FIBRES OPTIQUES SILICE DE NOUVELLE GENERATION : ASPECTS TECHNOLOGIQUES

Jean-Marc BLONDY1, Jean-Louis AUGUSTE1, Philippe ROY1, Frédéric GEROME1, Pierre VIALE1, Laurent LABONTE1, Guy BOUTINAUD1, Basile FAURE2, Wilfried BLANC2, Fabrice UBALDI2,

Bernard DUSSARDIER2, Gérard MONNOM2

1 - Institut de Recherche en Communications Optiques et Microondes (IRCOM) – UMR6615 123, Avenue Albert THOMAS - 87060 LIMOGES Cedex

2 - Laboratoire de Physique de la matière condensée (LPMC) – UMR6622, Parc Valrose - 06108 Nice Cedex 2

blondy@ircom.unilim.fr, bernard.dussardier@unice.fr

RESUME

Suite au regain d’intérêt qu'a connu la fabrication des fibres optiques en silice, nous détaillons dans cet article quelques exemples de réalisations de la plate forme technologique Université-CNRS formée par l’IRCOM et le LPMC. Les sujets abordés sont les fibres à dispersion contrôlée, les fibres à dopage “ actif ” spécial et les fibres microstructurées air-silice à guidage par réflexion totale interne (RTI) ou par bande interdite photonique (BIP).

1. INTRODUCTION

La plateforme IRCOM-LPMC a été crée par le GDR ONDES en 1984 pour fournir en fibres optiques hors normes les chercheurs et laboratoires de recherche français dans le domaine de l’optique guidée. Cette plate-forme technologique s’est enrichie de nouveaux équipements aux fils des ans et est aujourd’hui articulée autour des équipements suivants : un banc MCVD pour la fabrication des préformes, installé au LPMC, deux tours de fibrage et un banc d’assemblage de préformes microstructurées à l’IRCOM. Ces deux laboratoires disposent de moyens commerciaux ou développés en interne pour la caractérisation des préformes et des fibres réalisées. Dans la suite de cet article nous présentons les résultats obtenus autour de la technologie MCVD, ainsi que les avancées dans le domaine des fibres microstructurées air-silice.

2. FIBRES MCVD ET DOPEES AUX IONS ACTIFS

La fabrication de fibres en silice par MCVD est une technologie éprouvée et industrielle, tant pour les fibres de ligne que celles dopées aux terres rares, appliquées aux amplificateurs pour télécommunications et aux lasers de puissance. Les nouvelles fonctionnalités requises maintenant nécessitent de développer, tant en “ architecture ” qu’en composition chimique, des fibres originales permettant d’augmenter les débits de reconfigurer les systèmes de télécommunications, et au développement des lasers à fibre de puissance. En voici quelques exemples :

2.1 Compensateur de dispersion chromatique (DCF) et Bande Interdite Photonique (BIP-1D)

Des fibres optiques à deux cœurs concentriques ont été fabriquées pour fournir une très forte dispersion négative vers 1,55µm (jusqu’à –4500 ps/(nm.km)), tout en assurant une amplification dans cette bande [1]. Le procédé de fabrication est bien plus complexe que celui d’une fibre unimodale classique, car il nécessite le contrôle individuel d’un grand nombre de paramètres dimensionnels et indiciels. Nous avons aussi réalisé les premières vraies Bandes Interdites Photoniques à une Dimension (BIP-1D), de symétrie de révolution, entièrement réalisées par MCVD. La première démonstration, à 7 anneaux, a montré une dispersion chromatique nulle à 1064 nm, en dessous de la dispersion

Fig. 1: Profil d’une BIP-1D fabriquée, et

champ du mode calculé et mesuré à 1,5 µm.

naturelle de la silice. Récemment, une fibre unimodale à très large aire de mode (>500 µm2) à 1,5 µm comprenait seulement 3 anneaux (Figure 1) [2].

2.2 Fibres spéciales dopées aux terres rares ou aux métaux de transition

Nous étudions des dopages spéciaux applicables aux domaines suivants : amplificateur à fibre dopée Tm3+ en bande S (TDFA), métaux de transit ion (MT) pour sources fluorescentes continues à très large spectre et absorbants saturables pour lasers impulsionnels. Nous réalisons aussi des dopages plus classiques (Er3+, Yb3+, Tm3+,…) de fibres à double gaine et à section tronquée optimisée destinées à des lasers de puissance [3]. Les TDFA fonctionnant en bande S (1,45-1,5µm) sont principalement en verres fluorés qui s’avèrent coûteux et peu fiables par rapport à la silice. Toutefois, dans ce verre, le gain des ions Tm3+ est affaibli par des désexcitations non-radiatives (DNR) prépondérantes. Celles-ci étant très sensibles à l’environnement immédiat des ions Tm3+, nous insérons dans la silice plusieurs modificateurs comme Al, afin de diminuer les DNR. Nos résultats préliminaires montrent [4] que même une relativement faible modification du verre augmente l’efficacité de la transition optique à 1,47µm (Figure 2). Nos travaux se poursuivent dans cette direction en développant des procédés d’incorporation d’autres modificateurs dans les fibres. Les fibres dopées MT ont un grand intérêt pour l’imagerie et les lasers. Au LPMC nous incorporons notamment Cr3+ et/ou Cr4+ afin d’explorer leurs propriétés spectrales. Nous avons réussi à stabiliser uniquement du chrome à l’état Cr4+, chose ordinairement très difficile dans des matériaux diélectriques. Différents procédés nous permettent de partiellement contrôler la spectroscopie des IM (Figure 3) en modifiant leur environnement immédiat [5]. Une autre application intéressante de ces fibres est celle d’absorbant saturable pour laser passivement Q-déclenché entièrement fibré [6].

3. FIBRES MICROSTRUCTUREES

En 1996 de nouvelles fibres "à gaine microstructurée air-silice" ou FMAS souvent improprement appelées fibres à cristaux photoniques sont apparues [7]. Les FMAS présentent des propriétés de propagation nouvelles parmi lesquelles : un guidage monomode sur une large bande de longueur d’onde, des dispersions chromatiques singulières, une aire effective grande (pour les applications de télécommunications) ou petite (pour les applications non-linéaires) … Ces propriétés suscitent un fort intérêt pour de multiples applications, en particulier pour les télécommunications, les capteurs, l’optique non-linéaire mais également dans le domaine des sources (biologie, médecine…). Ces fibres, dont les premières réalisations à l’IRCOM remontent à 1998, sont fabriquées par assemblage de barreaux et de tubes de silice pure. Lorsque la structure de la fibre est régulière, celle -ci se comporte comme un cristal photonique, elle peut alors présenter des bandes interdites photoniques permettant d’obtenir un confinement du champ dans un cœur qui peut alors être creux. Dans le cas où la structure ne présente pas de bandes interdites photonique il est cependant possible d’obtenir un guidage par réflexion totale interne dans un cœur de silice pure, la gaine d’indice plus faible étant constituée d’un mélange de silice et d’air. Ce nouveau type de structure guidante ouvre une voie d’exploration nouvelle pour l’optoélectronique.

3.1. Des structures désormais classiques aux propriétés variées

La figure 4a présente le cas d’une fibre infiniment monomode. Dans le domaine non linéaire, la possibilité d’obtenir des cœurs de petites dimensions a permis d’exacerber les effets et d’obtenir des générations de supercontinumm dans le visible et le proche infra-rouge [8] grâce aux caractéristiques particulières et ajustables sur une large bande de la dispersion chromatique (figure 4b).

0 2 4 6 8 1010

20

30

40

50

Fig. 2. Durée de vie du niveau 3H4 de

Tm3+ en fonction de [Al2O3].

0

0,5

1

800 1000 1200 1400 1600

Wavelength (nm)

(d) (e) (f)

(g)

Fig.3: Modification de la fluorescence de Cr4+ pour différentes compositions et

longueurs d’onde de pompe.

µs

ss

%mol

a) c)b) d) e)Fig.4 : Images MEB de FMAS réalisées à l’IRCOM.

a) c)b) d) e)Fig.4 : Images MEB de FMAS réalisées à l’IRCOM.

3.2 Des structures RTI plus élaborées pour la compensation de dispersion chromatique,

l’amplification à fort coefficient de gain et les capteurs La figure 4c montre la réalisation d’une fibre à trous reprenant l’architecture d’une fibre à deux cœurs concentriques précédemment obtenue par MCVD. L’assemblage qui permet de réaliser la préforme des fibres microstructurées ouvrent des voies intéressantes pour la fabrication de fibres amplificatrices multi cœurs, de fibre à gros cœur hexagonal, de fibres air-clad (figure 4d) en introduisant un barreau dopée au terres rares extrait d’une préforme MCVD [9] dans le cœur de la FMAS. Lorsque le barreau central utilisé est dopé au Germanium, de nouvelles perspectives sont offertes par la réalisation de réseaux de Bragg [10].

3.3 Des structures à cristal photonique vrai

Ces fibres à un cœur d’air guident par résonance de Bragg sur une bande de longueur d’onde donnée. La figure 4e montre une fibre de ce type fabriquée à l’IRCOM. Le défi technologique à relever consiste à avoir la structure à forte fraction d’air la plus régulière possible, tout en ayant des ponts de silice suffisamment fins pour limiter les pertes par modes de surface. Ces structures à cœur vide offrent une large possibilité d’applications dans le domaine du transport de fortes énergies y compris à des longueurs d’ondes inédites, l’atténuation linéique de ce type de fibres ne cessant de diminuer leurs applications en télécommunication est désormais envisageable. Leurs propriétés en terme de dispersion chromatique couplées à des effets non-linéaires quasi nuls, permettraient de faire sauter les principaux verrous technologiques des systèmes actuels. A contrario ces structures offrent de larges possibilités d’applications dans le domaine de l’optique non linéaire, de l’amplification, des lasers et des capteurs de par la possibilité offerte de remplir les canaux d’air avec des liquides ou des gaz aux propriétés jusqu’alors inexploitables par un guidage RTI, en raison de leur indice plus faible que celui de la silice.

4. CONCLUSION

Les moyens technologiques de la plateforme IRCOM-LPMC permettent de répondre aux besoins de fabrication tant dans le domaine des fibres MCVD que dans celui des fibres microstructurées air-silice. Les exemples de fibres présentés dans cette communication illustrent les axes de recherche actuels dans lesquels les deux laboratoires sont engagés.

REFERENCES

[1] J. Maury et al., Opt. Lett.,29 (7) 2004 [2] S. Février et al., Electron. Lett 39 (17) 2003, pp 1240-1242 [3] Ph. Leproux et al., Opt. Comm. 218 (2003) 249-254 [4] B. Faure et al., Optical Amplifiers & Appl., San Fransisco (USA), Juin 2004 [5] B. Dussardier et al., T.O.P. Series, Vol. 68, pp. 104-108, OSA, 2002. [6] L. Tordella et al., Elect. Lett., 39 (18) 2003, pp 1307-1308 [7] J.C. Knight et al., Opt. Lett. 21 (19), 1996 [8] P.A Champert et al., Nonlinear Guided Waves, PDL paper, Toronto (Canada), Mars 2004 [9] S. Hilaire et al., ECOC-IOOC 2003, WE4.P13, pp.582-583, Rimini (Italie), Sept 2003 [10] R. Parmentier et al., Soumis à POWAG2004, Bath (Angleterre), Juillet 2004