La présente invention concerne le domaine général des cavités Fabry-Pérot fibrées.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Une cavité Fabry-Pérot peut être formée entre les extrémités de deux fibres optiques se faisant face. On parle alors de cavité Fabry-Pérot « fibrée ». Les extrémités en regard sont traitées pour former des miroirs de haute réflectivité.

Il est connu notamment de soumettre l’extrémité d’une ou des deux fibres optiques à une irradiation d’un laser C02 de puissance afin de modeler la surface transverse à l’axe de la fibre par ablation laser, comme décrit par exemple dans les documents « A fiber Fabry-Perot cavity with high finesse, New J. Phys. 12, 065038 (2010) » et “Laser micro-fabrication of concave, low roughness features in silica” AIP Advances 2, 012119 (2012) et « Millimeter-long fiber Fabry-Perot cavities », Opt. Express 24, 261274 (2016).

Ce traitement laser permet de donner à l’extrémité de fibre des formes souhaitées avec un faible écart et une très faible rugosité de surface.

La figure 1 représente une extrémité de fibre 1 usinée par cette méthode. La surface 2 transverse à l’axe de la fibre présente ici une dépression en son centre qui a été obtenue au cours du traitement laser.

L’intérêt de ces cavités Fabry-Pérot fibrées réside dans les hautes valeurs de finesse, dans la taille miniature de la cavité - on parle de micro cavité Fabry-Pérot -, dans la grande immunité aux vibrations de la cavité et dans le couplage de la cavité à une fibre qui est donné par la construction même de la cavité.

Pour certaines applications cependant, les cavités Fabry-Pérot telles qu’on peut les fabriquer par les techniques de l’art antérieur ne présentent pas une stabilité suffisante, en particulier par rapport aux fluctuations de température.

EXPOSE DE L'INVENTION

Un but général de l’invention est de proposer une cavité Fabry-Pérot fibrée plus stable.

Le but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un système optique comprenant deux fibres optiques configurées pour définir entre elles une cavité Fabry Pérot, et un élément de liaison soudé à chacune des deux fibres optiques. La fixation des deux fibres optiques 3 et 5 par un seul élément et en utilisant une technique de soudage permet d’augmenter la stabilité de la cavité Fabry-Pérot vis-à-vis des variations thermiques.

Un tel système optique est avantageusement complété par les différentes caractéristiques ou étapes suivantes prises seules ou en combinaison : l’élément de liaison est d’une seule pièce ; les deux fibres optiques s’étendent le long d’un axe, et au moins un parmi les deux fibres optiques et l’élément de liaison présente une forme invariante par rotation d’un angle prédéfini autour de l’axe, par exemple une forme de révolution ; les deux fibres optiques et l’élément de liaison sont adaptés pour que :

[Math. 1]

D L _c

< 1(T ⁶ K- ¹ L _c AT où DT est une variation de température subie par le système optique, ALc est une variation d’une première distance Lc séparant les deux fibres optiques parallèlement à l’axe et constituant une longueur de la cavité Fabry Pérot, engendrée par une déformation thermique du système optique sous l’effet de la variation de température DT ; l’élément de liaison définit un passage traversant, au moins une des deux fibres optiques comprenant une portion d’extrémité agencée dans le passage traversant et soudée à l’élément de liaison ; les deux fibres optiques s’étendent le long d’un axe, et sont séparées l’une de l’autre par une distance Lc parallèle à l’axe, l’une des fibres optiques est soudée à l’élément de liaison en une première zone de soudure, et l’autre fibre optique est soudée à l’élément de liaison en une deuxième zone de soudure séparée de la première zone de soudure par une distance L1 parallèle à l’axe, et dans lequel les deux fibres optiques présentent un premier coefficient d’expansion thermique et l’élément de liaison présente un deuxième coefficient d’expansion thermique, de sorte que le premier coefficient d’expansion thermique est égal au produit du deuxième coefficient d’expansion thermique multiplié par le terme (1 -Lc/L1 ) à une marge de 10 ⁶ près ; l’élément de liaison présente une première surface et une deuxième surface opposée à la première surface, et définit un passage traversant débouchant dans la première surface et dans la deuxième surface, dans lequel au moins une des fibres optiques comprend une portion d’extrémité soudée à l’une parmi la première surface et la deuxième surface ; l’élément de liaison présente un coefficient d’expansion thermique inférieur à 10 ⁶ K ; la cavité Fabry-Pérot est étanche ; le système optique comprend un boîtier agencé autour de et à distance de l’élément de liaison de sorte à définir entre eux une cavité périphérique étanche limitant les variations de pression et/ou les variations de température à l’intérieur de la cavité Fabry-Pérot, ou permettant de faire un vide dans la cavité périphérique, ou permettant de remplir la cavité périphérique d’un gaz bien défini.

L’invention porte également sur un procédé de fabrication d’un système optique tel qu’on l’a présenté plus haut, le procédé comprenant une étape d’ablation d’une des deux fibres optiques, l’ablation étant réalisée au laser CO2, à l’aide d’une sonde ionique focalisée ou par un traitement chimique.

Avantageusement, mais facultativement, le procédé peut être complété par un dépôt, sur au moins une des deux fibres optiques, d’une couche de revêtement adaptée pour augmenter la réflectivité optique de la fibre optique, la couche de revêtement délimitant, après dépôt, la cavité Fabry Pérot

DESCRIPTION DES FIGURES

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 , déjà discutée, est une représentation schématique d’une extrémité de fibre usinée par ablation laser ; les figures 2, 3 et 4 sont des représentations schématiques d’une cavité Fabry-Pérot fibrée selon deux aspects de l’invention.

Sur les différentes figures, des références numériques identiques désignent des éléments similaires ou équivalents.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Il est proposé, comme représenté sur la figure 2, un système optique 20 comprenant une première fibre optique 3 et une deuxième fibre optique 5.

Fibres optiques

On entend par fibre optique une fibre capable de conduire de la lumière, par exemple une fibre dont la partie centrale ou cœur permet de conduire la lumière. La fibre optique comprend deux extrémités qui peuvent être adaptées pour collaborer avec des sources lumineuses, des récepteurs lumineux ou d’autres fibres et ainsi recevoir ou transmettre de la lumière. La longueur d’une fibre optique est réglable.

Les fibres optiques peuvent être de différents types comme par exemple la fibre optique monomode, la fibre optique multimode, la fibre optique à maintien de polarisation, la fibre optique à gradient d’indice, la fibre optique à cristal photonique. En particulier, les fibres optiques peuvent être des fibres optiques à cristal photonique à grand cœur (connu aussi sous l’appellation anglaise « large mode area » LMA). Les fibres optiques sont réalisées dans un matériau comme par exemple de la silice fondue (connue aussi sous l’appellation anglaise « fused silica »).

La première fibre optique 3, comme la deuxième fibre optique 5, s’étend le long d’un axe.

Les deux fibres optiques 3 et 5 présentent typiquement une forme de révolution autour de leur axe d’extension. Les deux fibres optiques 3 et 5 peuvent présenter une forme invariante par rotation d’un angle prédéfini autour de de leur axe d’extension. Par exemple dans le cas des fibres optiques à maintien de polarisation l’angle prédéfini peut valoir 180°.

La première fibre optique 3 et la deuxième fibre optique 5 sont agencées de sorte quel leurs axes d’extension soient confondus en un axe A.

La première fibre optique 3 présente une première portion 22 d’extrémité et dans cette première portion d’extrémité une première surface 4.

La deuxième fibre optique 5 présente une première portion 23 d’extrémité et dans cette deuxième portion d’extrémité une deuxième surface 6.

La première surface 4 et la deuxième surface 6 peuvent avoir été préalablement modelées par ablation laser C02 ou à l’aide d’une sonde ionique focalisée (connu aussi sous l’appellation anglaise « focused ion beam », FIB) ou encore par un procédé chimique.

La réflectivité de la première surface 4 et de la deuxième surface 6 peut être augmentée typiquement par un système de multicouches diélectriques.

La première surface 4 et la deuxième surface 6 ainsi usinées et traitées sont agencées face à face et définissent entre elles une cavité Fabry-Pérot.

Selon l’usinage et le traitement réalisé sur les surfaces 4 et 6, il est possible d’obtenir une cavité Fabry-Pérot présentant une finesse supérieure à 200 000.

Elément de liaison Le système optique comprend en outre un élément de liaison 7 fixé à chacune des fibres optiques 3 et 5. La fixation de l’élément de liaison 7 aux fibres optiques 3 et 5 peut être réalisée par soudage.

On entend par soudage de deux pièces un assemblage permanent de ces deux pièces. Il est établi au cours du soudage une continuité de nature entre les pièces soudées. Le terme soudure est utilisé pour désigner l'alliage reliant les pièces à assembler formé par la fusion des bords à assembler.

Le soudage peut être effectué avec ou sans adjonction de produit d’apport un soudage. Dans le cas d’un soudage sans adjonction de produit d’apport, la soudure est le résultat du seul mélange des matériaux des deux pièces.

Un tel soudage peut notamment être un soudage laser ou un épissage par arc électrique ou filament (notamment utilisé dans les soudeuses à fibres, désignées par « splicers » en anglais).

Les lieux de fixation 8, 21 de l’élément de liaison 7 aux fibres optiques 3 et 5 peuvent être ponctuels ou plus étalés. La fixation de l’élément de liaison 7 aux fibres optiques 3 et 5 peut être réalisée par des points de soudure ou un ou plusieurs cordons de soudure. Un cordon de soudure peut former une boucle fermée autour de l’axe A.

L’élément de liaison 7 fixe la position de la première surface 4 et de la deuxième surface 6, et une longueur Le de cavité Fabry-Pérot mesurée parallèlement à l’axe A.

L’élément de liaison 7 est d’une seule pièce. La fixation des deux fibres optiques 3 et 5 par une pièce monolithique permet de diminuer la sensibilité de la cavité Fabry-Pérot aux vibrations mécaniques. La stabilité de la cavité Fabry-Pérot s’en trouve améliorée.

Les expressions « d’une seule pièce » et « monolithique » qualifie tout objet fait en une seule pièce, ou bien tout objet fait en plusieurs pièces dont les propriétés mécaniques (notamment concernant la dilatation) sont identiques ou très proches, les plusieurs pièces ayant été assemblées sans utilisation de colle.

Le choix d’une soudure permet d’augmenter la stabilité de la cavité Fabry-Pérot, car la fixation ne nécessite pas l’ajout d’un matériau supplémentaire entre l’élément de liaison 7 et les fibres optiques 3 et 5. En particulier, on évite ainsi d’utiliser une colle qui ne présenterait pas les mêmes caractéristiques d’expansion thermique que les fibres. En présence d’une telle colle, une variation de température du système optique ferait naître des contraintes et des déplacements entre les fibres et l’élément de liaison, qui in fine ferait varier la longueur de la cavité. L’élément de liaison 7 s’étend autour de l’axe A. L’élément de liaison 7 peut présenter une forme invariante par rotation d’un angle prédéfini autour de cet axe A. Par exemple, l’élément de liaison 7 présente une forme de révolution autour de l’axe A.

L’élément de liaison 7 est positionné par rapport aux fibres optiques 3 et 5 de sorte que l’axe d’extension de l’élément de liaison 7 est confondu avec l’axe A.

L’élément de liaison 7 présentant, comme les fibres optiques 3 et 5, une symétrie par rapport à l’axe A, la fixation des deux fibres optiques 3 et 5 par l’élément de liaison 7 est plus stable par rapport aux variations thermiques, aux variations de pression ainsi que par rapport aux vibrations mécaniques.

Par ailleurs, les lieux de fixation ou zones de soudure 8, 21 de l’élément de liaison 7 aux fibres optiques 3 et 5 peuvent présenter une forme invariante par rotation d’un angle prédéfini autour de l’axe A. Par exemple, les lieux de fixation ou zones de soudure 8, 21 présentent une forme de révolution autour de son l’axe A.

Il peut y avoir pour chaque fibre 3, 5 un ou plusieurs cordons de soudure pour la fixer à l’élément de liaison 7. Un cordon de soudure peut prendre différentes longueurs, être fermé sur lui-même ou non.

Un cas particulier est le cordon de soudure qui s’étend tout autour d’une des portions d’extrémités 22 et 23 selon une trajectoire fermée sur elle-même.

1 ^er mode de réalisation

Dans un premier mode de réalisation illustré sur la figure 2, le système optique 20 comprend l’élément de liaison 7 qui présente une forme de tube et définit un passage traversant. Le tube et le passage traversant présentent une symétrie de révolution par rapport à l’axe A. Les portions d’extrémité 22 et 23 sont agencées dans le passage traversant de l’élément de liaison. Chacune des deux portions d’extrémité 22 et 23 est soudée à l’élément de liaison 7.

Le diamètre interne de l’élément de liaison 7 est adapté pour accueillir les portions d’extrémité de fibre 22 et 23. Le diamètre interne est choisi supérieur mais aussi proche que possible du diamètre extérieur des fibres 3 et 5.

2 ^éme mode de réalisation

Dans un deuxième mode de réalisation, on a représenté en figure 3 un système optique 30, qui comme le système optique 20 présenté précédemment comprend un élément de liaison 7. Le système optique 30 diffère du système optique 20 en ce que chacune des fibres 3, 5 comporte plusieurs tronçons différents solidarisés entre eux, par exemple par soudage par arc électrique ou filament (« splicing » ou épissage). Les tronçons peuvent différer par leur diamètre et par le type de fibre (fibre monomode, multimode, à gradient d’indice, etc.). Par exemple, dans la figure 3, la première fibre 3 comporte un premier tronçon 43 et un deuxième tronçon 13. Le deuxième tronçon 13 de la première fibre 3 comporte une première portion 22 d’extrémité sur laquelle est réalisée la surface de miroir 4. La deuxième fibre 5 comporte un premier tronçon 45 et un deuxième tronçon 15. Le deuxième tronçon 15 de la deuxième fibre 3 comporte une première portion 23 d’extrémité sur laquelle est réalisée la surface de miroir 6. Les lieux de fixation 8, 21 de l’élément de liaison 7 aux fibres optiques 3 et 5 se situent au sein des deuxièmes tronçons 13 et 15.

L’existence de plusieurs tronçons à propriétés optiques différentes peut permettre d’adapter le mode optique se propageant dans les fibres au mode optique de la cavité, augmentant ainsi la transmission à résonance de la cavité. Un exemple d’une telle adaptation est décrit dans l’article G. K. Gulati et al., Fiber cavities with integrated mode matching optics, Sci. Rep. 7, 5556 (2017).

Cela est particulièrement pertinent si la longueur la cavité est grande (longueur plus grande que 1 mm environ), puisque dans ce cas le diamètre du mode de cavité à l’endroit d’au moins un des miroirs 4, 5 est significativement plus grand que le diamètre d’une fibre monomode normale (telle que ceux utilisés pour la transmission de données dans le domaine des télécommunications). Par exemple, les deuxièmes tronçons 13 et 15 des fibres 3 et 5 peuvent être à gradient d’indice. et présenter un cœur de diamètre plus important que les cœurs des fibres monomodes. Il est alors possible de travailler au sein de la fibre avec des faisceaux lumineux de plus grand diamètre, en comparaison avec un autre type de fibre.

Les premiers tronçons 43 et 45 des fibres optiques 3 et 5 peuvent être de type monomode.

Les deuxièmes tronçons 13 et 15 des fibres 3 et 5 comprennent une deuxième portion d’extrémité respectivement 34 et 35 opposée à la première portion d’extrémité 22 et 23. Les deuxièmes portions d’extrémité 34 et 35 peuvent être connectées optiquement aux premiers tronçons 43 et 45 des fibres 3 et 5, par exemple par soudage (« splicing » ou épissage).

Au sein des premiers tronçons 43 et 45 monomodes, le faisceau lumineux 9 peut alors présenter un diamètre plus faible que le diamètre du faisceau lumineux 41 au sein des tronçons 13 et 15 à gradient d’indice.

3 ^ème mode de réalisation

Dans un troisième mode de réalisation illustré sur la figure 4, les fibres optiques 3 et 5 présentent les surfaces 4 et 6 et le système optique 50 comprend un élément de liaison 57. L’élément de liaison 57 peut présenter une forme invariante par rotation d’un angle prédéfini autour de son axe d’extension. Par exemple, l’élément de liaison 57 présente une forme de révolution autour de son axe d’extension. L’élément de liaison 57 est positionné par rapport aux fibres optiques 3 et 5 de sorte que l’axe d’extension de l’élément de liaison 57 est confondu avec l’axe A.

L’élément de liaison 57 comprend une première surface S1 et une deuxième surface S2 opposée à la première surface S1. Les surfaces S2 et S1 sont perpendiculaires à l’axe d’extension de l’élément de liaison 57.

L’élément de liaison 57 définit un passage traversant 51 débouchant dans la première surface S1 et dans la deuxième surface S2. Le passage traversant 51 peut présenter une forme de révolution autour de l’axe d’extension de l’élément de liaison 57.

La largeur du passage traversant 51 mesurée transversalement à l’axe A est plus petite que le diamètre des fibres optiques 3 et 5.

La première fibre optique 3 comprend une première portion d’extrémité 52 fixée et de préférence soudée à la première surface S1 , selon la zone de soudure 58.

La deuxième fibre optique 5 comprend une deuxième portion d’extrémité 53 fixée et de préférence soudée à la deuxième surface S2, selon la zone de soudure 61.

Fonctionnement du système optique

En fonctionnement, un faisceau lumineux est envoyé dans l’une des fibres optiques 3, 5, de sorte qu’une intensité lumineuse 9 traverse la fibre optique. A l’intérieur de la cavité Fabry- Pérot, c’est-à-dire entre les miroirs formés par les surfaces 4 et 6 un faisceau lumineux 10 prend une forme géométrique qui dépend notamment de la forme des miroirs et de leur position. Dans les cas représentés sur les figures 2, 3 et 4 les deux miroirs sont symétriques par rapport au centre géométrique de la cavité. Dans cette condition, la formé géométrique du faisceau 10 est elle-même symétrique par rapport au centre géométrique de la cavité. Le faisceau 10 prend une forme classique pincée en son centre. Les miroirs formés par les surfaces 4 et 6 peuvent ne pas être symétriques par rapport au centre géométrique de la cavité. Dans ce cas la formé géométrique du faisceau n’est pas symétrique par rapport au centre géométrique de la cavité.

Dans le cas du troisième mode de réalisation illustré sur la figure 4, la largeur du passage traversant 51 mesuré transversalement à l’axe A est plus grande que la largeur du faisceau lumineux 10. Longueur de cavité

Il y a résonance lumineuse dans la cavité, lorsque la distance entre les miroirs formés par les surfaces 4 et 6 c’est à dire la longueur de la cavité Le est dans un rapport particulier avec la longueur d’onde du faisceau lumineux.

Cette condition de la résonance lumineuse est d’autant plus précise que la finesse de la cavité est importante. Cette condition de résonance constitue un des intérêts de la cavité Fabry-Pérot, la cavité Fabry-Pérot pouvant ainsi jouer un rôle de référence en termes de longueur d’onde d’un faisceau lumineux envoyé dans la cavité Fabry-Pérot.

La longueur de la cavité Le est mesurée sur l’axe A depuis l’intersection avec l’axe A du miroir formé par la première surface 4 jusqu’à l’intersection avec l’axe A du miroir formé par la deuxième surface 6.

Pour le premier mode et le deuxième mode de réalisation illustrés aux figures 2 et 3, la longueur de cavité Le est déterminée à partir de la fixation de l’élément de liaison 7 et des deux fibres optiques 3 et 5 et en particulier des trois distances suivantes :

- la distance L1 qui désigne la distance entre le premier lieu de fixation ou première zone de soudure 8 de l’élément de liaison 7 à la première fibre optique 3 et le deuxième lieu de fixation ou deuxième zone de soudure 21 de l’élément de liaison 7 à la deuxième fibre optique 5,

- la distance L2 qui désigne la distance parallèle à l’axe A entre le premier lieu de fixation ou première zone de soudure 8 de l’élément de liaison 7 à la première fibre optique 3 et la surface 4 de la première fibre optique 3 et

- la distance L3 qui désigne la distance parallèle à l’axe A entre le deuxième lieu de fixation ou deuxième zone de soudure 21 de l’élément de liaison 7 à la deuxième fibre optique 5 et la surface 6 de la deuxième fibre optique 5.

La longueur de la cavité Le s’écrit en fonction de ces trois distances sous la forme : Lc= L1 - (L2+L3).

Pour le troisième mode de réalisation illustré à la figure 4, la longueur de cavité Le est sensiblement égale à la distance L1 qui a été précédemment définie dans le cas du premier mode de réalisation. Il y a principalement deux sources d’écart entre ces deux grandeurs d’une part la profondeur du miroir concave qui est de l’ordre du micromètre et d’autre part l’extension non-nulle des points de soudure qui est également de l’ordre du micromètre. La distance L1 correspond dans le cas de la figure 4 à la longueur de l’élément de liaison 57 selon l’axe A.

Expansion thermique de la cavité

Concernant le choix de matériau des fibres optiques 3 et 5 ou de l’élément de liaison 7, 57 il est possible de choisir des coefficients d’expansion thermique particuliers. D’une manière générale, on désigne par :

- a1 le coefficient d’expansion thermique de l’élément de liaison 7, 57,

- a2 le coefficient d’expansion thermique de la première fibre optique 3,

- a3 le coefficient d’expansion thermique de la deuxième fibre optique 5.

Lorsque la température du système optique 20, 30, 50 varie de DT, il y a une déformation thermique du système optique.

Les distances L1 , L2 et L3 varient de la manière suivante :

- la distance L1 augmente de AL1 = a1 L1xAT,

- la distance L2 augmente de AL2 = a2 L2xAT,

- la distance L3 augmente de AL3 = a3 L3xAT.

La longueur de la cavité varie de ALc :

- ALc = AL1 - (AL2+AL3) = (a1 L1 - a2 L2 - a3 L3)xAT, dans le premier mode et le deuxième mode de réalisation, et

- ALc = AL1 = a1 L1 DT, dans le troisième mode de réalisation.

Limitation de l’expansion thermique de la cavité

Il est intéressant de stabiliser le plus possible la longueur de la cavité afin de ne pas perdre la référence que constitue la cavité en dépit des vibrations, les variations de température, les variations de pression, etc... Les fréquences de résonance v de la cavité varient en fonction de la longueur de la cavité Le suivant la relation ALc/Lc = Dn/n, où Dn est la variation de v. On peut définir un coefficient d’expansion thermique effectif de la cavité comme ac = 1 /Le (ALcMT). Ce même coefficient caractérise aussi la dérive thermique de la fréquence de résonance : 1 /v (Dn/DT) = ac.

Si on souhaite limiter la variation de v et donc la variation de la longueur de la cavité Le en fonction d’une variation de température, il convient de limiter, dans le premier mode et le deuxième mode de réalisation, l’expression ALc /DT= a1 L1 - a2 L2 - a3 L3.

Une première possibilité consiste d’une part à diminuer le plus possible les distances L2 et L3 et d’autre part à diminuer le plus possible a1. Diminuer le plus possible les distances L2 et L3 peut être réalisé en plaçant :

- le lieu de fixation ou zone de soudure 8 de l’élément de liaison 7 à la première fibre optique 3 aussi près que possible de la première surface 4 et

- le lieu de fixation ou zone de soudure 21 de l’élément de liaison 7 à la deuxième fibre optique 5 aussi près que possible de la deuxième surface 6.

Pour diminuer le plus possible a1 , il est possible que l’élément de liaison soit réalisé dans un matériau présentant un coefficient a1 d’expansion thermique inférieur à 10 ⁷ K ¹ . Un exemple possible est le matériau de verre à très faible dilatation thermique (désigné en anglais par « Ultra Low Expansion Glass »), ou certains verres de type vitrocéramique comme le « Zerodur ».

Une deuxième possibilité consiste à faire un choix particulier de matériaux pour les deux fibres optiques 3 et 5 et l’élément de liaison et un choix particulier de géométrie des lieux de fixation 8 et 21 , de sorte que a1 L1 - a2 L2 - a3 L3 =0.

Pour cela, il est tout d’abord possible de choisir pour les fibres optiques 3 et 5 des matériaux présentant le même coefficient d’expansion thermique a2=a3, et une géométrie des lieux de fixation de sorte que L2=L3.

Ensuite, on fait un choix particulier de la longueur L1 pour obtenir la longueur de cavité Le souhaitée.

Enfin, il est possible de choisir pour l’élément de liaison 7 un matériau présentant un coefficient d’expansion thermique a1 vérifiant l’égalité a1 = (a2 L2 + a3 L3)/L1 = (2 a2 L2)/L1.

Il est également possible de reformuler cette égalité en utilisant la longueur de la cavité Le : a1 = a2 (L1 -Lc)/L1 , soit encore a1 /a2 = (L1 -Lc)/L1 ou encore a1= a2 (1 -Lc/LI ).

Comme L1=Lc+L2+L3, il s’ensuit que a1 doit être inférieur à a2= a3.

Dans le cas où les fibres optiques 3 et 5 sont en silice fondue, l’élément de liaison 7 doit donc présenter un coefficient d’expansion thermique inférieur à celui de la silice fondue.

Ces différentes égalités correspondent à une variation thermique nulle de Le, c’est à dire ac=0. En pratique, pour obtenir une valeur ac en dessous d’une certaine valeur limite al, ac<al, il faut vérifier (a1 L1 /Lc- a2 L2/Lc - a3 L3/Lc) < al. Si comme décrit plus haut on a choisi d’abord a2 et les longueurs L1 , L2 et L3, la déviation Da1 de a1 de sa valeur idéale (a2 L2 + a3 L3)/L1 doit vérifier

Da1 < (Lc/L1 ) al

Si par exemple on souhaite atteindre ac<10 ⁷ K ¹ dans le cas réaliste où L1=2Lc et la valeur idéale de a1 est proche de celle de silice fondue (a1 =0.5x10 ⁶ ), alors a1 doit approcher sa valeur idéale à 10% près.

Il est à noter qu’il est alors possible d’utiliser pour l’élément de liaison de la silice fondue modifiée par un traitement laser femtoseconde, comme présenté dans la publication Vlugter et al, Phys. Rev. Mat. 3, 053802 (2019). Cette modification de la silice fondue permet de diminuer le coefficient d’expansion thermique.

Si on souhaite limiter la variation de la longueur de la cavité Le en fonction d’une variation de température, il convient de limiter dans le troisième mode de réalisation l’expression ALc MT= a1 L1.

Il est possible, à cette fin, de diminuer le plus possible a1 , en utilisant pour l’élément de liaison 57 un matériau présentant un coefficient a1 d’expansion thermique inférieur à 10 ⁶ K ¹ . Un exemple possible est le matériau de verre à très faible dilatation thermique (désigné en anglais par « Ultra Low Expansion Glass ») dont la valeur absolue du coefficient d’expansion thermique est inférieure à 3x10 ⁸ /K entre 5 et 35 degrés Celsius (Corning ULE 7972), ou certains verres de type vitrocéramique comme le « Zerodur ».

Les différentes stratégies présentées plus haut pour limiter l’expansion thermique se fondent sur l’adaptation des deux fibres optiques 3, 5 et de l’élément de liaison 7, 57 pour que ALc /(Le DT) soit inférieur à 10 ⁶ K ¹ .

La personne du métier peut déterminer la variation ALc/Lc d’une cavité Fabry-Pérot en mesurant le déplacement Dn de l’une des fréquences de résonance v de la cavité Fabry-Pérot puis en appliquant la relation ALc/Lc = Dn/n.

La personne du métier peut déterminer Dn et v avec un laser accordable relié à un lambdamètre (fréquencemètre optique), ou avec un spectromètre, ou encore un analyseur de spectre optique.

L’homme du métier peut déterminer la variation DT à l’aide d’un système thermométrique comme par exemple un thermocouple ou une thermistance, en prenant soin d’établir une température homogène sur toute la cavité Fabry-Pérot.

Etanchéité de la cavité L’élément de liaison 7, 57 peut présenter un orifice 11 agencé pour permettre l’introduction de gaz dans la cavité Fabry-Pérot depuis l’extérieur de l’élément de liaison 7, 57. La figure 2 représente un orifice 11 situé sur le corps de l’élément de liaison 7 entre les surfaces 4 et 6. L’élément de liaison 7, 57 peut également présenter plusieurs orifices.

De cette manière, les échanges de gaz entre l’extérieur de l’élément de liaison 7, 57 et la cavité Fabry-Pérot sont possibles, les orifices permettant des fuites d’espèces chimiques de la cavité Fabry-Pérot vers l’extérieur et l’introduction d’espèces chimiques dans la cavité Fabry- Pérot.

Si au contraire, il est souhaitable que la composition chimique d’un mélange gazeux dans la cavité Fabry-Pérot ne change pas au cours du temps, il est possible de réaliser une cavité Fabry-Pérot étanche. Une solution consiste par exemple à utiliser deux cordons de soudure, chacun s’étendant tout autour d’une des deux portions d’extrémités 22, 23 selon une trajectoire fermée sur elle-même. Les deux portions d’extrémité 22, 23, étant soudées chacune par un cordon qui colmate entièrement le passage traversant de l’élément de liaison 7, 57 la cavité Fabry-Pérot se trouve isolée de manière étanche de l’extérieur de l’élément de liaison 7, 57.

Il est à noter que, si les deux fibres optiques 3, 5 et l’élément de liaison 7, 57 présentent un même coefficient d’expansion thermique, il est possible de réaliser un soudage selon des zones étalées sans diminuer la stabilité thermique du système optique.

Une telle cavité étanche peut s’avérer utile s’il est nécessaire de travailler en permanence avec une cavité Fabry-Pérot sous vide ou bien remplie d’un mélange gazeux bien particulier. L’étanchéité de la cavité peut accroître sa stabilité.

Boîtier d’étanchéité autour de la cavité Fabry-Pérot

Le système optique 20, 30, 50 peut en outre comprendre un boîtier 12 agencé autour de l’élément de liaison 7, 57 de sorte à définir entre eux une cavité périphérique étanche. Cette cavité périphérique étanche se situe autour de la cavité Fabry-Pérot. Le boîtier 12 n’est pas au contact de l’élément de liaison. Le boîtier 12 ainsi à distance de l’élément de liaison 7, 57 définit un volume non nul entre eux.

Le boîtier 12 est suffisamment large pour loger l’élément de liaison 7, 57 et les deux portions d’extrémités 22 et 23 des fibres optiques 3 et 5.

Des orifices 24 et 25 peuvent être aménagés au sein du boîtier 12 pour laisser le passage des fibres 3 et 5, tout en conservant l’étanchéité du volume défini entre le boîtier 12 et l’élément de liaison 7, 57. D’autres orifices peuvent être aménagés au sein du boîtier 12 par exemple pour acheminer un gaz que l’on souhaite étudier.

Le volume défini entre le boîtier 12 et l’élément de liaison 7, 57 sert à atténuer ou éliminer d’une part les fluctuations de température, et d’autre part les variations de pression. En particulier si un vide est réalisé dans l’enceinte défini entre le boîtier 12 et l’élément de liaison 7, 57 la stabilité de la cavité Fabry-Pérot est augmentée. En particulier la stabilité de la cavité vis-à-vis des fluctuations de pression de l’atmosphère à l’intérieur de la cavité.

De cette manière, la stabilité thermique de la cavité Fabry-Pérot est accrue.

La stabilité de la cavité Fabry-Pérot obtenue peut être évaluée en termes de dérive, c’est-à- dire par la variation d’une longueur d’onde de résonance ou d’une fréquence de résonance de la cavité en fonction du temps. Une cavité Fabry-Pérot telle qu’on vient de la décrire au sein d’un système optique qui comporte une enceinte pour isoler thermiquement la cavité Fabry- Pérot peut présenter une dérive entre 1 MHz et 100 MHz, sans recours à un asservissement de la longueur de la cavité.

Applications

Un système optique 20, 30, 50 comprenant une cavité Fabry-Pérot fibrée plus stable peut être utilisé dans diverses applications.

Tout d’abord la stabilité accrue de la cavité Fabry-Pérot proposée permet d’envisager son emploi dans des applications de spectroscopie Raman pour caractériser la composition chimique d’un gaz, sans avoir recours à un système d’asservissement de la longueur de la cavité.

L’utilisation d’une cavité Fabry-Pérot dans cette application nécessite de régler la cavité Fabry-Pérot pour qu’elle soit en résonance avec le laser d’excitation Raman, ou avec au moins une des transitions moléculaires ou des raies d’absorption d’une espèce chimique que l’on souhaite détecter. Pour une cavité Fabry-Pérot de l’art antérieur, le maintien en résonance nécessite un asservissement de la longueur de la cavité. Il est nécessaire alors d’ajouter à la cavité Fabry-Pérot un système de positionnement réglable, par exemple un système piézoélectrique lié à l’un des deux miroirs. L’encombrement et le coût de ce système de positionnement ainsi que de l’asservissement limite l’intérêt d’utiliser une cavité Fabry-Pérot selon l’art antérieur.

Par ailleurs, le système optique 20, 30, 50 présente un autre avantage pour les applications de spectroscopie : le temps pour assurer que la cavité Fabry-Pérot est remplie d’un gaz que l’on souhaite analyser est réduit grâce à la présence d’un éventuel orifice 11 . La quantité de gaz nécessaire à l’analyse est également réduite par rapport à une cavité Fabry-Pérot macroscopique, du fait de son volume réduit.

Le système optique 20, 30, 50 peut également être utilise dans l’application de peignes optiques de fréquence. Pour certaines applications, la production d’un signal optique de type peigne optique nécessite l’utilisation de filtres fréquentiels. Une cavité Fabry-Pérot peut jouer le rôle d’un tel filtre fréquentiel mais sous condition que la distance inter miroirs soit d’au moins 1 cm. La cavité Fabry-Pérot proposée peut remplir cette condition, notamment dans la variante qui utilise des fibres à gradient d’indice. Par ailleurs, le système optique 20, 30, 50 présente de surcroît des avantages de stabilité, et de taille miniature et de couplage à une fibre optique par construction.

Le système optique 20, 30, 50 peut également être utilisé au sein d’un système de référence absolue en fréquence. Actuellement ces systèmes de référence absolue en fréquence sont utilisés dans le domaine des télécommunications comme par exemple les cavités Fabry-Pérot discrètes (c'est-à-dire, dont les miroirs ne sont pas réalisés directement sur des fibres optiques) compensés en température. La stabilité de ces systèmes correspond à une dérive située entre 1 GHz et 10 GHz sur toute l’étendue des températures de fonctionnement, par exemple entre 5 et 70° C. La cavité Fabry-Pérot fibrée décrite ici au sein d’un système optique qui comporte une enceinte présente une stabilité équivalente ou meilleure, tout en possédant les autres avantages évoqués plus haut comme le couplage aux fibres inhérent au système. Elle peut donc être installée au sein d’appareils placés en extérieur sans se désaccorder en dépit des variations de température.

Enfin, le système optique 20, 30, 50 peut servir de filtre passe-bande très sélectif. Il est connu qu’une cavité Fabry-Pérot constitue un filtre dont les bandes passantes correspondent aux résonances. Plus la cavité est courte, plus la bande d’arrêt entre les résonances est large, plus la finesse est élevée et plus les bandes passantes sont étroites. Les cavités fibrées, qui peuvent atteindre des valeurs de finesse très élevées quand les miroirs sont fabriqués par usinage au laser C02, sont particulièrement intéressantes pour l’application comme filtre passe-bande étroit, mais les dérives des fréquences de résonance avec la température et les vibrations des cavités construites selon l’art antérieur constitue un frein à leur utilisation. La stabilité accrue du système optique 20, 30, 50 permet d’envisager cette application.

Procédé de fabrication

Un procédé de fabrication d’un système optique 20, 30, 50 tel qu’on a pu le présenter plus haut, comprend notamment une étape d’ablation au laser C02 de la première fibre optique 3 ou de la deuxième fibre optique 5 de sorte à former la première surface 4 ou la deuxième surface 6. Il est à noter que cette étape peut également être réalisée à l’aide d’une sonde ionique focalisée (connu aussi sous l’appellation anglaise « focused ion beam », FIB) ou par un traitement chimique.

Cette étape permet de donner aux surfaces 4, 6 des fibres une forme souhaitée. Cette forme d’extrémité de fibre influence la forme spatiale d’un faisceau lumineux en résonance avec la cavité Fabry-Pérot contenue dans le système optique 20, 30, 50, et les conditions de résonance d’un faisceau lumineux avec la cavité Fabry-Pérot.

Le procédé de fabrication peut en outre comprendre une étape de dépôt sur l’une des surfaces 4, 6 d’au moins une couche de revêtement adaptée pour augmenter la réflectivité optique de la surface 4, 6. Après dépôt, la couche de revêtement délimite la cavité Fabry Pérot et forme un de ces miroirs.

Cette étape permet de donner aux surfaces 4, 6 des fibres les propriétés de réflectivité pour que la cavité Fabry-Pérot contenue dans le système optique présente une grande finesse.