Transmission de l'énergie Connexion à la fibre optique et application

Transmission de l'énergie Connexion à la fibre optique et application

L'application des fibres optiques de transmission d'énergie dans les lasers est principalement mesurée par son efficacité de couplage avec le laser, ou l'efficacité de transmission laser de la fibre (qui peut également être représentée par la perte d'insertion ou la perte de connexion). Cela comprend la connexion entre le laser et la fibre de transmission d'énergie, ainsi que les connexions entre les fibres de transmission d'énergie elles-mêmes ou entre les fibres de transmission d'énergie et les fibres monomodes ordinaires.

Après plusieurs décennies de commercialisation, la connexion des fibres conventionnelles à gros fils est devenue aussi simple que celle des fibres monomodes ordinaires, grâce aux machines à épisser les gros fils disponibles dans le commerce. Toutefois, pour les fibres géométriques spéciales à grand cœur, dont le diamètre et la structure sont différents de ceux des fibres monomodes ordinaires et dont les exigences peuvent varier en fonction de l'application, les méthodes de connexion sont généralement plus complexes.

Par exemple, dans les applications impliquant des composants de faisceaux de fibres laser, une fibre à cœur carré est utilisée pour combiner les sorties de plusieurs modules laser à semi-conducteur dans une seule fibre carrée, afin d'obtenir une sortie d'énergie laser plus élevée. Les fibres à gros cœur creux, en raison de leur structure capillaire de gaine spéciale, sont susceptibles de s'effondrer et de se déformer lors de l'épissage. En outre, le diamètre du champ de mode des fibres à cœur creux diffère souvent de celui des fibres monomodes ordinaires, ce qui entraîne une perte importante au niveau de l'épissure, voire une défaillance en cas d'épissure directe. Par conséquent, garantir une caractéristique de transmission structurellement intacte, à faible perte et cohérente de la fibre à cœur creux après l'épissage est un défi majeur pour son utilisation pratique.

En 2016, J.R. Hayes et ses collègues du Centre de recherche en optoélectronique de l'Université de Southampton ont introduit une fibre de transition avec adaptation du champ de mode entre une fibre monomode et une fibre à cristaux photoniques anti-résonants à cœur creux. Cela a permis d'obtenir une perte d'épissure totale de 2,1 dB entre la fibre monomode, la fibre à cristaux photoniques anti-résonants à cœur creux et le retour à la fibre monomode[5]. En 2018, l'équipe du professeur Wang Yingying de l'université de technologie de Pékin a amélioré cette méthode, réduisant la perte d'épissure entre les fibres à cristaux photoniques à bande creuse et les fibres monomodes à 0,844 dB[6]. En 2021, l'équipe du professeur Xiao Limin de l'université de Fudan a encore réduit la perte d'épissure totale entre une fibre monomode, une fibre anti-résonante à cœur creux et une fibre monomode à 0,88 dB.

En ce qui concerne la connexion de couplage entre la source laser et la fibre de transmission d'énergie, il existe principalement deux méthodes :

1.Couplage direct : L'extrémité de la fibre est installée à proximité de la source laser, ce qui permet au laser généré de se coupler directement à la fibre. Pour améliorer l'efficacité du couplage, l'extrémité de la fibre est souvent transformée en formes micro-structurées telles que sphériques, coniques ou paraboliques.

2.Couplage indirect : Le laser est couplé à la fibre à travers une lentille. Il peut s'agir d'une lentille unique ou d'un système de lentilles multiples, de différents types tels que les lentilles cylindriques, sphériques ou hémisphériques, chacune offrant des combinaisons et des utilisations différentes.

Dans les applications pratiques, la fibre de transmission d'énergie se présente généralement sous la forme de câbles de transmission d'énergie et est souvent utilisée avec des têtes de sortie de grande puissance, des connecteurs groupés et d'autres composants de transmission d'énergie. L'interface de tête de sortie la plus répandue sur le marché aujourd'hui est le type QBH (Quartz Block Head), proposé par la société suédoise Optoskand AB. Elle comprend un module de refroidissement par eau et peut transmettre des lasers de grande puissance (>5 kW de puissance moyenne). Grâce aux progrès de la fabrication, les câbles commerciaux de transmission d'énergie à haute puissance utilisant des interfaces QD ou Q+ sont désormais capables de transmettre des puissances laser de plusieurs dizaines de kilowatts.

Résumé

La fonction première des fibres de transmission d'énergie à gros fils est de servir de support à la transmission laser. Avec le développement rapide de l'industrie du laser, en particulier de la technologie du laser à fibre qui représente la troisième génération de lasers - actuellement, les lasers à fibre de qualité industrielle en Chine peuvent produire de manière stable jusqu'à 100 kW[10] - une nouvelle ère d'applications laser a commencé. Parallèlement, le développement des fibres de transmission d'énergie a été stimulé par les exigences du réseau de communication entièrement optique.

À l'avenir, la principale orientation du développement de la fibre de transmission d'énergie restera axée sur deux aspects : l'amélioration de l'efficacité de la transmission et l'augmentation de la puissance de transmission. L'amélioration de l'efficacité de la transmission impliquera principalement des percées dans la technologie de couplage et de connexion des fibres de transmission d'énergie. Une puissance de transmission plus élevée peut être obtenue en optimisant les fibres de transmission d'énergie existantes ou en concevant des structures de fibres entièrement nouvelles. En outre, la recherche de nouveaux matériaux, en particulier ceux qui peuvent mieux gérer la transmission de l'énergie laser dans les longueurs d'onde infrarouges (les matériaux actuels en verre de silice étant inefficaces à cet égard), sera essentielle pour les progrès à venir.