JNOG 2004 – ENST PARIS - Fibres optiques silice de nouvelle génération : aspects technologiques Jean-Marc BLONDY, Jean-Louis AUGUSTE, Philippe ROY, Frédéric

JNOG 2004 – ENST PARIS -JNOG 2004 – ENST PARIS -

Fibres optiques silice de nouvelle génération :

aspects technologiques

Jean-Marc BLONDYJean-Marc BLONDY, Jean-Louis AUGUSTE, Philippe ROY, Frédéric , Jean-Louis AUGUSTE, Philippe ROY, Frédéric GEROME, Pierre VIALE, Laurent LABONTE, Guy BOUTINAUD,GEROME, Pierre VIALE, Laurent LABONTE, Guy BOUTINAUD,Basile FAURE, Wilfried BLANC, Fabrice UBALDI, Basile FAURE, Wilfried BLANC, Fabrice UBALDI, Bernard Bernard DUSSARDIERDUSSARDIER, Gérard MONNOM, Gérard MONNOM

IRCOM- UMR6615IRCOM- UMR6615Université de Limoges- 123 Av. A. THOMAS -87060 LIMOGES cedexUniversité de Limoges- 123 Av. A. THOMAS -87060 LIMOGES cedex

LPMC- UMR6622LPMC- UMR6622 Université de Nice - Sophia-Antipolis- 06034 NICE cedex2Université de Nice - Sophia-Antipolis- 06034 NICE cedex2


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


Présentation MCVD

• Modified Chemical Vapour Deposition

• Dopage indiciel

– + (Ge, P, Al), - (F, B)

– Aire effective de mode

– dispersion chromatique

– effets non-linéaires,…-0,006 -0,004 -0,002 0,000 0,002 0,004 0,006

Rayon (m)

Profils d’indice de réfraction d’une préforme (LPMC)

épaisseur totale100 - 200 µm

1,2 - 2,0 mm

14 - 26 mm

Couches déposées

Diamètre du tube

8-10 mmDiamètre

Fibrage

Préforme

MCVD

Dopage

Limites

Réalisations


Dépôt de couche de silice

Gaz porteurCarrier gas

O2

RéactifsRéagents

2CCl F2

POCl3

GeCl4

SiCl4

Zone de réaction / Reaction zoneex. SiCl + O SiO + 2 Cl4 2 2 2

Dépôt des suiesSoot deposit

Extraction et neutralisation des gaz

Gas exhaust and neutralization

Couche de silice vitreuseVitrified silica layer

MCVD

Dopage

Limites

Réalisations


Rétreint

AspirationVacuum

Gaz porteurCarrier gas

Extraction et neutralisation des gaz

Gas exhaust and neutralization

Décapant chimiqueChemical etching agent

2CCl F2

O ou N2 2

Pendant le rétreint:•‘Surdopage’ Ge ou P

• forts n• élimination du « trou» central

•Affinement du cœur•décapage chimique -0,002

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

-0,002 -0,001 0,000 0,001 0,002Rayon (m)

(LPMC)

MCVD

Dopage

Limites

Réalisations


Dopants et applications

• 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)

Longueur d’onde (nm)

gain Nd3+

Abs

orpt

ion

& g

ain abs. Cr4+

500 1000 1500

fluo. Cr4+

LPMC (V. Felice)

MCVD

Dopage

Limites

Réalisations


Dopage « par solution » (1)

10 µm– 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

(1) J.E..Townsend et al., Electron. Lett. 1987 (ORC, Southampton)

MCVD

Dopage

Limites

Réalisations


Limites …

– vaporisation de Ge, P au rétreint

n 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

standard « avancé »

n (x10-3)

Ge => 20

P => 7

Al => 5

=> 100

=> 20

=> 30

[TR3+]< 0,2 % mol

100-2000 ppm-mol

>2 mol %

20000 ppm-mol

MCVD

Dopage

Limites

Réalisations


Ingénierie de la dispersion chromatique et du gain

• 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]

Radius (µm)

Erbium doping zone

0 20 40 60-20-40-60

0

0.01

0.02

(LPMC, IRCOM)

•structure

•composition

MCVD

Dopage

Limites

Réalisations


Fibre à Bande Interdite Photonique -1D « vrai »

– 3 anneaux: large aire de mode > 520µm2, 0.15 dB/m @ 1.53µm(S. Février, Elect. Lett. 2003)

(LPMC, IRCOM)

0

1

0 20 40 60

Radius (µm)

-0.003

0

0.003

0.006

R

simulations numériques

2R = 34 µm2R = 34 µm

mode guidé

-0,005

0,000

0,005

0,010

-0,002 -0,001 0,000 0,001 0,002Rayon (m)

profil de préforme

•structure

•composition

MCVD

Dopage

Limites

Réalisations


Fibre à Bande Interdite Photonique -1D « vrai »

– 7 anneaux, dispersion annulée < 0 (silice: 1,31 µm) (F. Bréchet, Electron. Lett. 2000)

-0,004

0

0,004

0,008

0,012

-6 -4 -2 0 2 4 6

rayon (mm)

profil de préforme

mode guidécouplage hors-axe

(LPMC, IRCOM)

•structure

•composition

MCVD

Dopage

Limites

Réalisations


Nouveaux dopants …

… nouvelles applications et nouveaux défis

• 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)

0 2 4 6 8 101020304050

lifetime of 3H4 (μs)

Al2O3 (% ) concentration mol

•structure

•composition

MCVD

Dopage

Limites

Réalisations


Nouveaux dopants …

… nouvelles applications et nouveaux défis

• 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

Abs

orpt

ion

Nombre d’onde (cm-1)24000 18000 12000 6000

Abs

orpt

ion

(u.a

.)

15001000800600500Longueur d’onde (nm)

(V. Felice,Op. Mat, 2001)

Cr3+

Cr4+

•structure

•composition

MCVD

Dopage

Limites

Réalisations


Introduction

Introduction

FMAS, Holey Fiber, Photonic Crystal Fiber, MOF…

Deux grandes familles de fibres microstructurées air-silice

Domaines d’applications :

Télécommunications Effets non-linéaires

Amplification optique Guidage de fortes puissances

Historique

Etat de l’art

Stack & draw

Réalisations

guidage par RTI guidage par BIP


Introduction

Historique

Historique

Première réalisation : 1996 Université de SOUTHAMPTONRéf. : JC Knight et al, Optics letters, vol.21 1996

METHODE UTILISEE : STACK and DRAW

Assemblage de tubes et d’un barreau de silice

Etat de l’art

Stack & draw

Réalisations


Introduction

Historique

Historique

Perçage Usinage Fibrage

2 fibrages

FIBRE A CRISTALPHOTONIQUE

Section Assemblage

Etat de l’art

Stack & draw

Réalisations

La méthode « stack and draw »


Etat de l’art

Introduction

Historique

Etat de l’art

Stack & draw

Réalisations

Les technologies mises en œuvre et les axes de développement :

PROCEDES :

MATERIAUX:

Stack and Draw

Sol – gel

Moulage ou extrusion

Attaque chimique

Silice

Verres et chalcogénures

Polymères


Etat de l’art

Introduction

Historique

Etat de l’art

Stack & draw

Réalisations


PROCEDES :

MATERIAUX:

Stack and Draw

Sol – gel


Attaque chimique

Silice


Polymères (réf.: Kumar et al, Optics Express, vol. 10, n°25, 2002)

(ref. Kumar et al., ECOC 03)

Fibre tellure

Bath

Bath


Etat de l’art

Introduction

Historique

Etat de l’art

Stack & draw

Réalisations


PROCEDES :

MATERIAUX:

Stack and Draw

Sol – gel


Attaque chimique

Silice


Polymères (réf.: Van Eijkelenborg et al, Optics Express, vol .9 N°7, 2001(réf.: Van Eijkelenborg et al, OFT, vol .9, 2003)

gradientmonomode

BIP Bi-coeur

Université de SYDNEY


Etat de l’art

Introduction

Historique

Etat de l’art

Stack & draw

Réalisations


PROCEDES :

MATERIAUX:

Stack and Draw

Sol – gel


Attaque chimique

Silice


Polymères

(réf.: Falkenstein et al, Optics Letters, vol. 29 n° 16, 2004)

NRL


Introduction

Historique

Etat de l’art

Stack & draw

Réalisations

Stack and Draw

Contraintes du process de fabrication

Nécessité de réaliser ses propres capillaires pour pouvoir réaliser toutes les géométries désirées

Fibrage

Maîtriser les diamètres ext. et int. Contrôle à +- 2µm

Tube ( = 20-35mm)

Capillaires ( = 0.5-6 mm)

Capillaires élémentairesCapillaires élémentaires

AssemblageAssemblage

Maille de base triangulaire

Trou interstitiel

(ref : A.D FITT et al , CLEO 2002)

d


Introduction

Historique

Etat de l’art

Stack & draw

Réalisations

Stack and Draw

Contraintes du process de fabrication

Canne1mm < < 3mm

+ Manchonnage

Fibre0.080mm < < 0.2 mm

20 mm < < 35 mm

Fibre0.080mm < < 0.2 mm

Homothétie?

Modèles?

Rapport de réduction

Contrôle : -Température -Pression -Vitesse de fibrage


Contrôle des paramètres de fabrication

Exemples :

Préforme :tubes ext = 2 mm, int = 0,5mm

d/ = 0.25

Canne :d/ ≤ 0.25

Fibre :d = 1,55µm, = 2,4µm d/ = 0.65

d = 1,4µm, = 2µm d/ = 0.7 d = 1,9µm, = 2,4µm d/ = 0.8d = 2µm, = 3,3µm d/ = 0.66

d = 4,2µm, = 9,5µm d/ = 0.44

Modification de l’homothétie avec manchonnage, température et pression

Introduction

Historique

Etat de l’art

Réalisations

Stack & draw


Introduction

Historique

Etat de l’art

Stack & draw

Réalisations

Réalisations

Fibre microstructurée air-silice : guidage RTI

Problèmes technologiques : - Régularité de l’arrangement - Dimension des trous et pas

Génération de super continuum :

PARAMETRES :

d =1,6µm

=2,3μm

(Ref. Pickrell et al. Optics letters vol 29 , 2004)

Virginia ircom


Introduction

Historique

Etat de l’art

Stack & draw

Réalisations

Réalisations


Problèmes technologiques : - Présence de trous de diamètres différents - Pression différentielle

Fibre double cœur :

Compensation de dispersion chromatique

Ircom

IrcomBlaze Phot.

Compensation de dispersion WDM

Ircom


Introduction

Historique

Etat de l’art

Stack & draw

Réalisations

Réalisations


Fibres Air-Clad :

Amélioration de l’amplification optique

Problèmes technologiques : - Trous de diamètres différents - Pression différentielle

Ircom Perfos

Cryst. fiber Alcatel

Perfos


Introduction

Historique

Etat de l’art

Stack & draw

Réalisations

Réalisations

Fibre microstructurée air-silice : guidage BIP

Problèmes technologiques :-Obtenir un arrangement parfait-Avoir une grande surface d’air-Limiter les ponts de silice à une taille nanométrique

ZOOMZOOM

Ircom

Ircom

Cryst. fiber


Introduction

Historique

Etat de l’art

Stack & draw

Réalisations

Réalisations

Association MCVD / Stack and Draw

Préforme MCVD

Usinage

Barreau dopé

Applications : - Amplification, - lasers …

Insertion du barreau dopédans une préforme microstructurée.

Stack and Draw

Fibre microstructurée air-silice dopée terre rare :

Applications : Capteurs, réseau de Bragg …

Fibre microstructurée air-silice dopée Ge :

Problèmes technologiques : - point de fusion- pollution du barreau

(cf. MC Phan Huy et al., JNOG 2004)

LPMC-IRCOM,ALCATEL


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

Documents

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