TP Fibres optiques multimodes et monomodes

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1 TP sur les fibres optiques TP Fibres optiques multimodes et monomodes Projet 1 : MANIPULATION DES FIBRES MULTIMODES. OUVERTURE NUMERIQUE GEOMETRIE DE LA FIBRE PROPRIETES MECANIQUES DES FIBRES MESURE DE L'OUVERTURE NUMERIQUE LISTE DES INSTRUCTIONS... 3 Projet 2 : FIBRES MONOMODES LES FIBRES MONOMODES L'APPROXIMATION GAUSSIENNE LE COUPLAGE D UNE FIBRE MONOMODE LISTE DES INSTRUCTIONS... 6 Projet 3 : LES FIBRES MONOMODES II LES FIBRES AVEC V > OBSERVATION DES MODES DE LA FIBRE... 9

2 Fibres optiques multimodes et monomodes Projet 1 : MANIPULATION DES FIBRES MULTIMODES. OUVERTURE NUMERIQUE Dans ce premier projet vous allez apprendre comment préparer les extrémités des fibres pour leur usage en laboratoire. Vous pourrez observer la géométrie d'une fibre et vous mesurerez l'ouverture numérique (NA) d'une fibre multimode de télécommunication à gradient d'indice. La méthode qui est présentée pour la détermination de la NA d'une fibre illustre bien ce qu'il faut retenir. Une autre technique de mesure, qui est souvent utilisée en pratique, sera traitée dans le Projet # GEOMETRIE DE LA FIBRE Figure 1.1 Géométrie d'une fibre optique: cœur (core), gaine (cladding), jaquette (jacket). Une fibre optique est illustrée en Fig Elle consiste en un cœur, d'indice de réfraction n core, de section transverse cylindro-circulaire de rayon a et de diamètre 2a, et une gaine optique d'indice n cl, qui entoure le cœur et a un diamètre extérieur d. Les valeurs typiques du diamètre de cœur sont de 4 à 8 microns pour les fibres monomodes et de 50 à 100 microns pour les fibres multimodes utilisées en télécommunications et de 200 à 1000 microns pour les fibres à large cœur utilisées dans les applications de transmission de puissance. Les fibres destinées aux télécommunications ont une valeur de d entre 125 et 140 microns, avec quelques fibres monomodes à 80 microns. Dans les fibres de télécommunication de haute qualité, le cœur et la gaine sont en verre de silice avec de faibles quantités d'impuretés dans le cœur pour accroître légèrement l'indice de réfraction. On trouve aussi des fibres de moindre qualité ayant un cœur de silice entouré d'une gaine plastique, ainsi que des fibres tout-plastique. Ces dernières ont des coefficients d'atténuation très élevés et sont utilisées seulement pour les applications demandant de courtes longueurs de fibre. Une jaquette protectrice entoure généralement la fibre. Cette jaquette peut être faite de plastique et avoir un diamètre extérieur de 250 à 1000 microns. Cependant la fibre peut aussi être revêtue d'une très fine couche de vernis ou acrylate. On travaille actuellement sur des revêtements non organiques : métaux ou céramiques. 1.2 PROPRIETES MECANIQUES DES FIBRES Avant de mesurer la NA d'une fibre il est nécessaire de préparer ses extrémités de manière à ce que la lumière puisse être facilement injectée et extraite. La fibre est clivée par une technique de cassure après rayure. Une lame de carbure ou de diamant effectue une amorce de rupture sur la fibre (Fig. 1.2). Une contrainte longitudinale, appliquée en tirant, fait se propager la rupture à travers la fibre et la clive selon une section transverse plane perpendiculaire à l'axe de la fibre. Figure 1.2: Clivage d'une fibre. Une rayure est faite avec un couteau diamanté. La fibre est ensuite étirée pour propager la rayure à travers la fibre. En théorie, la force de rupture d'une fibre peut être très grande, jusqu'à 50kbar (ou 5GPa). Cependant, du fait de l'inhomogénéité et des défauts, les fibres ne présentent pas une résistance à la traction de cet ordre. Avant d'être enroulée sur une bobine, la fibre est étirée 1

3 projet #1 : Manipulation des fibres optiques. Ouverture numérique par une paire de poulies qui exercent une traction constante (traction par unité de longueur). Ce procédé est appelé élongation test. Les fibres commerciales usuelles sont testées à environ 3kbar (340 MPa), ce qui équivaut à une traction d'environ 4N sur une fibre de 125 microns de diamètre extérieur. En présence d'une amorce de rupture cette valeur est considérablement réduite. La fracture se produit lorsque la contrainte au point de rupture est égale à la force théorique de rupture, même si la contrainte moyenne dans le corps de la fibre est encore très faible. L'amorce engendre une séquence de ruptures des liaisons atomiques à la pointe de la fissure. C'est la raison pour laquelle une fissure droite va produire une extrémité de fibre clivée plane. On exige des fibres une grande résistance mais aussi la flexibilité. Une fracture se produit généralement aux endroits de grande déformation lorsque la fibre est courbée. Dans une fibre de rayon d/2 et de rayon de courbure R, comme montré en Fig: 1.3, la contrainte de surface sur la fibre est définie comme l'élongation de la surface de la fibre, (R + d/2)θ - R θ, divisée par la longueur de l'arc, Rθ. La déformation est donc d/2r. Bien que les fibres de silice soient faites de manière à subir des déformations de plusieurs pourcents, on considère que la limite supérieure de la déformation qui garantisse la survie de la fibre dans un câble installé est d'une fraction de 1%. Si l'on prend une limite de déformation de 0.5 % comme une valeur de sécurité raisonnable, une fibre de 125 microns de diamètre pourra survivre à un rayon de courbure de 1,25 cm. Figure 1.3 : contraintes sur une fibre courbée. 1.3 MESURE DE L'OUVERTURE NUMERIQUE La NA d'une fibre dans l'approximation de faible guidance vaut: Figure 1.4 : incidence d'une onde plane sur une fibre. NA = ncore 2 (1.1) où n core est soit l'indice de réfraction du cœur pour une fibre à saut d'indice, soit l'indice de réfraction au centre du cœur pour une fibre à gradient d'indice, et est la différence d'indice relative, ncore ncl = (1.2) ncore Par exemple, une fibre multimode de télécommunications typique a =0.01, ce qui est un cas où l'approximation de faible guidance, qui suppose «1, est bien justifiée. Dans les fibres à base de silice, n core sera approximativement En utilisant l'eq. 1.1, ces valeurs de et de n core donnent NA=0.2. Cela donne à l'angle d'incidence maximum une valeur de 11.5 degrés et un angle total de cône de 23 degrés. Les valeurs de NA vont d'environ 0.1 pour les fibres monomodes à pour les fibres multimodes, jusqu'à 0.5 pour les fibres à large cœur. La manière dont la lumière est injectée dans la méthode utilisée ici pour mesurer la NA est illustrée en Fig La lumière venant du laser représente un front d'onde se propageant dans la direction z. La dimension transverse du faisceau laser, environ 1 mm, est beaucoup plus grande que le diamètre du cœur de la fibre, 100 microns dans le cas présent. Dans le voisinage du cœur, le front d'onde du rayonnement laser prend la même valeur en tout point de même z, ce qui revient à dire que nous avons une onde plane se propageant parallèlement à l'axe z. Puisque l'onde incidente sur l'extrémité de la fibre est plane, on est certain que tous les rayons introduits dans la fibre ont le même angle d'incidence θ c (Fig. 1.4). 2

4 Fibres optiques multimodes et monomodes La Fig. 1.5 illustre la lumière acceptée par une fibre multimode Newport F-MLD en fonction de l'angle d'acceptance dans la méthode qui vient d'être décrite. Le point où le rayonnement accepté tombe à 5% de la valeur crête définit l'angle maximum intervenant dans la détermination expérimentale de la NA. Cette valeur de 5% est un compromis permettant de réduire les exigences sur le niveau de puissance devant être distingué du bruit de fond. Notons que dans la Fig. 1.5 les niveaux de rayonnement ont été mesurés avec une rotation de la fibre dans les deux sens et que la NA a été déterminée en utilisant la moitié de l'angle total entre les deux points à 5 % d'intensité relative, ce qui élimine les petites erreurs résultant de l'alignement imparfait de l'onde plane du laser en θ c = 0. La NA obtenue dans ce cas est 0.29, ce qui est comparable à la spécification donnée par le fabricant : LISTE DES INSTRUCTIONS PREPARATION DES EXTREMITES DE FIBRES 1. Enlevez la jaquette sur 3-4 cm d'un segment de fibre F-MLD de 2m à l aide d une pince à dénuder. Figure1.5 : données enregistrées lors de la mesure de la NA de la fibre Newport F-MLD 2. Utiliser l'outil à cliver pour cliver la partie nue de la fibre. Lisez bien la notice d utilisation de la cliveuse. Si vous respectez les instructions de la notice étape par étape, vous aurez certainement un bon clivage de la fibre. 3. Nettoyer délicatement les extrémités de la fibre avec un kleenex imbibé d éthanol. 4. Vérifier la qualité du clivage en l'examinant au fiberscope. L'extrémité devrait apparaître plate et ne doit pas montrer de défauts, comme en Fig.l.6 a). Cependant, des copeaux ou des éclats qui apparaissent près de la périphérie de la fibre peuvent être acceptés s'ils ne s'étendent pas dans la région centrale. Quelques fibres mal clivées sont illustrées en Fig. 1.6 b) et c). Observer la géométrie de la fibre comme elle a été décrite dans l'introduction. Vous pourrez voir la lumière se réfléchir sur la partie centrale de la fibre: c'est le cœur. La région entourant le cœur est la gaine optique. Vous ne pourrez voir la jaquette puisque vous l'avez enlevée en extrémité MESURE DE L'OUVERTURE NUMERIQUE 1. Enclenchez le laser He-Ne au moyen de l'interrupteur à clé sur la face de l'alimentation. Ajustez la position du laser si nécessaire en dévissant les vis du support laser. Figure 1.6 : Extrémités de fibres clivées. (a), clivage correct, malgré un éclat en bord de gaine. (b), fibre fissurée, clivage incorrect. (c), vue de côté d'une lèvre à l'extrémité de la fibre, clivage incorrect. 2. Montez la platine de rotation RSX-2 sur la plaque de base de manière à ce que le faisceau du laser HeNe passe au-dessus du centre du trou de la platine de rotation. Pour faciliter la visualisation de l axe de rotation de la platine, vissez une tige au centre de la platine avec une vis sans tête à son extrémité. La platine RSX-2 devra être placée à un certain angle par rapport à la ligne de trous de manière à pouvoir être vissé en place comme indiqué en Fig Fixez le support de montant MPH-1 sur la platine de rotation et placez le montant MSP-1 à l'intérieur comme en Fig. 1.7, 3. Installez le segment de fibre préparée en section : Le support de fibre FPH-S est une partie 3

5 projet #1 : Manipulation des fibres optiques. Ouverture numérique du positionneur de fibre FP-1. Introduisez une extrémité de fibre dans un support de fibre FPH-S. Placez ce support dans le positionneur de fibre FP-1 qui aura été monté sur la platine de rotation RSX-2 en utilisant le support de montant de la série MPH et le montant de la série MSP. 4. Tirez l'extrémité de la fibre et orientez le positionneur FP-1 de façon à ce que l'extrémité de la fibre soit à l aplomb de l axe de rotation de la platine. Ceci est une étape cruciale pour l'obtention d'une valeur précise de l'ouverture numérique de la fibre. 5. Vérifiez l'alignement de votre système d'injection, de lumière en vous assurant que le bout de la fibre reste au centre du faisceau laser lorsque la platine tourne. Cette disposition réalise l'injection d'une onde plane à l'ouverture de votre fibre. Figure 1.7 : montage expérimental permettant la mesure de l'ouverture numérique. 6. Montez l'autre extrémité de la fibre dans un support de fibre FPH-S (pris sur un positionneur de fibre FP-1) et le positionneur FP-1. Vous pouvez avoir une rapide mesure approximative de l'ouverture numérique avec une carte placée à une distance L de l'extrémité de la fibre, loin du laser dans une pièce sombre comme montré en Fig Mesurez la largeur W de la tache lumineuse sur la carte, et la distance fîbre-carte, L. La NA est environ w NA = tan 1 2L Ceci est une mesure moins précise que l'on utilise lorsqu'une estimation rapide de la NA est requise. 7. Montez la tête détectrice de l'instrument de mesure de puissance Modèle 815 de manière à ce que le faisceau de sortie de la fibre tombe sur la tête détectrice, comme illustré en Fig Réalisez un cache au moyen d'une feuille de canson noir pour protéger le détecteur de la lumière ambiante diffuse. Vous constaterez que cela est une précaution utile car les niveaux de puissance obtenus par excitation avec une onde plane sont faibles. Interceptez le faisceau laser et notez la puissance mesurée par l'appareil. Cela définira le niveau de la lumière diffuse vue par le détecteur. Vous devrez soustraire cette valeur de vos résultats de mesure ultérieurs. 8. Mesurez la puissance acceptée par la fibre en fonction de l'angle d'incidence de l'onde plane du laser. Utilisez les directions positives et négatives de rotation pour compenser les erreurs d'alignement restantes. Figure 1.8 : mesure approchée de l'ouverture numérique d'une fibre. 9. Reportez la puissance reçue par le détecteur en fonction du sinus de l'angle d'acceptance. On recommande l'utilisation d'une échelle semilogarithmique. Mesurez la largeur totale de la courbe aux points où la puissance reçue est à 5 % de l'intensité maximale. La demi-largeur à cette intensité est l'ouverture numérique de la fibre déterminée expérimentalement. Comparez ce résultat avec le résultat du point 6 et celui de la figure

6 Projets sur les fibres optiques Projet 2 : FIBRES MONOMODES Dans ce projet vous allez commencer le premier des deux exercices qui traitent des propriétés modales des fibres et des propriétés des fibres monomodes. Vous apprendrez comment coupler un faisceau laser dans une fibre monomode de 4 microns de diamètre de cœur. Vous mesurerez ensuite la distribution de puissance du champ lointain de la fibre en fonction de l'angle et déterminerez dans quelle mesure elle vérifie le modèle théorique qui sera décrit dans ce qui suit. 2.1 LES FIBRES MONOMODES Dans les deux premiers projets quelques-unes des propriétés des fibres multimodes ont été explorées. Leurs propriétés peuvent être aisément décrites en terme de chemin des rayons se propageant dans la fibre. Cette approche par les rayons décrit de manière adéquate la propagation dans des fibres de grand diamètre de cœur avec un grand nombre de modes mais elle échoue à décrire les fibres à faible diamètre de cœur ne propageant qu'un ou quelques modes. Pour les fibres de ce type, il est nécessaire de partir de la description des modes de propagation de la lumière dans les fibres. Une description détaillée des caractéristiques de propagation d'une fibre optique s'obtient en résolvant les équations de Maxwell dans le guide d'onde cylindrique circulaire. Cela conduit à la connaissance des modes permis qui peuvent se propager. Lorsque le nombre de modes est très grand, la mathématique devient encombrante; c'est là que l'approche par les rayons est utilisée pour décrire les propriétés du guide d'onde. Le nombre V caractérise le comportement de la fibre. Il s'écrit comme V = k f. a. NA (3.1) où k f est le nombre d'onde dans l'espace libre, égae à 2π/λ 0 (λ 0 est la longueur d'onde dans l'espace libre), a est le rayon du cœur et NA est l'ouverture numérique de la fibre. Le nombre V est utilisé pour caractériser quels modes peuvent se propager dans un guide d'onde donné. Lorsque V < 2.405, seul un mode, le mode "fondamental" HE 11 (ou LP 01 ), peut se propager. C'est le régime monomode. La longueur d'onde pour laquelle V = est appelée la longueur d'onde de coupure (notée λ c ) car c'est la longueur d'onde à laquelle le mode d'ordre supérieur est à sa coupure et ne peut plus se propager. La fibre Newport F-SV a un cœur de diamètre 4 microns et une NA de 0,11. Par conséquent, d'après l'eq. 3.1, cette fibre a un nombre V égal à 2.19 à 633 nm de longueur d'onde, ce qui est bien dans le régime monomode. C'est la fibre que vous utiliserez dans le présent projet. 2.2 L'APPROXIMATION GAUSSIENNE Figure 3.1 : irradiance d'un faisceau gaussien. Dans un guide dans lequel le diamètre du cœur est très grand relativement à la longueur d'onde, l'irradiance du mode d'ordre le plus bas a une forme gaussienne. C'est-à-dire que l'irradiance en fonction de la distance à partir du centre du faisceau a la forme : 2 r I(r) = I(0) exp 2 r (3.2) 0 où l(0) est l'irradiance au centre du faisceau et r. est la mesure du rayon du faisceau, c'est-à-dire le rayon auquel l'irradiance est à 1 /e 2 de sa valeur au centre. La Fig. 3.1 illustre l'irradiance d'un faisceau gaussien. 5

7 projet #2 : Fibres monomodes r/a Figure 3.2 : comparaison du mode fondamental de la fibre avec un mode gaussien lorsqu'on est près de la longueur d'onde de coupure (V=2.4). Le champ du mode HE 11 d'une fibre est très voisin d'un mode gaussien lorsque le mode est près de la coupure du mode suivant. La Fig. 3.2 illustre la forme de la distribution de puissance du mode fondamental là où le nombre V est voisin de 2.405), en fonction de r/a où r est la position radiale et a de rayon du cœur. Les deux lignes représentent la distribution de puissance du mode et une gaussienne. Les deux courbes sont similaires si bien que la solution exacte près de la coupure du mode suivant est souvent approchée par une gaussienne. Dans le cas d'un profil d'indice parabolique avec un rayon de cœur infini, la fonction gaussienne est la solution exacte pour le mode fondamental. La Fig. 3.3 représente la distribution modale exacte avec l'approximation gaussienne à une plus grande longueur d'onde, plus loin de la coupure du mode supérieur. On voit que l'approximation gaussienne est moins précise. Cependant la forme qualitative de la solution exacte n'est pas trop éloignée d'une gaussienne. Dans ce projet vous allez évaluer cette approximation gaussienne pour une fibre monomode. 2.3 LE COUPLAGE D UNE FIBRE MONOMODE r/a Figure 3.3 : comparaison du mode fondamental d'une fibre et d'un mode gaussien plus loin de la longueur d'onde de coupure (V=1,8) Coupler la lumière dans une fibre multimode est relativement facile. Cependant, maximiser le couplage à une fibre monomode est beaucoup plus difficile. En plus d'un alignement très précis de la fibre avec le faisceau incident, il est nécessaire d'adapter la distribution du champ électromagnétique incident à celle du mode qui se propagera dans la fibre. Le profil modal du mode HE 11 d'une fibre à saut d'indice peut donc être approché par une gaussienne dont on donne la demi-largeur à hauteur 1/e 2, w 0, comme : 1,5-6 w 0 = a( 0,65 + 1,619V V ) (3.3) où a est le rayon de cœur. Par exemple lorsque V=2.405 la dimension du mode (2w 0 ) est approximativement 10 % plus grande que le diamètre de cœur (2a). Donc, dans ce cas, le faisceau incident devrait être focalisé à une dimension de faisceau qui est 1.1 fois le diamètre de cœur sur la face d'entrée de la fibre. La Fig. 3.4 est une représentation du rayon normalisé de la distribution gaussienne en fonction du nombre V. On voit que, pour un rayon de fibre donné, la dimension du mode s'accroît lorsque V décroît. Lorsque la longueur d'onde décroît, le champ électromagnétique du mode est de moins en moins confiné dans le guide d'onde. C'est la raison pour laquelle les fibres monomodes sont conçues de manière à ce que la longueur d'onde de coupure ne soit pas trop éloignée de la longueur d'onde d'utilisation de la fibre. Typiquement, ce sera environ 90 % de la longueur d'onde de travail. 2.4 LISTE DES INSTRUCTIONS OPTIMISATION DU COUPLAGE MONOMODE 1. En utilisant l'eq. 3.1, confirmez que V est bien égal à 2.19 à 633 nm de longueur d'onde pour la fibre F-SV (NA=0.11). Utilisez l'eq. 3.3 pour trouver la dimension du mode de la fibre pour cette valeur du nombre V. (Valeur approchée de la dimension du mode = 2w. = 1.2 x 2a.) V Figure 3.4 : rayon du mode fondamental en fonction de V 2. Pour coupler la lumière dans une fibre monomode, on commence par utiliser un objectif de microscope pour focaliser le faisceau incident collimaté en une tache lumineuse de faible dimension. Le 6

8 Projets sur les fibres optiques diamètre d 1 de la tache au point de focalisation du faisceau peut être déterminé à partir de la longueur focale, f=8.3 mm, de la lentille de l'objectif de microscope, et du diamètre d du faisceau laser avant son entrée à la face arrière de l'objectif, et en utilisant d 1 = 4λf/πd (3.4) d peut être obtenu à partir de la divergence du laser, qui est de 1.3 mrad, et de la distance du laser à la lentille de l'objectif, en utilisant une équation de l'optique gaussienne : ( 2zθ / ) 2 d = d0 1+ d 0 (3.5) Dans cette équation, d 0 est le diamètre du faisceau laser à la sortie du laser (0.63 mm pour le laser que vous utilisez), z est la distance laser-lentille, et θ est la divergence du faisceau en radian. Figure 3.5 : couplage d'un laser dans une fibre monomode 3. Si vos calculs des étapes 1 et 2 montrent que d 1 = 2w 0, alors le couplage optimum devrait être obtenu lorsque le faisceau incident est focalisé sur le cœur de la fibre, comme montré en Fig Si d 1 2w 0,, alors la valeur de d 1 doit être ajustée en changeant la distance entre le coupleur F-916 et le laser. Par exemple, éloigner le laser de l'objectif fait s'accroître le diamètre d du faisceau du fait de la divergence de ce dernier, ce qui a pour effet de diminuer d Montez le laser HeNe et le coupleur fibre F- 916 avec une lentille d'objectif 20 x de façon à ce que le faisceau laser soit parallèle à l'axe de la lentille et passe au centre de celle-ci comme illustré en Fig Assurez-vous que le montage lentille/fibre-positionneur, qui est la partie supérieure du coupleur, soit disposé de manière à ce que le plan focal arrière de la lentille de l'objectif de microscope soit juste au-dessus du pivot de la platine inclinable. Le plan focal arrière de la lentille de l'objectif M-20X est situé à 1.25 mm de la lentille comme illustré sur la Fig Figure 3.6 : objectif de microscope, montrant le plan focal objet 5. Repérez sur la paillasse un segment de fibre monomode F-SV, la cliver et nettoyez délicatement les deux extrémités de fibre à l aide d un papier Kleenex imprégné d éthanol. Montez une extrémité de fibre dans le support de fibre du coupleur F-916 et introduisez-le dans le F-916. Amenez l'extrémité de la fibre dans le plan focal de la lentille de l'objectif en tournant le bouton d'ajustement grossier du positionneur FP-1 du coupleur F-916. Cela garantira que la composante z de l'alignement de la fibre est à peu près correcte et que le faisceau laser frappe la face de la fibre, sinon déjà le cœur. 6. Ajustez les composantes x et y de l'alignement de la fibre en utilisant les boutons d'ajustement fin de la plate-forme inclinable du coupleur F-916 de manière à obtenir le couplage maximum du faisceau dans la fibre. Calculez la perte due au couplage. La mesure de la puissance de sortie se fera au moyen du Wattmètre Modèle 815. Pour quelqu'un qui n'a jamais effectué un couplage monomode, une perte totale (de la sortie du laser à la sortie de la fibre) de 3 db (50 % de pertes) peut être considérée comme un bon résultat; cependant on doit pouvoir atteindre moins de 2 db avec de l'expérience (perte < 37 %) L'APPROXIMATION GAUSSIENNE Figure 3.7 : montage permettant d'examiner l'approximation gaussienne dans une fibre monomode 1. Montez la fin de la fibre sur la platine de rotation RSX-2 exactement de la même manière que le début de la fibre a été monté dans le Projet #1. Le montage expérimental est illustré en Fig Cette fois cependant vous allez mesurer la distribution dans le champ lointain de la fibre. Le champ lointain d'une fibre est considéré comme défini à partir d'une distance 7

9 projet #2 : Fibres monomodes 2 Z0 = (2a) / λ de l'extrémité de la fibre. Le champ lointain est en fait la région où le fait que le cœur n'est pas de dimension nulle ne joue aucun rôle dans la distribution d'énergie. 2. Masquez la tête détectrice du mesureur de puissance, comme illustré en Fig. 3.8, et montez-la sur la table à quelques centimètres de la face de la fibre. Deux bouts de papier noir collés côte à côte avec un espace d'environ 1 mm entre les bords font un bon masque. Vérifiez dans ces conditions que vous êtes bien dans le champ lointain de la fibre. Figure 3.8 : masquage du détecteur avec une fente Figure 3.9 : résultats expérimentaux obtenus par le constructeur. 3. Lorsque vous tournez l'extrémité de la fibre en tournant la platine de rotation, vous allez balayer la distribution de puissance du champ lointain de la fibre avec le détecteur. Mesurez la puissance reçue par le détecteur en fonction de la position angulaire de la fibre. Utilisez les sens de rotation positif et négatif pour compenser les erreurs sur l'alignement angulaire. 4. Représentez la distribution du champ lointain en fonction de l'angle. 5. La Fig. 3.9 représente les mesures obtenues dans le laboratoire de Newport. Tirez de vos résultats la valeur maximum de la puissance. Appelez cette valeur l(0). Cherchez ensuite les points où la puissance est tombée à I(0)/e 2. Mesurez la largeur totale entre ces deux points comme illustré en Fig Prenez la moitié de cette largeur et appelez-la θ 0. Dessinez une courbe gaussienne sur le même graphique que celui de vos données expérimentales. Utilisez l'eq. 3.2 en remplaçant r par θ et r 0 par θ 0. Comparez ces deux courbes et évaluez la validité de l'approximation gaussienne pour cette fibre à cette longueur d'onde. La plupart des fibres monomodes ont un profil proche d'un saut d'indice. Dans ce cas, la distribution du champ proche (balayage en fonction de la position à travers la face de la fibre) et la distribution du champ lointain (balayage en fonction de l'angle loin de la face de la fibre) auront la même forme où r/a et sinθ/na joueront respectivement le rôle de la variable d'échelle. On peut donc ainsi évaluer l'approximation gaussienne par l'observation du champ lointain de la fibre puisque celui-ci est une imitation de la distribution en fonction de la position à l'intérieur de la fibre. 8

10 Projets sur les fibres optiques Projet 3 : LES FIBRES MONOMODES II Dans le Projet #2 on vous a donné une introduction aux fibres optiques monomodes. Dans le Projet #4 on poursuivra l'étude des fibres de faible nombre V. Cette fois-ci vous allez commencer avec une fibre au nombre V supérieur à Une telle fibre est multimode mais le nombre de modes est suffisamment faible pour que l'on puisse les identifier individuellement lorsqu'on examine la sortie de la fibre. 3.1 LES FIBRES AVEC V > Figure 4.1 : modes de polarisation linéaire dans une fibre optique Si V est inférieur à 2.405, un seul mode peut se propager. Ce mode unique est le mode HE 11 ou, dans la théorie des modes linéairement polarisés pour une fibre à faible guidance, le mode linéairement polarisé LP 01. Lorsque V > 2.405, d'autres modes peuvent se propager dans le guide d'onde fibre, comme illustré en Fig Le premier mode linéairement polarisé, qui apparaît à V=2.405, est le LP 11, qui est le premier mode d'ordre supérieur dans l'approximation de faible guidance. Lorsque V est légèrement supérieur à 2.405, seuls les modes LP 01 et LP 11 peuvent se propager. Cependant, lorsque V=3.832, deux nouveaux modes LP peuvent se propager : ce sont les modes LP 21. et LP 02. La configuration du champ électromagnétique de ces modes est illustrée en Fig Avec une fibre au nombre V approprié ces modes peuvent être excités sélectivement en variant la position et l'angle auxquels un faisceau fortement focalisé et à la bonne longueur d'onde est projeté sur le cœur de la fibre. Ceci fait, le champ proche de la fibre peut être observé et les configurations modales des modes individuels peuvent être identifiées. La fibre Newport F-SS est une fibre conçue pour être monomode à 1300 nm de longueur d'onde. Elle a une NA de 0.11 et un rayon de cœur de 4 microns. A 1300 nm le nombre V est Mais à 633 nm de longueur d'onde V=4.39. On peut voir sur la Fig. 4.1 que la fibre devrait permettre la propagation à 633 nm des modes linéairement polarisés LP 01, LP 11, LP 21 et LP 02. Dans ce projet vous utiliserez la lumière d'un laser HeNe pour exciter sélectivement les différents modes LP dans un segment de fibre Newport F-SS. 3.2 OBSERVATION DES MODES DE LA FIBRE 1. Préparez les deux extrémités d'un segment de 2 mètres de fibre F-SS comme au Projet #1. 2. Couplez le faisceau du laser HeNe dans la fibre en utilisant le coupleur F-916 comme décrit au Projet # 1, et optimisez l'efficacité de couplage. Figure 4.2 : Distribution transverse d'intensité lumineuse de quelques modes polarisés rectilignement. 3. Insérez la fin de la fibre dans le positionneur de fibre FP-1. Insérez l'objectif de microscope 40 x dans le support MH-2PM et montez cet assemblage. Le montage de laboratoire pour cette partie du projet est montré en Fig Utilisez l'objectif de microscope pour faire l'image de la sortie de la fibre sur une paroi à proximité. 9

11 projet #3 : fibres monomodes II. Plus la distance de l'image est loin, plus l'image sera grande. Trois mètres est une distance adéquate. 5. Examinez cette projection de la distribution du champ proche. Changez l'ajustement de la position de la fibre dans le F-916. Cela a pour effet de changer la position et l angle de l'excitation du faisceau focalisé dans la fibre. Remarquez quel changement cela produit sur la projection du champ proche de la fibre. 6 Dessinez les images de champ proche que vous êtes capables d'obtenir. Comparez-les avec les distributions des modes LP lm, figurant en Fig Identifiez les configurations qui semblent être des modes LP lm. purs et celles qui sont des combinaisons de deux ou plusieurs modes LP lm. Figure 4.3 : montage permettant l'observation des premiers modes dans une fibre à faible V. 10