Réseaux de Bragg caractéristiques & applications télécoms

Dans ce chapitre, nous présentons quelques caractéristiques essentielles des réseaux de Bragg à fibres, qui ont suscité et suscitent encore une recherche scientifique intense dans plusieurs domaines díapplications. Les réseaux de Bragg (FBGs) sont des composants passifs présentant des fonctionnalités de base pour la réáexion (routage) et le filtrage des signaux optiques. Ils sont relativement simples à fabriquer, leurs petites tailles varient généralement entre quelques millimËtres à quelques centimËtres (1-20 mm). Ils ont de faibles co˚ts et présentent, en raison de leurs propriétés intrinsËques, une bonne immunité contre les modifications des conditions ambiantes, les interférences électromagnétiques et le rayonnements ionisant. Actuellement, les FBGs ont déjà remplacé les composants optiques massifs tels que les réseaux de di§raction classiques, les miroirs, les filtres et les séparateurs de faisceaux dans de nombreux équipements, ce qui augmente la stabilité et la mobilité de nos systËmes optiques modernes. En plus, les FBGs sont des composants en fibres et peuvent Ítre facilement intégrés dans díautres dispositifs optiques, car ils sont considérés comme des composants à trËs faible perte díinsertion. Ainsi, ils ne participent pas à la dégradation des signaux dans les systËmes de transmission optiques. Enfin, les FBGs sont déjà disponibles dans le commerce et ils sont utilisés notamment dans le domaine des télécommunications et des technologies des capteurs à base de fibres optiques. LíintérÍt pour les réseaux de Bragg (FBGs), photo-inscrits sur fibres optiques [80, 81], a augmenté au cours de ces derniËres années en raison de leur facilité de fabrication et de leurs nombreuses applications dans le domaine des technologies de la fibre optique. En particulier, ils peuvent Ítre e¢ cacement utilisés pour la compensation de la dispersion de líénergie dans les systËmes de communications optiques longues distances à haut débit [82, 83, 84], la régénération et la remise en forme díimpulsions optiques [85, 86]. En outre, les FBGs peuvent Ítre utilisés pour la formation de cavités résonantes de hautes qualités pour la mise en úuvre des lasers à fibres optiques de di§érentes géométries et la stabilisation en fréquence des lasers à semi-conducteurs [87, 88, 89]. Aussi, les FBGs sont considérés comme des filtres spectraux basés sur le principe de la réáexion de Bragg [90].

Historique et découverte des réseaux de Bragg

Il est intéressant de noter que la découverte des réseaux de Bragg fut démontré pour la premiËre fois par Hill et ces collaborateurs en 1978 au Centre de Recherche en Communication canadien (CRC) [91, 92]. Ils sont développés en inscrivant une modulation périodique díindice de réfraction du cúur de la fibre optique en utilisant une figure díinterférence issue díune lumiËre laser ultraviolette intense (UV). En termes de fabrication, actuellement, il y a trois techniques essentielles pour la photo-inscription de réseaux de Bragg, à savoir, la technique interférométrique (ou holographique) [93], la technique point par point [94], et la méthode de masque de phase [81, 95]. Notez que chaque technique a ses propres avantages et inconvénients. Dans un premier temps, líobservation et líétude de la réfraction photo-induite dans les fibres optiques était une simple curiosité scientifique, mais au fil du temps, elle est devenue la base díune nouvelle technologie, qui a maintenant un rÙle primordial dans les systËmes de communications optiques et des capteurs à fibres. Présentement, le domaine de la recherche sur les réseaux de Bragg photo-inscrits sur fibres optiques compte parmi les sujets díactualité pour la recherche scientifique et le développement des technologies optiques avancées [96], [97, 98]. Historiquement, la percée technologique fut débutée en 1978 par Hill et ces collaborateurs, qui ont montré la possibilité de perturber de faÁon permanente líindice de réfraction díune fibre optique par exposition à la lumiËre ultraviolette [91]. Il est à noter que la photosensibilité des fibres optiques à la lumiËre (UV) a été découverte de faÁon accidentelle par ces auteurs lors díune expérience sur des e§ets non linéaires dans une fibre en silice dopée au germanium. Cependant, la premiËre méthode holographique pour la photo-inscription des réseaux périodiques a été proposée par Meltz et al. [99]. Celle-ci est une technique interférométrique trËs áexible qui o§re la possibilité de choisir la longueur díonde de Bragg désirée. Cinq ans plus tard, Hill et ces collaborateurs ont introduit la technique de masque de phase, qui ne demande pas de matériel sophistiqué pour líélaboration des réseaux de Bragg avec di§érentes configurations [100]. Ainsi, les réseaux de Bragg ont été fabriqués dans tous les domaines spectraux qui intéressent, notamment, les télécoms et líinstrumentation optique. 

Définitions et principes

Un réseau de Bragg est un composant tout-optique basé sur un seul concept fondamental de la physique qui est la dispersion par une structure périodique. Ces structures présentent une variation périodique locale de la constante de propagation, qui est induite par la variation périodique de líindice de réfraction du guide díonde considéré. La distribution périodique de líindice de réfraction génËre, en quelques sortes, une suite de miroirs diélectriques spécifiques à une certaine longueur díonde. En e§et, de tels réseaux présentent une sélectivité spectrale incontestée. Car, ils ont le pouvoir de contrÙler la vitesse de propagation et par suite les caractéristiques dispersifs du matériau ou síy propage la lumiËre. En conséquence, la lumiËre peut Ítre accélérée, ralentie, ou mÍme quasi-arrÍtée. Toutes ces nouvelles propriétés ont conduit à la conception et le développement de nouveaux composants purement optiques díune grande utilité dans líoptimisation des capteurs à fibres optiques [101], des lasers à fibres optiques [87], et des systËmes de communications  optiques [102]. Explicitement, un réseau de Bragg fibré est un morceau de fibre optique, généralement de longueur ne dépassant pas les 3 centimËtres à líexception de certains réseaux spécifiques qui peuvent atteindre ou dépasser une longueur de 14 centimËtres [103], et dont líindice de réfraction du cúur est modulé de faÁon périodique, comme le représente le schéma de la figure (4.1). La modification díindice est obtenue par insolation latérale avec une figure díinterférence issue díun faisceau laser ultraviolet. Dans ce cas, on note que le laser à excimer1 à base de áuorure díargon (ArF ), qui émet à 193 nm, est le mieux placé pour ce genre díopération. De ce fait, il modifie périodiquement la phase (ou líintensité) de la lumiËre réáéchie (ou transmise). Líimage (4.1) montre que le FBG est caractérisé par trois paramËtres physiques, à savoir, sa longueur L, le pas  de la perturbation et la valeur de la modulation n. En e§et, ces paramËtres gouvernent toutes les propriétés spectrales des di§érents types de réseaux. Donc, ils peuvent Ítre modifiés ou adaptés pour répondre à la demande de diverses applications. En conséquence, on obtient des réseaux modifiés à structures complexes, autrement dit des réseaux exotiques. Du point de vue fondamental, le changement périodique de líindice de réfraction du cúur la fibre en silice dopée au germanium peut Ítre induite gr‚ce à la photosensibilité de celui-ci au rayonnement ultraviolet. En matiËre de procédés de fabrication, plusieurs méthodes interférométriques sont utilisées pour la fabrication de ces structures, parfois trËs complexes. Líexposition de la fibre dans un champ díinterférence díune lumiËre laser UV intense induit un changement permanent de líindice de réfraction du cúur seulement. La modulation de líindice de réfraction dépond de plusieurs paramËtres tels que la longueur díonde de la lumiËre díinsolation, la géométrie du champ díinterférence, le temps díexposition et de la puissance lumineuse incidente. La variation de líindice de réfraction peut Ítre représentée par la relation [97]. n(x; y; z) = n + n(x; y; z) cos(2  z) (4.1) o˘ n est líindice de réfraction moyen du cúur de la fibre non perturbée, n(x; y; z) est la modulation induite et  est la période spatiale du réseau de Bragg considéré.