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Réseaux de Bragg

La fibre optique est un moyen efficace de faire voyager des impulsions de lumière tout en limitant grandement la perte de leur intensité. La fibre se compose de deux couches : au centre, le « cœur » à indice de réfraction élevé et très petit diamètre transporte la lumière et, autour, la « gaine » à indice de réfraction inférieur empêche la lumière de sortir du cœur.

Figure 1 – Un réseau de Bragg sur fibre est une structure, fonctionnant comme un miroir, inscrite dans le cœur d’une fibre optique.

Qu’est-ce qu’un réseau de Bragg sur fibre?

Un réseau de Bragg sur fibre est une fibre optique dont le cœur possède un indice de réfraction qui varie (alternance entre élevé et faible) sur la longueur. Cette variation transforme la fibre en une sorte de miroir qui réfléchit certaines longueurs d’onde et en laisse passer d’autres. La longueur d’onde réfléchie dépend de la distance entre une section à indice de réfraction élevé et les sections à indice de réfraction faible. On appelle la distance entre deux sections à indice de réfraction élevé la « période du réseau de Bragg », notée « Λ ». Les réseaux de Bragg sur fibre reflètent la lumière à la longueur d’onde de Bragg, « λB », définie comme suit : λB = 2neffΛ, où neff est l’indice moyen effectif de réfraction de la fibre.

Le degré de réflexion dépend de l’ampleur de la modulation de l’indice qui, dans le réseau de Bragg, peut être un changement périodique constant ou un changement quasi périodique variable. Avec un réseau de Bragg ayant des sections de périodes différentes, une seule fibre optique peut contenir plusieurs « miroirs », permettant à diverses longueurs d’onde d’être réfléchies à différents points le long de la fibre. Le changement entre deux périodes n’est pas nécessairement abrupt. On dit des réseaux de Bragg dont la période change progressivement le long de la fibre qu’ils sont « à pas variable »; et le profil de cette période peut être plutôt complexe.

Figure 2 – On peut inscrire les réseaux de Bragg sur la fibre optique en l’exposant à un puissant rayon UV passant à travers un masque de phase.

Comment sont fabriqués les réseaux de Bragg sur fibre?

Pour fabriquer un réseau de Bragg, on « inscrit » des motifs dans le coeur, changeant l’indice de réfraction le long de la fibre. La façon la plus courante de procéder est de projeter ces motifs sur la fibre optique au moyen d’un rayon ultraviolet à ultrahaute résolution, qui fait augmenter l’indice de réfraction de la section exposée.

Il existe différentes méthodes pour créer ces motifs. L’une d’elles est la projection simultanée de deux rayons ultraviolets sur la fibre de manière à y créer un patron d’interférence à ultrahaute résolution. Pour les motifs plus complexes à pas variable, on place généralement un filtre transparent (un « masque de phase ») entre le rayon UV et la fibre. Ce masque crée des zones de fortes et de faibles brillances, qui augmenteront différemment l’indice de réfraction des sections exposées du cœur de la fibre.

Figure 3 – L’impulsion de lumière est composée de plusieurs longueurs d’onde (couleurs). La lumière bleue voyage plus vite que la lumière rouge. Lorsque l’impulsion traverse une longue fibre, les longueurs d’onde se dispersent, ce qui étire l’impulsion. On appelle ce phénomène la « dispersion chromatique ».

Qu'est-ce que la dispersion chromatique

On peut associer une impulsion de lumière à une longueur d’onde bien précise, mais, en réalité, cette impulsion est composée d’une gamme étroite de longueurs d’onde (couleurs) autour d’une longueur d’onde centrale. Pendant son déplacement dans une fibre optique, l’impulsion s’élargit en raison d’un phénomène qu’on appelle la « dispersion chromatique », causé par le fait que les longueurs d’onde voyagent à des vitesses légèrement différentes. Plus précisément, le bleu (onde courte) se déplace plus vite que le rouge (onde longue). Si la dispersion n’est pas corrigée, la netteté (ou la rapidité) de l’impulsion s’en trouve limitée. En télécommunications, la dispersion limite également la longueur qu’une fibre peut avoir sans que les impulsions (et l’information qu’elles contiennent) commencent à se chevaucher.

Compression et étirement des impulsions au moyen des réseaux de Bragg

Les réseaux de Bragg, à pas variable ou non, sont très utiles : ils compensent ou intensifient la dispersion chromatique en reflétant diverses longueurs d’onde à différents points de la fibre. Ceux à pas variable peuvent réfléchir le rouge avant ou après le bleu selon le résultat souhaité : s’il est réfléchi avant, le rouge peut rattraper le bleu, et l’impulsion se recomprime; s’il est réfléchi après, l’impulsion s’étire davantage.

Figure 4 – En réfléchissant d’abord les ondes plus lentes, on leur permet de rattraper les ondes plus rapides et, ainsi, on recomprime l’impulsion.

Depuis de nombreuses années, et encore largement aujourd’hui, les réseaux de Bragg sur fibre sont utilisés pour mesurer la déformation, la température, la pression, etc. Cela dit, l’expertise de TeraXion réside plutôt dans la conception et la fabrication de réseaux de Bragg standard et à pas variable plus complexes.

Ces réseaux plus complexes ont de multiples applications, des lasers industriels aux réseaux de communication optique. Voici quelques exemples d’applications des réseaux de Bragg sur fibre que fabrique TeraXion :

  • Lasers à impulsions les plus brèves et au plus faible bruit sur le marché
  • Oscillateurs haute efficacité réduisant la taille et le poids des lasers de plusieurs kilowatts
  • Réseaux de communication optique haute vitesse, longue portée et à détection directe
  • Systèmes LIDAR de précision
  • Radio sur fibre