Couplage de fibre optique

Il y a deux approches du couplage de la lumière dans une fibre optique. Dans un cas, la fibre est multimodale et les principes de l’optique géométrique du chapitre précédent s’appliquent. Dans l’autre cas, la fibre est monomode et le problème est fondamentalement différent. Il faut alors accorder le mode du laser incident et celui de la fibre. Pour cela, l’approche de l’optique géométrique ne convient pas, il faut utiliser les concepts de l’optique gaussienne (voir Optique gaussienne).

Application 5: Couplage d’une lumière laser dans une fibre multimode

Le couplage de la lumière d’un faisceau laser correctement collimaté dans une fibre optique multimodale nous ramène au cas illustré sur la figure 5. Le rayon du cœur de fibre est notre limite pour y2. Nous devons nous assurer que le point de focalisation de la lentille a une taille inférieure à ce paramètre. Plus important encore, l’angle de la lentille à la fibre θ2 doit être inférieur à l’ouverture numérique de la fibre optique.
Prenons comme exemple le couplage de la lumière d’un laser HeNe U-1325 de Newport dans une fibre F-MSD. Le faisceau du laser a un diamètre de 0,81mm et une divergence de 1,0 mrad. La fibre a un diamètre de cœur de 50 mm et une ouverture numérique de 0,20. Supposons que le couplage du faisceau dans la fibre est effectué au moyen d’un coupleur F-915 ou F-915T et d’un objectif M-20X de Newport.
L’objectif a une distance focale effective de 9 mm. Le faisceau focalisé a donc un diamètre de 9 mm et un rayon maximal d’angle 0,05, et ces deux valeurs sont largement compatibles avec les paramètres de la fibre.
Il n’est généralement pas difficile de coupler la lumière d’une source laser correctement collimatée dans une fibre multimodale. Si l’utilisateur s’assure que le rayon maximal du faisceau focalisé se trouve bien dans l’ouverture numérique de la fibre, alors il réalise un couplage efficace.

Application 6: Couplage de la lumière d’une source diffuse dans une fibre multimodale

L’objet de l’application précédente était de focaliser une source de lumière parallèle sur l’extrémité d’une fibre. Celui de cette application est la formation d’une image d’une source diffuse étendue sur l’extrémité d’une fibre. Cela ressemble à l’application 1.3 où la lumière d’une source étendue était focalisée en un point. Ici, c’est une fibre qui collecte la lumière de la source. Par source diffuse, nous entendons une source qui émet de la lumière dans toutes les directions et dont l’intensité de la lumière est indépendante de la direction. Les lampes incandescentes et les objets fluorescents sont des exemples de sources diffuses.

FIGURE9R-SFigure 9

La figure 9 illustre la formation d’une image 1:1 dans la fibre. D’après la relation de conjugaison, nous avons s1 = s2 = 2f dans cette configuration. Le rayon de la fibre réceptrice étant y2, la lumière de la source est collectée à partir d’une surface limitée au rayon y1 = y2. L’angle maximal de couplage à la fibre, θ2, est limité à O.N, l’ouverture numérique. Comme l’image est à l’échelle 1, l’angle maximal à la source, θ1, est aussi égal à O.N. C’est donc la fibre et non la lentille, qui limite la quantité de lumière collectée. Dès lors que le rapport d’ouverture f/D est suffisamment petit, c’est-à-dire inférieur à 1/(2O.N), la fibre collecte la plus grande quantité possible de lumière de la source.
Observons ce qui se produit lorsque nous retirons la lentille et plaçons la fibre directement contre la source. Ce faisant, nous effectuons un couplage bout à bout de la fibre à la source. Dans ce cas, la fibre collecte la lumière à partir d’une surface de rayon y2 et d’angle O.N. c’est exactement ce que nous avons fait avec l’image 1:1. Or, pour la formation de l’image d’une source diffuse dans une fibre, il est impossible de collecter davantage de lumière que par couplage bout à bout.
En fait, ce résultat est tout à fait général. Considérons la figure 7 avec une direction de propagation inversée, et choisissons par exemple de concentrer la lumière sur l’extrémité de la fibre à partir d’une source de taille y1 = 5y2. Dans ce cas, la surface à partir de laquelle la lumière est collectée est 25 fois plus grande que la section de la fibre. Toutefois, d’après l’invariant de Lagrange-Helmholtz, nous devons avoir θ1 = O.N/5, ce qui signifie que nous collectons la lumière à partir d’un angle solide réduit au 1/25. La lumière totale collectée, éclairement énergétique x surface x angle solide, est donc constante. L'efficacité du couplage assuré par un système de lentilles entre une source diffuse et une fibre distante ne peut pas être meilleure que celui du couplage bout à bout. Ainsi, pour une efficacité maximale, il faut choisir une fibre dont le diamètre de cœur et l’ouverture numérique sont les plus grands possible.

Application 7: Couplage d’une lumière laser dans une fibre monomode

Le couplage d’une lumière laser dans une fibre monomode ne relève plus de l’optique géométrique, dans le cadre de laquelle nous avons travaillé jusqu’à présent, mais constitue un problème d’accord de mode en optique gaussienne. L’optique des faisceaux laser gaussiens est abordée à partir de la Optique gaussienne. Cette application est exposée ici afin de compléter les exemples de couplage de la lumière dans les fibres optiques.
Le couplage d’une lumière de longueur d’onde l d’un faisceau laser collimaté de diamètre D égal à 1/e2 dans une fibre dont le champ de mode a un rayon w s’effectue avec une lentille de distance focale
f = D(pw/4l)
Considérons le couplage d’un laser U-1335 de Newport (l = 633 nm, D = 1,2 mm) dans une fibre F-SV de Newport (w = 4,3 mm), au moyen d’un coupleur F-915 de Newport. On trouve f = 6,4 mm. Pour cette application, l’objectif de distance focale la plus proche est le M-20X de Newport, pour lequel f = 9 mm.
L’efficacité du couplage dépend de l’intégrale de recouvrement du mode gaussien du faisceau laser en entrée et du mode fondamental quasi-gaussien de la fibre. Cette intégrale de recouvrement est identique, que le mode d’entrée soit le plus grand ou le plus petit des deux modes. La distance focale de l’objectif M-20X est trop grande d’un facteur 1,4 et celle du M-40X est trop courte d’un facteur 0,7 ; c’est pourquoi le M-20X est plus adapté à cette application.