Le succès de l'interférométrie fibrée dans l'infrarouge proche (bandes K & L) encourage fortement à étendre cette technique vers les fenêtres encore peu explorées en interférométrie de l'infrarouge thermique (bandes M, N & Q). Cette gamme de longueur d'onde est aussi le terrain de prédilection pour la recherche d'exoplanètes " terrestres " car avec une température effective de l'ordre de 300 K, c'est autour de 10 µm que le contraste planète/étoile est le plus élevé. Dans le cadre de la mission spatiale Darwin qui a pour objectif la détection de ce type de planètes, des filtres modaux comme les fibres monomodes permettraient de relâcher considérablement la contrainte sur la qualité optique des miroirs. Pour cette raison, l'ESA les a classés parmi les points durs technologiques associés à la mission et a prévu un budget pour leur développement.

Bien avant Darwin et depuis le sol, l'instrument MIDI récemment installé sur le VLTI pourrait déjà bénéficier du filtrage modal par fibre monomode si ces composants existaient dans l'infrarouge moyen. Pour combler ce manque, le DESPA (actuel LESIA) s'est engagé fin 1999 au côté d'une industrie rennaise, Le Verre Fluoré, dans un contrat de recherche exploratoire financé pour un an par la Direction générale de l'armement (DGA). Le contrat portait sur la réalisation d'un guide monomode pour la bande 8-12 µm ayant des pertes de transmission inférieures à 3 dB/cm. Deux autres partenaires furent associés au contrat pour caractériser les prototypes : l'Institut d'astrophysique spatiale (IAS) à Orsay et le Laboratoire de physique des lasers (LPL) à Villetaneuse.

• Filtrage spatial par trou
  En optique, il est d'usage courant de filtrer spatialement les faisceaux pour nettoyer le front d'onde de ses aberrations. La solution la plus répandue consiste à disposer un trou circulaire au foyer d'une lentille convergente. Les aberrations de petites tailles, c'est-à-dire de hautes fréquences spatiales, se trouvent spatialement étalées au foyer de la lentille qui réalise physiquement une transformation de Fourier. Le rôle du trou est alors de sélectionner la partie centrale du champ qui contient essentiellement l'énergie associée aux basses fréquences spatiales. On comprend pourquoi un trou filtre efficacement les aberrations de hauts ordres, et moins bien ou pas du tout les aberrations de bas ordres, telles les modes de basculement (tip-tilt en anglais). Pratiquement, le choix du diamètre du trou dépend des caractéristiques du faisceau en général et de sa longueur d'onde en particulier. Si on travaille en bande large, le diamètre résulte d'un choix moyen, ce qui limite l'efficacité de filtrage. Pour certaines applications, ces désavantages ont motivé l'usage de fibres monomodes en remplacement des trous.
  
  
• Filtrage modal par fibre
  
  • Fibres monomode et multimode
    Dans une fibre optique dont les dimensions transversales sont grandes vis-à-vis de la longueur d'onde, les faisceaux lumineux subissent une série de réflexions totales jusqu'à l'extrémité. La propriété de guidage se comprend bien dans le cadre simplifié de l'optique géométrique ; on parle alors de fibre multimode.
    Cette description ne s'applique plus lorsque les dimensions transversales de la fibre deviennent comparables à la longueur d'onde car il faut alors tenir compte de la diffraction. La fibre se comporte en guide d'onde si sa structure est telle qu'elle refocalise en permanence le faisceau dont la tendance naturelle est de diverger. On a affaire à une fibre monomode dans ce cas.
    
  • Propriétés des fibres monomodes
    La structure de ces fibres peut être à gradient ou à saut d'indice. Toutefois, on ne considère ici que de fibres de la 2ème sorte qui sont constituées d'un cœur d'indice nc entouré par une gaine d'indice nc<ng.

  On définit la longueur d'onde de coupure de la fibre par :

  c = 2 a ON / 2,405 avec ON =

où 2a est le diamètre du cœur et ON l'ouverture numérique. On montre que pour >c, la fibre est effectivement monomode, c'est-à-dire que seul le mode fondamental peut se propager. La taille du mode fondamental et de la tache image au foyer d'un télescope augmentant tous les deux comme , la qualité du couplage avec une fibre monomode ne dépend que faiblement de la longueur d'onde. C'est un des aspects de la supériorité des fibres monomodes sur les trous filtrants.

• Principe de la mesure
  Pour vérifier l'efficacité de filtrage de notre prototype, nous avons procédé à la mesure du champ lointain rayonné par la fibre dans l'espace libre. Dans une description simplifiée, le champ sur l'extrémité de la fibre revêt le profil gaussien du mode fondamental. La fibre émet donc dans l'espace libre un faisceau gaussien dont le col est positionné sur l'extrémité rayonnante, et dont le rayon du col est égal au rayon du cœur. L'expérience consiste simplement à vérifier que la distribution angulaire de l'énergie à grande distance adopte la forme gaussienne prévue.
• Banc de mesure
  Nous avons mis en place au LPL un banc de mesure du profil de champ lointain. Le faisceau d'un laser à provenant d'une pièce adjacente est d'abord refocalisé par un compresseur de faisceau, puis replié par des miroirs de renvoi avant l'injection dans la fibre via une lentille convergente de focale 2,56 cm. L'intensité du champ rayonné à grande distance est ensuite échantillonné tous les degrés avec un détecteur HgCdTe monopixel. Le détecteur est ajustable en hauteur et solidaire d'une plaque métallique qui tourne autour d'un pivot placé à la verticale de la tête de fibre. De cette façon, le détecteur échantillonne le champ sur une surface d'onde à une distance de 10, 20 ou 30 cm. On s'affranchit du fond ambiant très important à 10,6 µm en utilisant un modulateur optique couplé à une détection synchrone. Par ailleurs, afin de corriger d'éventuelles dérives, une fraction de la puissance en entrée est prélevée par une séparatrice et mesurée par un 2ème détecteur HgCdTe.

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• Résultats provisoires
  Plusieurs campagnes de mesure ont conduit au développement d'un composant original à trois couches : cœur, gaine et couche extérieur en plomb destinée à absorber l'énergie non propagée par le mode fondamental. Expérimentalement, on obtient un accord avec une gaussienne de 2,5 à 3 % (rms) dans la partie mesurée.
  En pivotant d'environ 10° par rapport à l'axe du faisceau incident la platine supportant d'abord un trou filtrant puis la fibre, nous avons mis en évidence les propriétés de guidage de la fibre : dans le cas du trou, le profil en sortie reste centré, tandis qu'il est décalé d'environ 10° dans le cas de la fibre. L'absence de décalage dans le premier cas est bien conforme au fait que les trous ne filtrent pas les modes de basculement du front d'onde.
  Les pertes par transmission n'ont pu être correctement évaluées. En effet, il n'est pas possible de séparer leur contribution de celle de l'efficacité de couplage en entrée de fibre. On peut seulement avancer avec réserve que la fibre transmet au moins de l'ordre de 30 % de ce que transmet un trou de diamètre égal à celui de la gaine.

Pour en savoir plus (en anglais) :

• 10-µm wavefront spatial filtering: first results with chalcogenide fibers, P. Bordé, G. Perrin, T. Nguyen, A. Amy-Klein, C. Daussy, P.-I. Raynal, A. Léger & G. Mazé, august 2002
• Updated results on prototype chalcogenide fibers for 10-µm wavefront spatial filtering, P. Bordé, G. Perrin, A. Amy-Klein, C. Daussy & G. Mazé, april 2003