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Fibres optiques dopées pour amplificateurs et lasers: problématiques et enjeux
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
•iXblue•Une société de technologie
à l’international
01
600+employees
100+ M€turnover
80%export
iXblue at a glance
BOSTON
HOUSTON
RIO DE JANEIRO
DUBAI
SINGAPORE
KUALA LUMPUR
BEIJING
BERGEN
HAMBURG
BESANÇON
LA CIOTAT
LANNION
SAINT-GERMAINEN LAYE
ABERDEEN
AMSTERDAM
BREST BONNEUIL-SUR-MARNE
BRISBANE
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
Ship building
• Work boats• Survey ships
Ship building
42m ship manufactured in composite material
Mecatronics
• Motion simulators• Positioners
Motion simulator
5 axes target designation simulator for BOEING
•Laser à fibre02
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
•Fabrication d’une fibre optique03
Fibrage
Préforme
La fibre en 30 secondes
VAD (telecom)De nombreuses technologies disponibles
MCVD (fibres spéciales)
OVD (telecom)
Profild’indicederéfraction
•Fabrication des cœurs dopés04
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 matrice
oGuide d’onde
oEfficacité de conversion
oPhotochromisme
oEchauffement
oDégradation
oEffets 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
•Cas pratiques• Yb
• Tm
• Nd
• Er-Yb
• PS: non µ-structurées
06
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%
Néodyme, vers 910 nm
• Schéma à 4 niveaux• Transitionà1060nmlaplusprobable• Forteréabsorptiondepuisleniveaufondamental
• Matrice : aluminosilicate• Photochromisme: ?• Efficacité: 50%
Fortintérêtpourleslasersbleu440-470nmpardoublagedefréquence
4niveaux
3 niveaux
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%
•Le Défi de la (très) haute puissance07
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
•Conclusion08
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.