Micro-lentilles à forte courbure pour des applications de fibres optiques avancées

High curvature micro-lenses for advanced optical fiber applications

• Auteur / Autrice : Tony Hajj
• Direction : Sylvain Lecler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique
• Date : Soutenance le 22/09/2023
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Monique Thual
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Grégoire Chabrol, Guessoum Assia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Grosjean, Géraud Bouwmans

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibres optiques

Lentilles (optique)

Mots clés libres

Micro lentilles en embout de fibres

Haute courbure

Fibres fluorurée

Fibres creuses

Fibres multi-cœurs

COMSOL multiphysics

Tolérance à la puissance

Gravure de silicium

Lasers à cascade interbandes

Fiber micro-lenses

High-curvature

Fluoride-based fibers

Hollow-core fibers

Multi-core fibers

COMSOL multiphysics

Power tolerance

Silicon etching

Interband cascade laser

Résumé

Notre technique de fabrication de microlentilles en embout de fibres à base de polymères moulés, récemment introduite, a fait l'objet de recherches plus approfondies et a été développée dans le cadre de cette thèse. Les microlentilles présentent une haute qualité, une durabilité et une flexibilité de conception avancée, avec des courbures allant jusqu'à 10 µm. En utilisant des simulations COMSOL et des validations expérimentales, nous analysons les performances des lentilles et les pertes de lumière en fonction de leurs conceptions. Nous démontrons que les microlentilles à haute courbure génèrent des faisceaux hautement focalisés avec une FWHM ≤ λ. En outre, nous démontrons la compatibilité de cette technique avec des fibres optiques non traditionnelles, telles que les fibres fluorurée, les fibres multicœurs et les fibres à cœur creux. Nous avons réussi à réaliser des réseaux de microlentilles pour des fibres à 4 et 37 cœurs. Les applications de ce projet comprennent l'amélioration du couplage lumineux des lasers à cascade interbandes avec des fluorurée, que nous avons réussi à doubler, et la possibilité de graver le silicium à haute résolution. Pour cette dernière application, nous avons étudié la tolérance en puissance des microlentilles et avons constaté qu’elles supportaient ≥ 2 W (57 µJ), ce qui est significativement plus élevé que ce qui est nécessaire pour la gravure du silicium avec des faisceaux hautement focalisé (FWHM ≤ 5 µm).

Our recently introduced molded polymer-based fiber micro-lens fabrication technique was further researched and developed in this thesis. The micro-lenses exhibit high-quality, durability, and advanced design flexibility, with curvatures as high as 10 µm. Using COMSOL multiphysics simulations and experimental validation, we analyze lens performance and light losses with respect to the lens design. We demonstrate that high-curvature micro-lenses generate highly focused beams with a FWHM of ≤ λ. Moreover, we show the compatibility of this technique with non-traditional optical fibers, such as fluoride-based, multi-core, and hollow-core fibers. We successfully achieved micro-lens arrays for 4-core and 37-core fibers. The applications of this project consist of improving the light coupling efficiency of interband cascade lasers with fluoride fibers, which we were able to double, and enabling high-resolution silicon etching. For the latter, we investigated the power tolerance of micro-lenses and found it to be ≥ 2 W (57 µJ), significantly higher than what is required for silicon etching with highly focused beams (FWHM ≤ 5 µm).