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Analyse expérimentale et théorique de la biréfringence dans les Fibres Microstructurées Air Silice. Laurent LABONTE 1 , Faouzi BAHLOUL 2 , Philippe ROY 1 , Dominique PAGNOUX 1 , J.M. BLONDY 1 , J.L. AUGUSTE 1 , Gilles MELIN 3 , Laurent GASCA 3 , Mourad ZGHAL 2 , - PowerPoint PPT Presentation
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Equipe Optique Guidée et Intégrée 1/20
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 IRCOM - CNRS - Equipe Optique Guidée et Intégrée (Limoges, France) 2 ENIT - Communication Systems Laboratory (Tunis, Tunisie)3 Alcatel - Research & Innovation Center (Marcoussis, France)4 ENSSAT FOTON (Lannion, France)
Equipe Optique Guidée et Intégrée 2/20
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
Equipe Optique Guidée et Intégrée 3/20
Les fibres microstructurées Air Silice considérées
CoeurGaine optique}
d
Equipe Optique Guidée et Intégrée 4/20
Biréfringence dans une FMAS parfaite
nR
nL
Pas de biréfringence de géométrie à cause de la symétrie en /3
nL = nR
Equipe Optique Guidée et Intégrée 5/20
Approche expérimentale : les fibres mesurées
Fibre 1d = 1.4 µm = 2 µm
Fibre 2d = 1.45 µm = 2.15 µm
Fibre 3d = 1.9 µm = 2.25 µm
Fibre 4d = 2.2 µm = 2.4 µm
Fibre 5d = 1.8 µm = 2.25 µm
Equipe Optique Guidée et Intégrée 6/20
Approche expérimentale : les fibres mesurées
Fibre 7d = 4.2 µm = 9.5 µm
Fibre 6d = 2 µm
= 3.3 µm
Equipe Optique Guidée et Intégrée 7/20
Approche expérimentale : Méthodes de mesure
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
-0.4
-0.2
0.0
z (cm)
Niv
eau
U.A
.
Méthode Magneto-optique (Thierry Chartier, ENSSAT Lannion)Mesure directe de la biréfringence de phase
Bph=/ Lb
avec Lb = D
Source laserPolarisée
/2 Bobine mobile Polariseur
Détection synchrone
Source de courant
Detecteur
Référence
FMAS sous test
Oscilloscope
0.2
0.4
0.6
0.8
D
lb=1cm
!Méthode inutilisable lorsque D =Lb > lb
Equipe Optique Guidée et Intégrée 8/20
0
Analyseur de spectre Optique
Source Large spectre
Fibre monomode
FMAS sous test
Fibre multimode
polariseuranalyseur
Ng =BG = B - ddB
2
L.=
Approche expérimentale : Méthodes de mesure
Méthode du spectre canneléMesure de la biréfringence de groupe
Equipe Optique Guidée et Intégrée 9/20
Fibre d (µm) (µm) d/ Ng = BG
mesuréph
mesuré
5
4.2 9.5 0.44 3.7 10-6
1
4
2 3.3 0.61 < 9 10-5
2
1.9 2.25 0.84 8.2 10-43
2.2 2.4 0.9 1.2 10-3
< 1.1 10-5
1.45 2.15 0.67 1.25 10-3
6
1.4 2. 0.7 3 10-4
Résultats de mesures
Incertitude
7.8 10-5
± 3 10-5
± 8 10-6
± 10-4
± 8 10-5
± 10-4
± 4 10-7
!
!
1.8 2.25 0.8 1.4 10-3 ±1.4 10-4
7
Equipe Optique Guidée et Intégrée 10/20
Résultats de mesures
• La biréfringence B est anormalement forte pour les fibres à petit pas ,
• Pas de lien évident avec le diamètre des trous d ou le rapport d/,
• 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 ?
Equipe Optique Guidée et Intégrée 11/20
Valeurs propres : constante de propagation (ou indice effectif ne)Vecteurs propres : champs électrique ou magnétique
Trous d'air
silice
CLsUtilisation de Conditions aux Limites aux bornes du domaine d'analyse
Résolution des équations de Maxwell vectorielles à chaque nœud du maillage
Description de la structure par des éléments triangulaires de base (maillage)
Approche théorique : Méthode des éléments finis
Attention, seule la contribution de la géométrie est prise en compteStress résiduel ou torsions non considérées
Equipe Optique Guidée et Intégrée 12/20
Le maillage :
• en automatique,
• en "manuel",
Bphne = 1.35 10-5 Biréfringence de maillage ensur une fibre parfaite
MEF : Les causes d'erreurs
d=1.9µm, µm (d/=0.79)=1.55µm
Dimensions des mailles </5
Bph = ney-nex < 4.10-9 0Biréfringence de maillage ensur une fibre parfaite
Equipe Optique Guidée et Intégrée 13/20
Image MEB(d 1.3µm ; 2µm)
Détermination du contour des trous
Maillage de la section de la fibre
Calcul des pour les deux
polarisations du mode fondamental
Ney=1,4011587145Nex=1,4005183093Bph=6.4 10-4
=1550nm
Calcul de la biréfringence de
géométrie
MEF sur profils réels de fibres
Equipe Optique Guidée et Intégrée 14/20
MEF : Les autres causes d'erreurs
L'image MEB :• angle, • défaut d'échelle, • définition des contours (contraste)
Equipe Optique Guidée et Intégrée 15/20
d (µm) (µm) d/Bph
calculéeIncertitude
1.45 2.15 0.67 7 10-4 ± 7.10-5
2 3.3 0.61 4.1 10-5 ± 4.10-6
4.2 9.5 0.44 1.7 10-6 ± 2.10-7
1.9 2.25 0.84 4.8 10-4 ± 5.10-5
2.2 2.4 0.9 7.8 10-4 ± 8.10-5
Fibre
6
1
4
2
3
7
1.34 2 0.7 1.24 10-4 ± 10-5
Biréfringence de phase calculée (due à la géométrie)
5 1.8 2.25 0.8 9.8 10-4 ± 10-4
Fibre PANDA Bph = 3.10-4
Fibre Bow-Tie Bph = 5.10-4
Fibre SMF28 Bph en 10-8
Equipe Optique Guidée et Intégrée 16/20
Fibre 2(d 1.45µm , 2.15µm d=0.67
Biréfringence de groupe : Ng = B- d
dB
Bir
éfri
ngen
ce c
alcu
lée
Bph
(x1
0-4)
Longueur d'onde (nm)
40
0
60
0
80
0
10
00
12
00
14
00
16
00
8
6
4
2
0
15
50
d
dBph
= 880m-1
1550nm
Dépendance spectrale de la biréfringence de phase
Equipe Optique Guidée et Intégrée 17/20
ph
calculéeFibre
6
1
4
2
3
7
g Ng
calculée
7 10-4
4.1 10-5
1.95 10-6
4.8 10-4
7.8 10-4
1.24 10-4
Résultats de calculs : Biréfringence de groupe
d (µm) (µm)
1.45 2.15
2 3.3
4.2 9.5
1.9 2.25
1.8 2.4
1.4 2
Incertitude
2.7 10-4
1.1 10-3
6.10-4
1.1 10-3
5 1.8 2.25 9.8 10-4 1.46 10-3
2.16 10-6
9.2 10-5
± 2.10-4
± 6.10-6
± 4.10-7
± 1.210-4
± 2.10-4
± 5.10-5
± 3.10-4
Equipe Optique Guidée et Intégrée 18/20
Comparaison des valeurs
Fibre n°
1 3 5 72 4 6
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8B
iréf
ring
ence
de
grou
pe (
10-3
)
0,001
0,01
0,1
1
Bir
éfri
ngen
ce d
e ph
ase
(10-3
)
Bg mesurée Bg calculée Bph mesurée Bph calculée
Equipe Optique Guidée et Intégrée 19/20
0.32 10-4
X 0.9 X 1.1
0.9
0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Bir
éfri
ngen
ce c
alcu
lée
Bph
(x
10-4)
Rapport d'échelle
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.54
4.5 Fibre 6d=0.61=1550nm
0.77 10-4
1
1.1
Rapport : 2.4
Influence de la taille de la structure
Equipe Optique Guidée et Intégrée 20/20
La biréfringence dans une fibre microstructurée réelle à symétrie en /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.
Conclusion