L’importance du diamètre du champ de mode des fibres optiques

Comme nous l’avons constaté dans des articles précédents sur les bases de la fibre optique et ses spécifications, plusieurs paramètres définissent les fibres optiques, que ce soit la composition physique ou les paramètres optiques qui guident la lumière. Finalement, leur application principale est fort simple : transporter la lumière dans leur cœur.

Un facteur important à considérer lorsque l’on utilise des fibres optiques dans un système est la grandeur du profil d’intensité du faisceau lumineux qui est transporté. Cette caractéristique peut avoir une incidence significative sur les limites de puissance, les pertes entre les composants et même la fiabilité à long terme. Pour les fibres monomodes (ou quasi-monomode), le diamètre du champ de mode (MFD) est un paramètre souvent utilisé pour décrire le profil d’intensité. Regardons maintenant un aperçu simplifié de ce qu’est le diamètre du champ de mode.

Qu’est-ce que le diamètre du champ de mode?

Lorsque la lumière se propage dans une fibre monomode, son profil d’intensité ressemble à une courbe gaussienne en forme de cloche.

Une fibre monomode ne peut guider que le mode fondamental, à condition que la longueur d’onde soit supérieure à ce que l’on appelle la longueur d’onde de coupure. En utilisant un modèle physique simple avec un profil de cœur uniforme (step-index), le profil d’intensité de la lumière sera défini par la taille du cœur, l’ouverture numérique et la longueur d’onde de propagation de la lumière. Le diamètre du champ de mode est ainsi utilisé pour caractériser ce profil d’intensité, qui peut être représenté par le diamètre du niveau d’intensité e¯² (environ 13,5 %) pour le mode fondamental.

En observant l’image ci-haut, nous remarquons que les queues du profil d’intensité sont « guidées » hors de la zone centrale, ce qui signifie que la puissance n’est pas strictement contenue dans le cœur. Nous verrons aussi que pour une fibre avec une dimension de cœur donnée, la différence entre le MFD et le diamètre du cœur peut être très petite ou encore très significative en fonction de l’ouverture numérique et la longueur d’onde d’opération.

Abordons brièvement les fibres multimodes, comme nous avons essentiellement parlé de fibres monomodes : lorsque la longueur d’onde d’opération est inférieure à la longueur d’onde de coupure de la fibre, les propriétés de guidage permettent plus de modes pouvant être guidées par le cœur (2, 4, 5 et même plus). Ils sont appelés modes d’ordre supérieur ou HOM. La définition de MFD que nous avons fait n’est valable que pour le mode fondamental. Cela dit, lorsque la conception du système est soigneusement contrôlée, la lumière sera guidée principalement dans ce mode fondamental. Dans ce cas, le MFD sera toujours un paramètre représentatif.

Allant plus loin, pour les fibres hautement multimodes, les modes de propagation sont tellement nombreux qu’aucune quantité significative de puissance n’est contenue dans le mode fondamental. Dans ce cas, le MFD n’est plus réellement un paramètre utile, et l’ouverture numérique, la taille du cœur, ainsi que d’autres paramètres optiques de la qualité du faisceau sont utilisés pour comprendre le profil d’intensité lumineuse.

L’incidence du MFD sur les pertes d’épissure
Il est important de prendre en compte le MFD et non pas seulement les dimensions physiques des cœurs des fibres optiques pour minimiser la perte d’épissure entre deux fibres différentes. Dans le monde de la fibre optique, l’épissure est la connexion de deux fibres obtenues en les fusionnant rapidement à l’aide de la chaleur. L’objectif est de fusionner solidement leur structure de verre en minimisant l’incidence sur le cœur et la forme des fibres, et en maximisant la transmission d’énergie d’une fibre à l’autre. Par exemple, les machines automatisées standard utilisent un arc d’électrode pour réaliser ce processus.

Lorsque nous faisons une épissure entre deux fibres optiques différentes, notre intuition pourrait être de considérer seulement le diamètre physique des cœurs, pensant que ce sera une bonne épissure seulement s’ils sont les mêmes. Nous avons expliqué que le MFD, représentant la taille réelle de la lumière transportée dans le mode fondamental, peut être différent de la taille du cœur à cause de l’ouverture numérique (pour le même cœur, une ouverture numérique (NA) plus petite mène à un MFD plus grand). Pour optimiser les pertes d’épissure, c’est le MFD qui doit être le plus similaire possible entre les deux fibres.

Cette particularité conduit à des situations où l’épissure n’est pas optimale même si les deux fibres semblent être compatibles avec un diamètre de cœur identique. Donc, il faut considérer la bonne combinaison de dimension du cœur et de l’ouverture numérique pour confirmer si deux fibres différentes ont un MFD similaire ou non. La figure suivante présente une situation où deux fibres avec le même diamètre de cœur auront tout de même des pertes d’épissure à cause de leur différence en ouverture numérique.

Comme nous pouvons le constater, pour une propagation en mode fondamental, il est extrêmement important de prendre en compte le MFD lorsque nous connectons deux fibres différentes dans un dispositif ou dans un système à fibres optiques. Bien que ce modèle soit plus adapté pour les fibres monomodes, où la disparité des modes peut très bien estimer la perte d’épissure attendue, il est également très utile dans les fibres quasi-monomode, où la majeure partie de la puissance est dans le mode fondamental.

Comprendre tous les paramètres d’une fibre optique lors de son achat

L’incidence du MFD lors de l’estimation de la perte d’épissure est un exemple direct où il est important de considérer la bonne spécification pour comparer deux fibres optiques, car d’autres paramètres peuvent être trompeurs.

Bien que nous n’entrions pas dans les détails et que nous pourrons explorer ces sujets dans d’autres articles, il existe d’autres situations où la spécification du diamètre du champ de mode est importante à prendre en compte. Par exemple, la combinaison du MFD, de l’ouverture numérique (NA) et de la longueur d’onde d’opération donnera un aperçu de la perte de courbure de la fibre et des limites de puissance de la fibre.

Lors de votre évaluation de la perte d’épissure entre deux fibres de Coractive, ou encore, lorsque vous évaluerez d’autres aspects liés au MFD, n’oubliez pas que nos experts sont toujours là pour vous aider!