Autoécriture de lien optique flexible entre une source VCSEL NIR et une fibre monomode pour l'intégration photonique 3D – 3D-BEAM-FLEX

3D-BEAM FLEX a réuni un consortium complémentaire formé LAAS-CNRS et de l’IS2M-CNRS couvrant les domaines des sources laser VCSELs et de leur intégration photonique, de la photochimie et de la micro-fabrication. Cette expertise transversale a été mise à profit pour mener des travaux à la fois fondamentaux (compréhension des mécanismes photochimiques, mise au point de nouvelles formulations pour le NIR, modélisation du couplage) et appliqués (mise au point d’un banc de couplage dédié, étude de l’influence des paramètres photochimiques et des désalignements initiaux, analyse dimensionnelle des guides) afin de mettre au point un procédé de couplage efficace entre deux fibres monomodes 780HP (tailles de mode ~5 µm), puis entre une diode VCSEL monomode à 850 nm (taille de mode ~4 µm) et une fibre 780HP. Grâce à une collaboration avec une autre équipe de l’UHA et l’Institut Fresnel, nous avons également déterminé le profil d’indice créé dans le guide pour pouvoir modéliser le comportement modal du guide. Enfin, nous avons évalué les possibilités de rotation du lien à 90° et d’utilisation du procédé dans un module optique compact en explorant des techniques novatrices de fabrication 3D additive et soustractive.

Un procédé de photo-fabrication NIR applicable en une seule étape a été développé en utilisant une longueur d'onde d'écriture identique à celle de propagation monomode dans les fibres (850 nm). Une efficacité de couplage de 82 % a été démontré pour un guide auto-écrit entre deux fibres 780HP distantes de 300 µm, contre seulement 2.3 % mesurés dans l’air à la même distance. De plus, le couplage reste supérieur à 67 % pour des désalignements latéraux initiaux de ± 2 µm. Un module 3D compact en verre a été également conçu et réalisé pour pouvoir appliquer le procédé entre deux fibres sans alignement actif. Des photopolymères IR ont été également étudiés et une réaction de photopolymérisation à 1.31 µm a été montrée en bout de fibre SMF28, ce qui ouvre la voie vers des couplages aux longueurs d’onde télécom. Enfin, un lien efficace entre un VCSEL 850 nm-fibre 780HP a été également démontré.

Au cours du projet, de nouveaux partenariats ont été initiés avec succès par l’IS2M avec une autre équipe de l’UHA (Olivier Haeberlé, IRIMAS) et l’Institut Fresnel (Serge Monneret). En mettant à profit deux techniques de tomographie complémentaires, ces partenariats ont permis de déterminer le saut d’indice correspondant à la polymérisation par NIR et aussi le profil d’indice dans les guides. Ces mesures de microscopie de phase ont ainsi permis de réaliser une première modélisation de leur comportement modal (publication commune soumise en décembre 2024). Nous allons poursuivre ces études, notamment sur l’extension du procédé aux longueurs d’onde télécom. En effet, dans le cadre du projet transverse LINK qui a débuté en 2025 au LAAS, nous allons évaluer l’intérêt du procédé développé par 3D-BEAM-FLEX pour résoudre une nouvelle problématique de couplage au sein d’un oscillateur optoélectronique à 1.55µm destiné aux télécommunications spatiales. Dans ce cadre, le LAAS a débuté des travaux de modélisation optique approfondie des guides auto-écrits à l’aide d’un nouvel outil de simulation plus complet et permettant de prendre en compte leur géométrie tridimensionnelle. Cette nouvelle application potentielle va par ailleurs conduire l’IS2M à étudier la mise au point de formulations nanocomposites compatibles avec la photostructuration dans le NIR et présentant une résistance accrue aux diverses radiations liées à l’environnement spatial.

Le projet 3D-BEAM-FLEX vise à démontrer l’auto-écriture de guides d’onde monomodes continus et flexibles entre des matrices de VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) et des fibres optiques monomodes afin d’améliorer l’intégration photonique de ces sources laser dans les systèmes d’interconnexions à haut débit à 850nm (datacom) ainsi qu’à 1.31 et 1.55µm (telecom, WDM). Les tolérances sur le couplage VCSEL-fibre sont en effet très strictes en configuration monomode, ce qui impose actuellement le recours à des étapes de pré-alignement longues et couteuses. En outre, la réalisation de liens optiques efficaces et réellement compacts nécessite la redirection du faisceau émis par les VCSELs dans le plan horizontal des fibres et l’hybridation d’éléments micro-optiques 3D par des méthodes d’assemblage ou de fabrication in situ, complexes et non collectives.
Pour lever l’ensemble de ces verrous, le projet 3D-BEAM-FLEX propose d’explorer les mécanismes d’auto-écriture dans les photopolymères et de les exploiter pour mettre au point un procédé innovant de photo-fabrication en deux étapes, dans le NIR et dans l’UV. Grâce à des travaux à la fois fondamentaux (compréhension des mécanismes photochimiques, mise au point de formulations à 0.85, 1.31 et 1.55µm, analyse du gradient d'indice créé, conception opto-mécanique du guide) et appliqués (démonstration d’une liaison monomode flexible efficace, analyse de l’auto-compensation des désalignements initiaux, évaluation d'une redirection à 90° du faisceau et d’une réalisation matricielle, étude de la tenue au flux optique) et à l’association à des techniques novatrices de fabrication additive 3D pour l’intégration du lien ainsi réalisé dans un module optique compact, nous démontrerons que cette approche simple, générique et applicable en post-processing, conduit à un couplage optimal tout en relâchant les tolérances jusqu'ici très strictes sur le pré-alignement des composants.
Pour mener à bien ce projet, 3D-BEAM FLEX réunit un consortium complémentaire composé de deux instituts de recherche, le LAAS-CNRS à Toulouse et l’IS2M-CNRS à Mulhouse, couvrant les domaines des sources VCSELs et de leur intégration photonique, de la photochimie et de la microfabrication, ainsi que de la fabrication additive par impression 3D. Cette expertise transversale permettra de démontrer le concept proposé avec des retombées à la fois sur le plan scientifique : mise au point de nouveaux matériaux et de nouveaux procédés de microfabrication, et applicatif : réalisation de liens optiques compacts à plusieurs longueurs d’onde pour les communications de données, et plus largement pour les capteurs optiques miniaturisés.