2 a pour valeur
nominale
2s f~+f2 : à cette valeur, le faisceau incident sur le masque est collimaté et
la longueur
d'onde de Bragg est inchangée. II convient d'exprimer d comme
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f~ + f2 - ~ ,
ainsi, s varie autour de 0 pour un ajustement de la longueur d'onde de Bragg.
Avec ce montage, la variation de la longueur d'onde de Bragg par rapport à
la valeur nominale est donnée par
qs
O~e - lao f2 + s(1 _ fi ) , 10
( )
Les largeurs du faisceau à la lentille L2 et à la fibre sont données par
D- = DCf2f, y
(11 )
Dn _ D f2-~
fi fi ( fz
(12)
io II est judicieux de choisir 1 = f2. Ce faisant, la taille du faisceau
illuminant la
fibre est indépendante de la courbure du front d'onde UV et l'ajustement de la
longueur d'onde de Bragg devient linéaire en fonction de la position de la
lentille
L1.
R ~ t ts
is La Figure 5 illustre l'utilisation de la technique d'écriture par contrôle
des
franges pour la fabrication d'un réseau multi-canaux. Dans chacun des canaux
la
longueur d'onde centrale ainsi que la dispersion ont été ajustées à l'aide
d'un
contrôle de la position de la lentille L1 et du déplacement du masque de
phase. La
Figure 6 présente les valeurs mesurées de la dispersion de chacun des canaux
en
2o comparaison avec les valeurs ciblées.
Dans cet exemple, on constate que la technique d'écriture par contrôle des
franges permet d'obtenir d'excellents résultats, autant pour l'ajustement de
la
longueur d'onde de Bragg sur une plage étendue que pour l'ajustement du chirp.
En résumé, la présente invention enseigne une nouvelle technique
2s d'écriture d'un réseau de Bragg dans un guide d'onde (par exemple une fibre
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ô
optique) comportant de nombreux avantages. La technique permet de contrôler
localement la période du réseau. Ce contrôle va au-delà d'un ajustement ~n
mais
permet la modification de la longueur d'onde de Bragg par plusieurs dizaines
de
nanomètres. La période peut être augmentée ou diminuée par rapport à celle
s qu'on obtiendrait en laissant le masque immobile.
Ce contrôle de la valeur locale de la longueur d'onde de Bragg permet
~ L'ajustement de la longueur d'onde de Bragg sur une très grande plage
spectrale (de l'ordre de 20 à 40 nm);
~ La superposition de réseaux à des longueurs d'onde différentes sur une très
to grande plage spectrale (de l'ordre de 20 à 40 nm). La superposition peut
être
faite notamment en ajustant la phase relative des réseaux de manière à
minimiser le changement d'indice crête requis (5J;
~ La création, l'élimination, l'ajustement, la linéarisation ou la non-
linéarisation
d'un chirp dans un réseau de Bragg;
is ~ Le contrôle de la position du masque de phase permet aussi l'introduction
de
sauts de phase à des endroits précis le long du réseau.
De nombreuses modifications peuvent être apportées . aux modes de
réalisation préférés décrits ci-dessus sans s'éloigner de la portée de
l'invention.
