Principes de fonctionnement et applications
Les coupleurs en fibre optique à double gaine (DCFC) de Castor Optique sont conçus pour une séparation et une combinaison robustes des signaux monomodes et multimodes. Cet article décrit leurs principes de fonctionnement, leurs types, leurs aspects pratiques et leurs applications clés, notamment l'OCT, l'imagerie par fluorescence et la microscopie confocale.
Guider à la fois la lumière monomode et multimode
Fibre à double gaine
Les fibres à double gaine (DCF) sont idéales pour combiner des modalités d'imagerie ou de détection nécessitant à la fois un signal monomode et un signal multimode. Ces fibres se caractérisent par deux zones concentriques de guidage de la lumière : le cœur et la gaine interne. En général, les indices de réfraction et les dimensions de ces zones sont choisis pour assurer une propagation monomode spécifique à une longueur d'onde dans le cœur et une propagation multimode dans la gaine interne.
La figure de gauche présente les sections transversales d'une fibre monomode (SMF), d'une fibre multimode (MMF) et d'une fibre à double gaine (DCF).
Multiplexer la lumière monomode et multimode
Coupleurs en fibre à double gaine
Un aspect clé de l'utilisation d'une DCF consiste à traiter séparément et efficacement la lumière dans chaque région de la fibre. C'est là qu'intervient le coupleur en fibre à double gaine (DCFC). Un DCFC agit essentiellement comme un séparateur modal, démultiplexant les signaux monomodes et multimodes :
- Dans le régime monomode, un DCFC agit comme un coupleur à couplage nul, pour lequel la lumière est transmise d'un port DCF à l'autre, idéalement sans perte.
- Dans le régime multimode, le coupleur transfère efficacement la lumière d'un guide d'ondes à l'autre, soit de la gaine interne du DCF vers une deuxième fibre, et vice versa.
La figure de droite montre un DCFC où le signal monomode (rouge) se propage dans le cœur du port A vers S et, réciproquement, de S vers A. Le signal multimode (bleu) est couplé dans la gaine interne du port S et transféré au deuxième guide d'ondes via le coupleur vers le port B.
Optimiser le transfert multimode
Étendue optique
La limite théorique de transfert multimode d'une structure donnée peut être approximée par un rapport d'étendues optiques.
L'étendue optique G d'un guide d'ondes est définie comme le produit de la surface de sa section transversale S par le carré de son ouverture numérique (ou, de manière équivalente, l'angle solide): G=πS NA2 , où NA=(n12-n22 )1/2, avec n1 et n2, les indices de réfraction du cœur et de la gaine interne de la fibre.
Connaissant l'étendue de chaque guide d'ondes au sein de la structure du coupleur, la limite de transfert multimode théorique T est donnée par : T=GB/(GB+GA), où GA et GB sont respectivement les étendues aux ports A et B.
Cette équation met en évidence une limite théorique du DCFC : les performances ne peuvent dépasser un certain seuil dépendant du diamètre et de l'ouverture numérique des fibres utilisées. D'autres facteurs, tels que les pertes intrinsèques et les contraintes de fabrication, limitent également le taux maximal de transfert des composants fabriqués.
Comprendre les types de DCFC
Depuis les premières démonstrations, plusieurs DCFC ont été développés pour étendre leur gamme d'applications. Les DCFC se distinguent principalement par leur géométrie, qui constitue le paramètre clé pour l'application visée. Chaque géométrie peut être appliquée à différentes gammes de longueurs d'onde, en fonction des exigences de fonctionnement.
Geométrie
- Collection à grande étendue: une grande partie du signal multimode (c'est-à-dire le signal incohérent) est collectée à l'aide d'une DCF à large gaine interne, optimisant la collecte multimode au niveau du port S et son transfert vers le port B. Ceci est idéal pour des applications telles que la collecte de fluorescence, la collecte en faible luminosité et la collecte de signaux hautement multimodes.
- Collection confocale: Une partie du signal multimode est collectée à l'aide d'une DCF à petite gaine interne, spécialement conçue pour permettre une détection à haute résolution tout en maximisant l'intensité du signal collecté. Ceci est idéal pour des applications telles que la microscopie confocale.
- Bidirectionnel: Il permet à la fois l'injection et la collecte multimodes avec une grande efficacité. Il est idéal pour des applications telles que le LiDAR, l'imagerie hyperspectrale ou la spectroscopie combinée à une modalité monomode.
Chaque type est optimisé pour différentes modalités d'imagerie et de détection. Le tableau présente les applications typiques de chaque type de DCFC.
| Type | Collection à grande étendue | Collection confocale | Bidirectionnel |
|---|---|---|---|
| Opération multimode | Port S → B | Port S → B | Port S ↔︎ B |
| Applications typiques | OCT & imagerie par fluorescence OCT & imagerie en réflectance LiDAR Détection quantique | Microscopie confocale OCT & SLO | LiDAR Communication spatiale |
Gamme spectrale
- Les coupleurs sont disponibles pour une utilisation monomode centrée à 530, 780, 1060 et 1300/1550 nm.
- La transmission multimode est uniforme sur toute la plage d'opération de la fibre, généralement de 400 à 1600 nm.
Guide de sélection
Lors du choix d'un DCFC, il faut tenir compte des contraintes pratiques liées à l'application envisagée. Les questions suivantes peuvent vous aider à faire ce choix.
→ Quelle est la plage spectrale d'opération du signal monomode?
Pour une modalité monomode spécifique, la plage de longueurs d'onde déterminera la taille du cœur de la DCF la mieux adaptée à l'application.
→ Est-ce qu'une collection confocale est nécessaire?
Choisissez parmi notre gamme Collection confocale. Le rapport entre le diamètre de la gaine interne et celui du cœur est spécialement conçu pour optimiser la résolution du système tout en maximisant l'intensité de collecte.
→ Est-ce que le signal multimode à mesurer est de faible intensité?
Choisissez parmi notre gamme Collection à grande étendue. Des applications telles que le LiDAR, la spectroscopie, la télédétection, l'imagerie hyperspectrale et la fluorescence bénéficient de cette configuration DCFC.
→ Est-ce que la modalité multimode doit avoir un canal d'injection ET de détection?
Choisissez parmi notre gamme de coupleurs Bidirectionnels. Un DCFC bidirectionnel permet l'injection et l'extraction multimodes via le même composant. Selon l'application ciblée, il peut être adapté pour privilégier les performances d'injection par rapport à l'extraction, ou pour optimiser les deux directions. Notre série bidirectionnelle tire également parti de l'utilisation d'une fibre multimode avec un cœur de plus petit diamètre, compatible avec un détecteur de plus petite surface.
→ Est-ce que l'application est sensible aux rétro-réflections ou à la contamination entre les deux modalités?
Demandez des connecteurs spécialisés tels qu'un polissage à angle élevé ou un revêtement antireflet (AR), réduisant les rétro-réflexions au niveau du port S et la contamination du cœur vers la gaine interne.
La série DCFC est disponible sur Thorlabs.com. Pour en savoir plus sur la technologie innovante de fibre optique de Castor Optique, qui permet une détection plus rapide, plus lumineuse ou plus éloigné, contactez notre équipe à l'adresse sales@castoroptics.com.
Rédigé par l'équipe de Scientifiques d'application de Castor
