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Fibres optiques silice de nouvelle génération : 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- UMR6615

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Fibres optiques silice de nouvelle génération : aspects technologiques

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Presentation Transcript

  1. 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- UMR6615 Université de Limoges- 123 Av. A. THOMAS -87060 LIMOGES cedex LPMC- UMR6622 Université de Nice - Sophia-Antipolis- 06034 NICE cedex2

  2. 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

  3. Modified Chemical Vapour Deposition Dopage indiciel + (Ge, P, Al), - (F, B) Aire effective de mode dispersion chromatique effets non-linéaires,… Préforme Fibrage Profils d’indice de réfraction d’une préforme (LPMC) Présentation MCVD MCVD Dopage Limites Réalisations

  4. Dépôt de couche de silice MCVD Dopage Limites Réalisations

  5. Pendant le rétreint: ‘Surdopage’ Ge ou P forts Dn élimination du « trou» central Affinement du cœur décapage chimique (LPMC) Rétreint MCVD Dopage Limites Réalisations

  6. Nd3+, Er3+, Yb3+, Tm3+, … amplificateurs pour télécommunication lasers capteurs Co2+, Cr3+, Cr4+, Ni2+, Bi3+ atténuateurs de ligne (Y. Morishita, Opt. Lett. 2001) absorbants saturables (L.Tordella, Electron. Lett, 2003) sources large bande (> 500 nm) (V. Felice, Eur. Phys. J. AP, 2000) Absorption & gain abs. Cr4+ fluo. Cr4+ gain Nd3+ 500 1000 1500 Longueur d’onde (nm) LPMC (V. Felice) Dopants et applications MCVD Dopage Limites Réalisations

  7. Couche poreuse de silice Solution de sels de TR3+ (et Al3+) Trempage 1-2 heures Séchage + Densification Rétreint Autres méthodes: évaporation de solides/liquides nébulisation de solutions + transport sur zone de réaction 10 µm Dopage « par solution » (1) MCVD Dopage Limites Réalisations (1) J.E..Townsend et al., Electron. Lett. 1987 (ORC, Southampton)

  8. vaporisation de Ge, P au rétreint Dn et effets non-linéaires limités faible solubilité des terres rares relaxations croisées inhomogénéités ( fortes conc. en Ge, P, Al, en TR) pertes par diffusion Rayleigh Limites … MCVD Dopage Limites Réalisations

  9. 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) 6 paramètres optogéométriques interdépendants Tolérances: 1% sur cœur central pour Dmin [bande C] (LPMC, IRCOM) Ingénierie de la dispersion chromatique et du gain MCVD Dopage Limites Réalisations • structure • composition

  10. 3 anneaux: large aire de mode > 520µm2, 0.15 dB/m @ 1.53µm (S. Février, Elect. Lett. 2003) profil de préforme mode guidé simulations numériques (LPMC, IRCOM) Fibre à Bande Interdite Photonique -1D « vrai » MCVD Dopage Limites Réalisations • structure • composition

  11. 7 anneaux, dispersion annulée < l0 (silice: 1,31 µm) (F. Bréchet, Electron. Lett. 2000) profil de préforme mode guidé couplage hors-axe (LPMC, IRCOM) Fibre à Bande Interdite Photonique -1D « vrai » MCVD Dopage Limites Réalisations • structure • composition

  12. Amplificateur en silice, dopé au thulium (TDFA) bande-S (transition à 1,47 µm) desexcitations non-radiatives prépondérante dans la silice effet de composition locale: essai avec Al2O3 efficacité quantique: + 400% / silice (LPMC, B. Faure, OAA 2004) Nouveaux dopants …… nouvelles applications et nouveaux défis MCVD Dopage Limites Réalisations • structure • composition

  13. Etats de valence du chrome dépendent de: [Ge]/[Al] [Cr] totale procédé Recuit=> Efficacité Qu. 10%(V. V. Dvoyrin, JOSA B 2003) Fibres Al:Silice dopées Cr4+ uniquement absorbants saturables Longueur d’onde (nm) 500 600 800 1000 1500 Absorption Absorption (u.a.) Nombre d’onde (cm-1) 24000 18000 12000 6000 Nouveaux dopants …… nouvelles applications et nouveaux défis MCVD Dopage Limites Réalisations Cr3+ • structure • composition Cr4+ • (V. Felice,Op. Mat, 2001)

  14. Introduction FMAS, Holey Fiber, Photonic Crystal Fiber, MOF… Deux grandes familles de fibres microstructurées air-silice Introduction guidage par BIP guidage par RTI Historique Etat de l’art Domaines d’applications : Télécommunications Effets non-linéaires  Amplification optique Guidage de fortes puissances Stack & draw Réalisations

  15. 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

  16. Section Assemblage Historique La méthode « stack and draw » Introduction Historique Etat de l’art Stack & draw Perçage Usinage Fibrage Réalisations FIBRE A CRISTAL PHOTONIQUE 2 fibrages

  17. Etat de l’art Les technologies mises en œuvre et les axes de développement : Introduction PROCEDES : Stack and Draw Sol – gel Moulage ou extrusion Attaque chimique Historique Etat de l’art Stack & draw Réalisations MATERIAUX: Silice Verres et chalcogénures Polymères

  18. Etat de l’art Les technologies mises en œuvre et les axes de développement : Introduction PROCEDES : Stack and Draw Sol – gel Moulage ou extrusion Attaque chimique Historique Etat de l’art Stack & draw Réalisations Bath MATERIAUX: Fibre tellure Silice Verres et chalcogénures Polymères (ref. Kumar et al., ECOC 03) Bath (réf.: Kumar et al, Optics Express, vol. 10, n°25, 2002)

  19. Etat de l’art Les technologies mises en œuvre et les axes de développement : Introduction PROCEDES : Stack and Draw Sol – gel Moulage ou extrusion Attaque chimique Historique Etat de l’art Stack & draw Réalisations monomode gradient Université de SYDNEY MATERIAUX: Silice Verres et chalcogénures Polymères (réf.: Van Eijkelenborg et al, Optics Express, vol .9 N°7, 2001 BIP Bi-coeur (réf.: Van Eijkelenborg et al, OFT, vol .9, 2003)

  20. Etat de l’art Les technologies mises en œuvre et les axes de développement : Introduction PROCEDES : Stack and Draw Sol – gel Moulage ou extrusion Attaque chimique Historique Etat de l’art Stack & draw Réalisations MATERIAUX: Silice Verres et chalcogénures Polymères NRL (réf.: Falkenstein et al, Optics Letters, vol. 29 n° 16, 2004)

  21. Stack and Draw Contraintes du process de fabrication Nécessité de réaliser ses propres capillaires pour pouvoir réaliser toutes les géométries désirées Introduction Capillaires élémentaires Historique Fibrage Etat de l’art Capillaires (F = 0.5-6 mm) Stack & draw Réalisations Tube (F = 20-35mm) Maîtriser les diamètres ext. et int. Contrôle à +- 2µm (ref : A.D FITT et al , CLEO 2002) L d Trou interstitiel Assemblage Maille de base triangulaire

  22. 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 0.080mm < F < 0.2 mm Canne 1mm < F < 3mm + Manchonnage Contrôle : -Température -Pression -Vitesse de fibrage Homothétie? Modèles? Fibre 0.080mm < F < 0.2 mm

  23. Contrôle des paramètres de fabrication Exemples : Introduction Historique Etat de l’art Stack & draw 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 Préforme : tubes fext = 2 mm, fint = 0,5mm d/L = 0.25 Canne : d/L≤ 0.25 Réalisations Modification de l’homothétie avec manchonnage, température et pression

  24. Réalisations Fibre microstructurée air-silice : guidage RTI Introduction Historique Etat de l’art Virginia ircom Stack & draw (Ref. Pickrell et al. Optics letters vol 29 , 2004) Réalisations Problèmes technologiques : - Régularité de l’arrangement - Dimension des trous et pas PARAMETRES : d =1,6µm L =2,3mm Génération de super continuum :

  25. Réalisations Fibre microstructurée air-silice : guidage RTI Introduction Fibre double cœur : Compensation de dispersion chromatique Historique Etat de l’art Stack & draw Ircom Réalisations Ircom Blaze Phot. Compensation de dispersion WDM Ircom Problèmes technologiques : - Présence de trous de diamètres différents - Pression différentielle

  26. Réalisations Fibre microstructurée air-silice : guidage RTI Introduction Historique Etat de l’art Fibres Air-Clad : Amélioration de l’amplification optique Stack & draw Perfos Perfos Ircom Réalisations Alcatel Cryst. fiber Problèmes technologiques : - Trous de diamètres différents - Pression différentielle

  27. Réalisations Fibre microstructurée air-silice : guidage BIP Introduction Historique Etat de l’art ZOOM Stack & draw Réalisations Ircom Ircom • Problèmes technologiques : • -Obtenir un arrangement parfait • -Avoir une grande surface d’air • -Limiter les ponts de silice à une • taille nanométrique Cryst. fiber

  28. Réalisations Association MCVD / Stack and Draw Introduction Stack and Draw Usinage Historique Insertion du barreau dopé dans une préforme microstructurée. Etat de l’art Préforme MCVD Barreau dopé Stack & draw Fibre microstructurée air-silice dopée terre rare : Réalisations 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

  29. 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

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