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EP-3968066-B1 - WAVEGUIDE COMPRISING A MULTIMODE OPTICAL FIBRE AND ADAPTED TO SPATIALLY CONCENTRATE THE GUIDED MODES

EP3968066B1EP 3968066 B1EP3968066 B1EP 3968066B1EP-3968066-B1

Inventors

  • GERARD, JEAN-MICHEL

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20210910

Claims (16)

  1. Multimode waveguide (1), comprising: ∘ a multimode optical fibre (10) comprising a core (11) made of a material of refractive index n fc and having a transverse dimension d fc , encircled by a cladding (12) made of a medium of refractive index n fg lower than n fc ; and extending longitudinally along an optical axis Δ between a first face intended to receive an optical signal, and an opposite second face (10b) intended to transmit the optical signal; ∘ a concentrating structure (20): ▪ having an entrance face (20a) via which the concentrating structure (20) is optically coupled and an opposite exit face (20b) having an area smaller than that of the entrance face (20a), ▪ of frustoconical shape centred on the optical axis Δ, over the entire length between the entrance face (20a) and the exit face (20b), ▪ having a local transverse dimension d pc the value d pc,in of which at the entrance face (20a) is at least equal to a value d fc of the transverse dimension d fc of the core (11) of the multimode optical fibre (10) at the second face (10b); ▪ encircled over its entire length by a medium of refractive index n pg lower than n pc ▪ joined to the second face (10b) of the multimode optical fibre (10), either via contact between the second face (10b) and the entrance face (20a), or via an antireflection layer (2) placed between the second face (10b) and the entrance face (20a); characterised in that the concentrating structure (20) is: ▪ made of a material of high refractive index n pc higher than n fc , ▪ exhibiting an adiabatic variation in its local transverse dimension d pc ranging from the value d pc,in to a value d pc,out at the exit face (20b); ▪ configured so that the number of optical modes supported at the exit face (20b) is at least equal to the number of optical modes supported by the multimode optical fibre (10).
  2. Multimode waveguide (1) according to Claim 1, wherein the difference (n pc - n pg ) is higher than 2.
  3. Multimode waveguide (1) according to Claim 1 or 2, wherein the concentrating structure (20) is axisymmetric.
  4. Multimode waveguide (1) according to any of Claims 1 to 3, wherein the concentrating structure (20) is configured so that the relationship (n pc 2 - n pg 2 )×d pc,out 2 ≥ (n fc 2 - n fg 2 )×d fc 2 is respected.
  5. Multimode waveguide (1) according to any of Claims 1 to 4, wherein the high-index material of the concentrating structure (20) is a crystalline semiconductor material.
  6. Multimode waveguide (1) according to ant of Claims 1 to 5, wherein the high-index material of the concentrating structure (20) is a group-IV element or compound, or is a III-V compound.
  7. Multimode waveguide (1) according to any of Claims 1 to 6, wherein the concentrating structure (20) exhibits a continuous longitudinal variation d pc (z) in the transverse dimension d pc .
  8. Multimode waveguide (1) according to Claim 7, wherein the longitudinal variation d pc (z) in the transverse dimension d pc has over its entire length a local slope less than or equal, in absolute value, to 20°.
  9. Multimode waveguide (1) according to Claim 7 or 8, wherein the longitudinal variation d pc (z) in the transverse dimension d pc is decreasing over at least a portion of the concentrating structure (20) ending on the downstream face (20b).
  10. Multimode waveguide (1) according to any of Claims 7 to 9, wherein the longitudinal variation d pc (z) in the transverse dimension d pc is increasing over a portion of the concentrating structure (20) extending from the upstream face (20a).
  11. Multimode waveguide (1) according to any of Claims 1 to 10, wherein the concentrating structure (20) has a length L p at least equal to two times the value d fc of the transverse dimension d fc of the core (11) of the multimode optical fibre (10) at the second face (10b).
  12. Multimode waveguide (1) according to any of Claims 1 to 11, wherein the ratio d pc,in /d pc,out is higher than or equal to 2.
  13. Light-emitting device comprising a light source and the multimode waveguide (1) according to any of Claims 1 to 12, the multimode waveguide (1) being optically coupled to the light source via the first face of the multimode optical fibre (10).
  14. Photodetection device comprising a photodetector and the multimode waveguide (1) according to any of Claims 1 to 12, the multimode waveguide being intended to transmit, via the exit face (20b), an optical signal of wavelength λ in the direction of the photodetector, the exit face (20b) making contact with a receiving surface of the photodetector, which receiving surface is intended to receive the optical signal, or is spaced apart therefrom by a distance smaller than or equal to λ/n, where n is the refractive index of a medium located between the exit face (20b) and the receiving surface of the photodetector.
  15. Process for manufacturing a multimode waveguide (1) according to any one of Claims 1 to 12, comprising the following steps: ∘ producing at least one parallelepipedal segment made of the high-index material of the concentrating structure (20), from a wafer of the same material; ∘ joining the parallelepipedal segment to the second face (10b) of the multimode optical fibre (10); ∘ machining the parallelepipedal segment so as to obtain the adiabatic variation in the local transverse dimension d pc of the parallelepipedal segment, thus obtaining the concentrating structure (20).
  16. Process for manufacturing a multimode waveguide according to any one of Claims 1 to 12, comprising the following steps: ∘ producing a frustoconical segment (3) on the second face (10b) of the multimode optical fibre (10); ∘ depositing an encapsulating layer (4) covering the at least the frustoconical segment (3); ∘ removing the frustoconical segment (3) by selectively etching the material thereof, thus freeing up an empty space (6) bounded by the encapsulating layer (5); ∘ depositing the high-index material (21) of the concentrating structure (20) thus filling the empty space (6), and thus forming the concentrating structure (20).

Description

DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de l'invention est celui des guides d'onde comportant une fibre optique multimode. L'invention porte notamment sur un tel guide d'onde multimode adapté à concentrer spatialement les modes guidés. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les fibres optiques multimodes permettent de guider un signal optique tout en supportant différents modes de propagation. Elles sont particulièrement utiles notamment pour la détection de signaux optiques de faible flux, par exemple dans le cadre de l'astronomie ou celui de la télédétection par laser (LIDAR), puisque de telles fibres optiques multimodes présentent habituellement une ouverture numérique élevée ainsi qu'une dimension radiale importante devant la longueur d'onde λ du signal optique, optimisant ainsi le taux de collection par la fibre optique multimode du signal optique incident. Cependant, il existe un besoin de disposer d'un guide d'onde comportant une fibre optique multimode, ce guide devant être adapté à concentrer spatialement les modes guidés au niveau d'une face de sortie tout en minimisant les pertes optiques associées à une telle concentration spatiale. C'est le cas notamment lorsque le signal optique est destiné à être transmis en direction d'un photodétecteur dont la zone de détection présente des dimensions inférieures à celles de la fibre optique multimode. Ainsi, à titre d'exemple, une fibre optique multimode adaptée à guider un signal optique de 1.55µm de longueur d'onde peut présenter une dimension transversale de l'ordre de plusieurs centaines de microns, par exemple un diamètre de 300µm. Or, une photodiode de type SPAD (Single Photon Avalanche Diode, en anglais) ou de type SNSPD (Superconducting Nanowire Single Photon Detector, en anglais) peut présenter une zone de détection de l'ordre de quelques dizaines de microns de côté, par exemple 20µm seulement. On connaît par ailleurs les fibres optiques dont l'extrémité est effilée de manière adiabatique, mais il s'agit généralement de fibres optiques monomodes. En effet, l'effilement adiabatique du cœur de la fibre, appliqué à une fibre optique multimode, conduirait à générer de fortes pertes optiques. Par ailleurs, le document US2017/176697A1 décrit une structure de couplage optique assurant le couplage entre une fibre multimode et un photodétecteur. Cette structure de couplage optique comporte, réalisées d'un seul tenant et en un même matériau, une partie amont qui s'étend latéralement de part et d'autre de la fibre multimode de manière à former ensuite des pieds venant en appui contre le photodétecteur, et une partie aval de forme tronconique. Enfin, le document WO2019/032227A2 décrit une fibre optique effilée assurant une adaptation de la forme des modes guidés entre une extrémité d'entrée rectangulaire et une extrémité de sortie circulaire. La source optique du faisceau lumineux, couplée à la fibre optique effilée, présente une ouverture numérique suffisamment faible pour exciter, à l'extrémité d'entrée de la fibre optique effilée, seulement un petit nombre de modes guidés (d'ordre faible), ceux-là même qui peuvent être guidés jusqu'à l'extrémité de sortie circulaire. Le document US5647041A décrit un compresseur de faisceau optique formé d'un matériau transparent à la lumière pour comprimer des signaux optiques émis à partir d'une extrémité d'une fibre optique. Le compresseur a une forme sensiblement effilée s'étendant entre une première surface ou base ayant une section transversale, et une deuxième surface ou tête ayant une section transversale inférieure à la section transversale de la base. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour objectif de remédier au moins en partie aux inconvénients de l'art antérieur, et plus particulièrement de proposer un guide d'onde comportant une fibre optique multimode et adapté à concentrer spatialement les modes guidés au niveau de sa face de sortie, tout en minimisant les pertes optiques associées à une telle concentration spatiale. Le guide d'onde peut être dimensionné pour transmettre et concentrer un très grand nombre de modes optiques avec des pertes minimales, par exemple au moins 1000 voire au moins 10000 (par exemple quelques dizaines de milliers). Pour cela, l'objet de l'invention est un guide d'onde multimode tel que défini dans la revendication 1 ci-jointe, comportant une fibre optique multimode qui comporte un cœur réalisé en un matériau d'indice de réfraction nfc et présentant une dimension transversale dfc, entouré d'une gaine en un milieu d'indice de réfraction nfg inférieur à nfc ; et qui s'étend longitudinalement suivant un axe optique Δ entre une première face destinée à recevoir un signal optique, et une deuxième face opposée destinée à transmettre le signal optique. Le guide d'onde multimode comporte en outre une structure de concentration, de forme tronconique centrée sur l'axe optique Δ, présentant une face d'entrée par laquelle la structure de concentration est couplée optiquement et assemblée à la deuxième face de la