Fibres optiques silice de nouvelle gnration aspects technologiques
Fibres optiques silice de nouvelle génération : aspects technologiques Jean-Marc BLONDY, Jean-Louis AUGUSTE, Philippe ROY, Frédéric GEROME, Pierre VIALE, Laurent LABONTE, Guy BOUTINAUD, Basile FAURE, Wilfried BLANC, Fabrice UBALDI, Bernard DUSSARDIER, Gérard MONNOM IRCOM- UMR 6615 Université de Limoges- 123 Av. A. THOMAS -87060 LIMOGES cedex LPMC- UMR 6622 Université de Nice - Sophia-Antipolis- 06034 NICE cedex 2 JNOG 2004 – ENST PARIS -
Plan de l’exposé Motivations : - Besoin de nouvelles fonctionnalités - Structure de guide optique - Composition et dopage du matériau 1°)Technologie MCVD - Principes et état de l’art - Matériaux et procédés - Exemples de réalisations et limites de fabrication 2°)Technologie micro structuration air-silice - Etat de l’art - Matériaux et procédés - Exemples de réalisations et contraintes de fabrication 3°) Conclusions et perspectives JNOG 2004 – ENST PARIS
Présentation MCVD • Modified Chemical Vapour Deposition MCVD Préforme Dopage Limites Fibrage Réalisations • Dopage indiciel – + (Ge, P, Al), - (F, B) – Aire effective de mode – dispersion chromatique – effets non-linéaires, … JNOG 2004 – ENST PARIS - Profils d’indice de réfraction d’une préforme (LPMC)
Dépôt de couche de silice MCVD Dopage Limites Réalisations JNOG 2004 – ENST PARIS -
Rétreint MCVD Dopage Limites Réalisations • Pendant le rétreint: –‘Surdopage’ Ge ou P • forts Dn • élimination du « trou» central –Affinement du cœur JNOG 2004 – ENST PARIS - (LPMC)
Dopants et applications • Nd 3+, Er 3+, Yb 3+, Tm 3+, … Dopage Limites Réalisations • amplificateurs pour télécommunication • lasers • capteurs • Co 2+, Cr 3+, Cr 4+, Ni 2+, Bi 3+ • atténuateurs de ligne (Y. Morishita, Opt. Lett. • absorbants saturables (L. Tordella, Electron. Lett, 2003) • sources large bande (> 500 nm) (V. Felice, Eur. Phys. J. AP, 2000) abs. Cr 4+ Absorption & gain MCVD fluo. Cr 4+ gain Nd 3+ 500 JNOG 2004 – ENST PARIS - 1000 1500 Longueur d’onde (nm) LPMC (V. Felice) 2001)
Dopage « par solution » (1) – Couche poreuse de silice MCVD – Solution de sels de TR 3+ (et Al 3+) Dopage – Trempage 1 -2 heures Limites – Séchage + Densification – Rétreint Réalisations • Autres méthodes: – évaporation de solides/liquides – nébulisation de solutions + transport sur zone de réaction (1) J. E. . Townsend et al. , Electron. Lett. 1987 (ORC, Southampton) JNOG 2004 – ENST PARIS - 10 µm
Limites … – vaporisation de Ge, P au rétreint Dn et effets non-linéaires limités MCVD Dopage – faible solubilité des terres rares relaxations croisées Limites Réalisations – inhomogénéités ( fortes conc. en Ge, P, Al, en TR) pertes par diffusion Rayleigh Dn (x 10 -3) [TR 3+] JNOG 2004 – ENST PARIS - standard « avancé » Ge => 20 => 100 P => 7 => 20 Al => 5 => 30 < 0, 2 % mol >2 mol % 100 -2000 ppm-mol 20000 ppm-mol
Ingénierie de la dispersion chromatique et du gain MCVD • Dopage Forte compensation de dispersion chromatique – Dmin < -1800 ps/(nm. km) à 1, 56 µm (J. -L. Auguste, Electron. Lett. 2000) – Egalisation de gain EDFA (J. Maury, Opt. Lett 2004) Limites Réalisations • structure • composition (LPMC, IRCOM) • 6 paramètres optogéométriques interdépendants – Tolérances: 1% sur cœur central pour Dmin [bande C] JNOG 2004 – ENST PARIS -
Fibre à Bande Interdite Photonique -1 D « vrai » (LPMC, IRCOM) MCVD – 3 anneaux: large aire de mode > 520µm 2, 0. 15 d. B/m @ 1. 53µm (S. Février, Elect. Lett. 2003) Dopage profil de préforme Limites Réalisations • structure • composition mode guidé simulations numériques JNOG 2004 – ENST PARIS -
Fibre à Bande Interdite Photonique -1 D « vrai » (LPMC, IRCOM) MCVD – 7 anneaux, dispersion annulée < l 0 (silice: 1, 31 µm) (F. Bréchet, Electron. Lett. 2000) profil de préforme Dopage Limites Réalisations • structure • composition couplage hors-axe JNOG 2004 – ENST PARIS - mode guidé
Nouveaux dopants … … nouvelles applications et nouveaux défis MCVD Dopage • Amplificateur en silice, dopé au thulium (TDFA) – bande-S (transition à 1, 47 µm) – desexcitations non-radiatives prépondérante dans la silice Limites Réalisations – effet de composition locale: essai avec Al 2 O 3 – efficacité quantique: + 400% / silice • structure • composition JNOG 2004 – ENST PARIS - (LPMC, B. Faure, OAA 2004)
Nouveaux dopants … … nouvelles applications et nouveaux défis Limites Réalisations • structure • composition 500 dépendent de: 600 800 1000 1500 Cr 3+ – [Ge]/[Al] – [Cr] totale – procédé • Recuit=> Efficacité Qu. 10% (V. V. Dvoyrin, JOSA B 2003) • Fibres Al: Silice dopées Cr 4+ uniquement • absorbants saturables Absorption Dopage Longueur d’onde (nm) • Etats de valence du chrome Absorption (u. a. ) MCVD Cr 4+ 24000 18000 12000 6000 -1 Nombre d’onde (cm ) (V. Felice, Op. Mat, 2001) JNOG 2004 – ENST PARIS -
Introduction FMAS, Holey Fiber, Photonic Crystal Fiber, MOF… Deux grandes familles de fibres microstructurées air-silice Introduction Historique Etat de l’art Stack & draw guidage par RTI guidage par BIP Domaines d’applications : Télécommunications Effets non-linéaires Amplification optique Guidage de fortes puissances Réalisations JNOG 2004 – ENST PARIS -
Historique Introduction Historique Etat de l’art Stack & draw Réalisations Première réalisation : 1996 Université de SOUTHAMPTON Réf. : JC Knight et al, Optics letters, vol. 21 1996 METHODE UTILISEE : STACK and DRAW Assemblage de tubes et d’un barreau de silice JNOG 2004 – ENST PARIS -
Historique La méthode « stack and draw » Introduction Historique Etat de l’art Stack & draw Perçage Usinage Fibrage Réalisations FIBRE A CRISTAL PHOTONIQUE Section JNOG 2004 – ENST PARIS - Assemblage 2 fibrages
Etat de l’art Les technologies mises en œuvre et les axes de développement : Introduction Historique PROCEDES : Stack and Draw Etat de l’art Stack & draw Réalisations Sol – gel Moulage ou extrusion Attaque chimique MATERIAUX: Silice Verres et chalcogénures Polymères JNOG 2004 – ENST PARIS -
Etat de l’art Les technologies mises en œuvre et les axes de développement : Introduction Historique PROCEDES : Stack and Draw Etat de l’art Stack & draw Réalisations Sol – gel Moulage ou extrusion Attaque chimique Bath MATERIAUX: Fibre tellure (ref. Kumar et al. , ECOC 03) Silice Verres et chalcogénures Polymères JNOG 2004 – ENST PARIS - Bath (réf. : Kumar et al, Optics Express, vol. 10, n° 25, 2002)
Etat de l’art Les technologies mises en œuvre et les axes de développement : Introduction Historique PROCEDES : Stack and Draw Etat de l’art Stack & draw Réalisations Sol – gel Moulage ou extrusion Attaque chimique monomode gradient Université de SYDNEY MATERIAUX: Silice Verres et chalcogénures BIP Bi-coeur Polymères (réf. : Van Eijkelenborg et al, Optics Express, vol. 9 N° 7, 2001 (réf. : Van Eijkelenborg et al, OFT, vol. 9, 2003) JNOG 2004 – ENST PARIS -
Etat de l’art Les technologies mises en œuvre et les axes de développement : Introduction Historique PROCEDES : Stack and Draw Etat de l’art Stack & draw Réalisations Sol – gel Moulage ou extrusion Attaque chimique MATERIAUX: Silice Verres et chalcogénures NRL (réf. : Falkenstein et al, Optics Letters, vol. 29 n° 16, 2004) Polymères JNOG 2004 – ENST PARIS -
Stack and Draw Contraintes du process de fabrication Introduction Historique Nécessité de réaliser ses propres capillaires pour pouvoir réaliser toutes les géométries désirées Capillaires élémentaires Etat de l’art Capillaires (F = 0. 5 -6 mm) Fibrage Stack & draw Réalisations Tube (F = 20 -35 mm) Maîtriser les diamètres ext. et int. Contrôle à +- 2µm (ref : A. D FITT et al , CLEO 2002) d L Trou interstitiel Assemblage Maille de base triangulaire JNOG 2004 – ENST PARIS -
Stack and Draw Contraintes du process de fabrication Introduction Historique 20 mm < F < 35 mm Etat de l’art Stack & draw Réalisations Rapport de réduction Fibre 0. 080 mm < F < 0. 2 mm Canne 1 mm < F < 3 mm + Manchonnage Homothétie? Modèles? JNOG 2004 – ENST PARIS - Contrôle : -Température -Pression -Vitesse de fibrage Fibre 0. 080 mm < F < 0. 2 mm
Contrôle des paramètres de fabrication Exemples : Introduction Historique Etat de l’art Stack & draw Réalisations Préforme : tubes fext = 2 mm, fint = 0, 5 mm d/L = 0. 25 Canne : d/L ≤ 0. 25 Fibre : d = 1, 55µm, L= 2, 4µm d/L = 0. 65 d = 1, 4µm, L= 2µm d/L = 0. 7 d = 1, 9µm, L= 2, 4µm d/L = 0. 8 d = 2µm, L= 3, 3µm d/L = 0. 66 d = 4, 2µm, L= 9, 5µm d/L = 0. 44 Modification de l’homothétie avec manchonnage, température et pression JNOG 2004 – ENST PARIS -
Réalisations Fibre microstructurée air-silice : guidage RTI Introduction Historique Etat de l’art Virginia Stack & draw ircom Réalisations (Ref. Pickrell et al. Optics letters vol 29 , 2004) Problèmes technologiques : PARAMETRES : d =1, 6µm L =2, 3 mm Génération de super continuum : JNOG 2004 – ENST PARIS - - Régularité de l’arrangement - Dimension des trous et pas
Réalisations Fibre microstructurée air-silice : guidage RTI Introduction Fibre double cœur : Historique Compensation de dispersion chromatique Etat de l’art Stack & draw Ircom Réalisations Blaze Phot. Compensation de dispersion WDM Ircom Problèmes technologiques : - Présence de trous de diamètres différents - Pression différentielle JNOG 2004 – ENST PARIS -
Réalisations Fibre microstructurée air-silice : guidage RTI Introduction Historique Etat de l’art Stack & draw Ircom Réalisations Fibres Air-Clad : Perfos Amélioration de l’amplification optique Cryst. fiber Problèmes technologiques : - Trous de diamètres différents - Pression différentielle JNOG 2004 – ENST PARIS - Alcatel
Réalisations Fibre microstructurée air-silice : guidage BIP Introduction Historique Etat de l’art ZOOM Stack & draw Réalisations Ircom Problèmes technologiques : -Obtenir un arrangement parfait -Avoir une grande surface d’air -Limiter les ponts de silice à une taille nanométrique Cryst. fiber JNOG 2004 – ENST PARIS -
Réalisations Association MCVD / Stack and Draw Introduction Historique Usinage Etat de l’art Stack & draw Réalisations Préforme MCVD Barreau dopé Stack and Draw Insertion du barreau dopé dans une préforme microstructurée. Fibre microstructurée air-silice dopée terre rare : Applications : - Amplification, - lasers … LPMC-IRCOM, ALCATEL Fibre microstructurée air-silice dopée Ge : Applications : Capteurs, réseau de Bragg … (cf. MC Phan Huy et al. , JNOG 2004) Problèmes technologiques : - point de fusion - pollution du barreau JNOG 2004 – ENST PARIS -
Conclusion et perspectives Développements récents de fibres de nouvelle génération dépendants de l’amélioration (MCVD) ou de la maîtrise (micro structuration) de la technologie. Existence des moyens technologiques performants dans les domaines académiques et industriels, Possibilités de création de nouvelles structures de fibres ou de nouvelles fonctionnalités : - Inclusion de nano structures ( effet non linéaires, capteurs) - guidage cœur creux Recherche vers de nouveaux domaines de longueurs d’onde Extension des domaines de recherche vers axes nouveaux -bio photonique, -micro fluidique JNOG 2004 – ENST PARIS -
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