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1. iXblue2. Laser à fibre3. Fabrication des fibres optiques4. Techniques de fabrication des cœur dopés5. Problématiques des cœurs dopés6. Cas pratiques7. Le défi de la haute puissance8. Conclusion
600+employees
100+ M€turnover
80%export
iXblue at a glance
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SAINT-GERMAINEN LAYE
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iXblue leadership and pioneering expertise
Photonics Navigation Underwateracoustics
Shipbuilding
Mecatronics Surveyoperations
Energy & marineconstruction
Geosciencesurvey
Naval defence Land defence
Cutting edgeindustry
Research& labs
Space Commercialshipping
iXblue, a renowned brand throughout the industry
Photoniques
• Fibre optique spéciale• Réseaux de Bragg • Circuit optique intégré• Modulateur
Spatial
Fibre optique et modulateursrésistants aux radiations
Inertial navigation• Gyrocompass• Inertial navigation system
High demanding navigation
1nm/72h driftin inertial mode
Nexter
Tailored made Inertial Navigation System for gun positioning
Airbus
Tailored made Inertial Measurement Unit for satellites
Underwater acoustics
• Moorings• Acoustic positioning systems• Mapping sonars
Seabed / drones
Underwatertracking system of Ocean
Mecatronics
• Motion simulators• Positioners
Motion simulator
5 axes target designation simulator for BOEING
Matériaux
Médical
• Omniprésence des lasers: Industrie, recherche, militaire• Le laser à fibre remplace massivement les anciennes technologies
• Conversion électro-optique efficace • Faisceau gaussien• Compacts, légers & sûrs• Versatiles en longueur d’onde• De plus en plus abordable
• La tendance est à la très forte puissance.
Militaire
C’estunetechnologiederupture,quiestmaintenantacceptée!
• La fibre optique est dopée avec une terre rare• La terre rare est pompée optiquement sur un état excité au moyen d’une diode laser• La cavité est fermée par des miroirs
• En pratique ce n’est pas une configuration robuste…
Principe du laser à fibre
• C’est un convertisseur de Brillance
• Les terres rares convertissent un faisceau de pompe multimode forte puissance en un faisceau signal très brillant.
• X 6 ordres de grandeur !• Surface Jusqu’à 1000 fois plus petite• Ouverture numérique 30 fois plus petite
Principe du laser à fibre
LAgéométriedelafibreestétudiéepourmaximiserlerecouvrementpompe-coeurdopé
• Amplificateur type MOPA
• Système très robuste… et modulable
• C’est le moteur de l’industrie du laser à fibre
Systèmes ‘tout fibré’
• Nombreux niveaux d’énergie et transitions pour les ions TR
• Dans la silice, seulement 5 états métastables compatibles avec les diodes fortes puissances:
• Nd,Er,Tm,Yb,Ho
• 6 transitions exploitées à ce jour dans des lasers à fibre
Quelles terres rares ?
• Mais des lasers à fibre:• Laser continu• Laser pulsé
• Mode-locked, Q-switch…• ns, ps, fs
• Mono-fréquence• De 890 à 2200 nm
• Chaque configuration de laser a ses propres exigences en terme de gain/m, de qualité modale, de taille de mode, d’ouverture numérique, de ratio cœur/gaine, etc…
Une très grande variété de fibres à développer pour chaque application
Il n’y a pas un laser à fibre…
Nd
VAD (telecom)De nombreuses technologies disponibles
MCVD (fibres spéciales)
OVD (telecom)
Profild’indicederéfraction
iXblue: dopage en solution (MCVD) • Mise en œuvre simple• Compositions variées• Faible volume de cœur dopé• Peu homogène radialement
-0,001
0,001
0,003
0,005
0,007
-3 -2 -1 0 1 2 3
Indicederéfractionaudessusdelasilice
Rayon(mm)
Profild'indicedepréformesAlYb
MCVD
MCVD + chelate ou CIC (chemical in Crucible)
• Fort volume dopé• Bonne homogénéité radiale
• Contaminations croisées• Homogénéité longitudinale
REPUSIL: poudres
• Fort volume dopé• Grande homogénéité radiale
• Technique propriétaire• Compositions accessibles limitées
OVD DND (Aerosol)
La grande majorité des fibres dopées reste produite aujourd’hui en MCVD+ dopage en solution
SansoublierleSolGel…etquelquesautres
•Problématiques associées
oChoix de la matriceoGuide d’ondeoEfficacité de conversionoPhotochromismeoEchauffementoDégradationoEffets non linéaires
05
Choix de la matrice
• Faible solubilité des Terres rares dans la silice• Agrégats
• l’environnement chimique de la TR modifie ses propriétés…
• Solubilitéaccrue• Elargissementdessectionsefficaces• Tempsdevie vie)
• et change les schémas de pompage• permetleTransfertphononique:co-dopageEr-Yb• Relaxationcroisée(Tm)
• Matrices utilisées classiquement• Alumino-silicate (Yb,Tm,Ho,Nd)• Phospho-silicate(ErYb,Yb,Nd)• AlP (Yb,ErYb)
Lasiliceestfantastique!
Guide d’onde, fibre monomode à grande aire effective (LMA)
• Mode Gaussien• Diamètredecœur• Ouverturenumérique(indicederéfraction)
• Large cœur:• Tenueàlapuissance• Intensitésignalréduite(minimiserlesseuilsd’effetsnonlinéaires)• Forteabsorptiondepompe(laser+court,- effetsNL)• Laserspulsés:plusd’énergiestockée
• Ouverture numérique• Minimum0.05-à0.07pourlaHP• Dépenddelacourburedelafibre(packaging)
0
1
2
3
4
5
6
7
-30 -20 -10 0 10 20 30
Indicederéfractio
n
Rayon(µm)
Taillesdemodeetprofilsd'indice
FibreclassiqueFibreLMA
IndicefibreclassiqueIndicefibreLMA
Réfractivité élément
Positive Al,P,Ge,TR
Négative F,B
Neutre Al+P équimolaire
BoiteàoutilsChimique
+méthode
Piédestal
fossés
Micro-structuration(ducœur)
Boiteàoutilsoptique
Efficacité de conversion
• Efficacité quantique
• Effets délétères:• Agrégats:Pair-induced-quenching/clustering• Interactionions-ions
• Excitedstateabsorption• Up-conversion• Crossrelaxation
• Mitigation• Choixdelamatrice• Dopage<<Concentrationmaximale• designdelafibre• Designdulaser(pompagerésonant)• Technologiedesynthèseducœurdopé(?)
Nepasoublierlaconversionélectriqueoptique!Etatdel’artlaserà1µm:>50%‘wall plugefficiency’(0,64x0,86)
Yb,2niveaux>90%théorique
Photochromisme (photo-darkening)
• Création de centres colorés sous irradiation = Atténuation en excès dans le cœur
• Phénomène complexe !• Observéssurl’Yb,Nd,Th…• Dépenddelamatrice(AlOHC,POHC,P1?…)• Dépenddel’inversiondepopulation• Dépenddelalongueurd’ondedepompe• Photo-blanchiment
• Enjeu majeur sur les fibres Yb HP (résolu)
• Mitigation possible:• Choixdelamatrice• Designdulaser• Designdelafibre• Ajoutdecérium• Chargementengaz
Irradiationà 515nm
Qualité de faisceau
• Fonctionnement monomode• Contrôleduprofild’indicesurpréforme• Contrôledeseffetsdefibragesurl’indice• Fonctionnementsouscourbures
Mesure M2
Mesure S2
-0,001
0,001
0,003
0,005
0,007
-3 -2 -1 0 1 2 3
Rayon(mm)
Troud’indice
-0,0005
0,0005
0,0015
0,0025
0,0035
-3 -2 -1 0 1 2 3
Rayon(mm)
Picdedopage
Profilidéal
Limite thermique• Dépend de l’efficacité de conversion
• EnpratiquenonatteintepourYbmêmeenKW• TrèsproblématiquesurleThulium,etl’Er-Yb
• Limite thermique du revêtement!• <100°Clongterme• Limitethermiquedurevêtement!
• Mitigation• Gestionthermique• Triplegaine• Revêtementmétallique
Casd’écoleFibreErbiumYtterbium,efficacité40%Diamètredegaine650µmAbsorptiondepompe3dB/mTempératuredelafibreairfigé:1000°C
Apportthermiquemax.parunitédelongueur• 100W/menconvectionforcée• 200W/mavecdissipationappropriée
Limite optique• Rupture de la gaine
• Fonctionnementcourbé• Fibres‘screen-testées’• Testoptique
• Fracture du coeur• Défautdefabrication• Limitedumatériau• Conceptiondulaser
• Limite du matériau• 36KWenCW(5MW/cm2)• Critiquepourlesimpulsionsbrèves(<ps)• Dépenddelacompositionducœur(?)
Effets non linéairesLes fibres actives (mais aussi passives) sont sensibles aux effets non-linéaires à cause
de la longueur et du confinement.
• Stimulated Brillouin scattering (SBS)• Trèssensibleàlalargeurspectraledusignal• Modificationduprofilacoustique…
• Stimulated Raman Scattering (SRS)• Peutêtresuppriméparundispositifdefiltrage
• Self phase modulation (SPM)
• ….
Conception d’une fibre active…
Recherche du meilleur compromis
application
Longueurd'onde
matrice
Guided'onde
Photo-chromism
e
Qualitéde
faisceau
modedepompage
thermique
non-linéartés
endommagement
Ytterbium
• Fonctionnement à 2 niveaux d’energie• Pasd’upconversion niderelaxationcroisée• Fortecompositionpossible• Forteefficacitéquantique(>90%)• Pompeà915nmou975nm
• Idéale pour la très haute puissance en CW !
• Photochromisme: très problématique• Codopage aucériumenmatricealuminosilicate• Matricephosphosilicate
• Problématique: Design LMA• DesignLMA:Contrôledetrèsfaibleouverturenumérique0.05-
0.06peucompatibleavecforteabsorptionlinéique• Effetsnon-linéaires
Fibre LMA Yb > 20 µm• MCVD dopage en solution inadaptée
• Faiblediamètredecœur• Peuhomogèneradialement• Contrôleà10-4 prèsillusoire• Dopagenégatifpeucompatibleavecleporeux
• Développement SPCVD phase Vapeur
• ToutPhasevapeur:Al,Yb,Ce,F(maisaussiB,P)• Trèsgroscœurpossible(diamètre4mmdéposéen90minutes)• Contrôleduprofilparrecette
ThèseAlexandreBarnini 2017
Fibre LMA Yb > 20 µm• Validation technologique SPCVD
• PuretéOK• Contrôledel’indiceOK• SourcesterresraresOK
• Développement LMA• AjoutFluoretcérium:OK
• En cours• Correctionindicedeszonesdediffusions
Thulium• Fonctionnement 2 pour 1: relaxation croisée
• Pompageà790nm,émissionà2µm• FaibledistanceentrelesionsTm• Efficacepourlesfortesconcentrations(>4%poids)
• Matrice : aluminosilicate
• Photo-Chromisme: faible…
• Très faible contamination OH
• Efficacité • Théorique79%• Meilleurrésultatpublié70%
Thulium• Problématique particulière : fort dopage en Thulium…et en aluminium
• Problématique actuelle: la température• Optimisationcomposition/profil• Revêtementmétallique
ProjetSIMFFONIE2
Tm-30-300-0.08monomodeEfficacité >40%(pulsé)
M2:<1.3OH:50ppb
Néodyme, vers 910 nm
• Schéma à 4 niveaux• Transitionà1060nmlaplusprobable• Forteréabsorptiondepuisleniveaufondamental
• Matrice : aluminosilicate• Photochromisme: ?• Efficacité: 50%
Fortintérêtpourleslasersbleu440-470nmpardoublagedefréquence
4niveaux
3 niveaux
Néodyme, vers 910 nm
• Suppression du 1060nm par profil en W
• Fibre LMA Nd3+ à gaine réduite
• Géométrie15-60-0.08,monomode
ThèseCeliaBartolacci 2010
ThèseBaptisteLeconte2016
Filtrepassebas22%ionsenAgrégats(10%enphospho)2,3Wà927nm(eff.17%)300mWà463nm
Plagede60nmde875à936nm22Wà915nm7,5Wà450nmRégimensà450nm
Pcrête 1KWPmoyen 2W
CompatibleLIDARBLEU
Erbium-Ytterbium: 1,5µm
• Transfert Yb vers Er• PrésencedeliaisonsP=O• RatioYb/Erélevé
• Matrice : phosphosilicate (ou P+Al)• Photochromisme: non• Efficacité: 50%• Problématiques spécifiques
• Tenueàlatempérature(durevêtement)• Emissionparasiteà1060nm
Efficacité 52%
Projet FEYMOUS :Fibre LMA pour application LIDAR et défense• Design LMA 30-300-0.08• Fonctionnement monomode: Ajout d’un piédestal• Qualité de faisceau: Suppression du trou d’indice par utilisation
matrice AlPO4• Limitation du 1,06 µm parasite: Optimisation ratio Yb/ER
LIDARàdétectioncohérenteEnergie600µJà9KHzPortée>15kmdémontréeen0,1s
M2:1.5
La montée en puissance, fibres classiques
MerciJohanNilsson!
• Large cœur• Faible ON• Composition complexe• Fort contrôle de l’indice
de réfraction
Technologiedefabricationdecœuràfortvolumeetreproductible
La montée en puissance, fibres µ-structurées• Principes de guidage alternatifs• Très grande taille modale• Très nombreux design
Technologiedefabricationdecœuràfortvolumeettrèsreproductibleencomposition
• Fabrication en stack and draw• Cœur dopé à l’indice de la silice • Indice de réfraction contrôlé à 10-5
Projet 4F (Financement PIAVE)
• En cours de montage, regroupant tous les acteurs Français de la filière
• Un ‘work package’ dédié aux cœurs actifs d’indice contrôlé
• CNRS-XLIM:Poudres• CNRS-PHLAM:Sol-Gel• CNRS-PHLAM-OVD• PERFOS:CHELATE
4technologiesmisesencompétition
?
1 technologieretenueetpré-industrialiséepar
ü La silice est fantastiqueü En régime continu, la limite est proche…ü En régime pulsé, la course à la puissance continue
La synthèse de matériau dopé en grande quantité, très bien contrôlé en indice de réfraction, de composition chimique complexe, de façon très reproductible et adapté aux designs de fibre de demain… reste un Graal pour la technologie
des lasers à fibre.