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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
JNOG 2004 – ENST PARIS -JNOG 2004 – ENST PARIS -
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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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 »
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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
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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 (réf.: Kumar et al, Optics Express, vol. 10, n°25, 2002)
(ref. Kumar et al., ECOC 03)
Fibre tellure
Bath
Bath
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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 (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
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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
(réf.: Falkenstein et al, Optics Letters, vol. 29 n° 16, 2004)
NRL
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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
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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
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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
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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
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Introduction
Historique
Etat de l’art
Stack & draw
Réalisations
Réalisations
Fibre microstructurée air-silice : guidage RTI
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
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Introduction
Historique
Etat de l’art
Stack & draw
Réalisations
Réalisations
Fibre microstructurée air-silice : guidage RTI
Fibres Air-Clad :
Amélioration de l’amplification optique
Problèmes technologiques : - Trous de diamètres différents - Pression différentielle
Ircom Perfos
Cryst. fiber Alcatel
Perfos
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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
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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
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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