Fibres Optiques Spéciales : Technologies et Applications
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- Cécile Caron
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1 Fibres Optiques Spéciales : Technologies et Applications
2 Sommaire Fabrication de préformes et fibrage Fibres solides Applications des fibres solides Lasers Sources optiques & Capteurs Propriétés Applications des fibres microstructurées Amplification Sources optiques Capteurs en verre de chalcogénure 2
3 Sommaire Fabrication de préformes et fibrage Fibres solides Applications des fibres solides Lasers Sources optiques & Capteurs Propriétés Applications des fibres microstructurées Amplification Sources optiques Capteurs en verre de chalcogénure 3
4 Fabrication des fibres par M.C.V.D - Fabrication de la préforme 4
5 Sommaire Fabrication de préformes et fibrage Fibres solides Applications des fibres solides Lasers Sources optiques & Capteurs Propriétés Applications des fibres microstructurées Amplification Sources optiques Capteurs en verre de chalcogénure 5
6 Fabrication des fibres microstructurées 1) Empilement de capillaires (triangulaire) " 2) Réduction de l ensemble l (1 à 10 mm) 3) Manchonnage 4) Fibrage à partir de la préforme " 4 mm 125 µm 6
7 Sommaire Fabrication de préformes et fibrage Fibres solides Applications des fibres solides Lasers Sources optiques & Capteurs Propriétés Applications des fibres microstructurées Amplification Sources optiques Capteurs en verre de chalcogénure 7
8 Etirage de la préforme : Fibrage 8
9 Sommaire Fabrication de préformes et fibrage Fibres solides Applications des fibres solides Lasers Sources optiques & Capteurs Propriétés Applications des fibres microstructurées Amplification Sources optiques Capteurs en verre de chalcogénure 9
10 Les briques technologiques clefs (1) m La fibre double gaine dopée m Les diodes de pompe multimodes (mono puces de quelques watts, des multi puces de plusieurs dizaines de watts, ) 10
11 Les briques technologiques clefs (2) - Le dispositif d injectiond (longitudinal ou transverse, réalisr alisé par fusion ou assemblage massif, mono ou multi-points points, ) Injection longitudinale Injection transverse fibrée Injection transverse V groove - Miroirs de cavité (réseaux de Bragg, filtres diélectriques, ) 11
12 Evolution de la puissance de sortie 2500 Puissance de sortie (W) Année Evolution de la puissance de sortie des lasers à fibre monomode (M 2 2) Pour les lasers multimode P > 20 kw 12
13 m Industrie: - Marquage (gravure, frittage,, etc) - Micro usinage - Soudure et perçage de précision - Traitement des matériaux m R & D m Médicales Applications m Militaire (telemetrie, pointage de cible,, etc) 13
14 Découpe Laser 14
15 Marquage Laser 15
16 Sommaire Fabrication de préformes et fibrage Fibres solides Applications des fibres solides Lasers Sources optiques & Capteurs Propriétés Applications des fibres microstructurées Amplification Sources optiques Capteurs en verre de chalcogénure 16
17 Fibres spéciales pour capteurs de contraintes La composition chimique et le profil d indice d des fibres sont modifiés s pour permettre la photoinscription de réseaux r de bragg Les revêtements classiques sont remplacés s au profit de matériaux résistant aux radiations, aux températures élevées, es, aux agressions chimiques 17
18 Fibres spéciales pour capteurs de T, T, P m Pour certaines applications, des fibres résistant r à des températures supérieures à 300 C C sont nécessaires. n m On utilise alors un revêtement polyimide à la place des acrylates m Applications : Contrôle P, T forage T offshore /- 0,1 bar /- 0,1 C 18
19 Fibres spéciales pour Gyroscope (1) Principe basé sur l interfl interféromètre de Sagnac I 1 N spires Ω Ω I 2 = I 1 φ = (8πN/λc) kω Les chemins optiques sont opposés s et rigoureusement identiques Paramètres mesurés s = sens et vitesse de rotation 19
20 m au niveau des sources ASE : Fibres spéciales pour Gyroscope (2) Les fibres optiques spéciales sont utilisées Filtre large Bande Fibre dopée e Erbium m au niveau du capteur de position (bobine) : Fibre PM de diam Fibre PM de diamètre réduit r et avec un revêtement spécial 20
21 Sommaire Fabrication de préformes et fibrage Fibres solides Applications des fibres solides Lasers Sources optiques & Capteurs Propriétés Applications des fibres microstructurées Amplification Sources optiques Capteurs en verre de chalcogénure 21
22 Différentes classes de fibres microstructurées Blaze photonics Photonic Band Gap Fibre Guidage par bande interdite photonique Holey Fibre Guidage par l indice l effectif 22
23 Différents types de Holey Fibres (HF) 1.a HF monomode 1.b HF non linéaire 2. Double gaine "air clad" 3. HF "air clad" Matériaux : silice, multicomposants, chalcogénures nures,, polymères 23
24 Holey Fibre (Silice) Réduction de l indice l moyen de la gaine n air < n silice Λ Propriétés s définies d par d/λ Monomode pour tout λ (d/ d/λ < 0,45) Flexibilité de dispersion D > 0 dans le visible D ~ 0 sur une large bande Diamètre de mode peu sensible à λ Forte non lin linéarité possible d n silice n effectif n air 24
25 HF monomode Résultats (PERFOS) Fibre monomode Silice (d( coeur ~10 µm) Pertes ~ 1 db/km sur nm Pertes intrinsèques ~ 0,8 db/km Contribution OH - inférieure à nm Procédé libre de contamination OH - Pic OH détermind terminé par matières premières res 25
26 HF non linéaire - Résultats (PERFOS) Fibre non linéaire Silice (d( coeur = 2,5 µm) Diamètre de mode ~ 1,9 µm m (A( eff ~ 4 µm 2 ) 1550 nm = 5,7 db/km Procédé de polissage et séchage s novateur Pic OH ~ 20 db/km (Pic OH >> 100 db/km est habituel pour ce type de fibre) Atténuation spectrale et pic OH PERF A HF 107 M1A Tronçon B111A112 Delta L : 0,078 km A tté n u a tio n ( d B /k m ) Pic OH ~ 20 db/km Longueur d'onde (nm) 26
27 Fibre double gaine "air" air-clad" " (Silice) Saut d indice d important 0.5 < O.N. < 0.9 (gaine polymère O.N < 0.5) Forte dépendance d de l él épaisseur des parois Amélioration du couplage des pompes multi-modes modes Augmentation du coefficient d absorption Univ. of Bath 27
28 Fibre double gaine "air" air-clad" Résultats (PERFOS) Largeur des ponts de silice < 500 nm O.N > 0.7 Guide multi mode ~ 30 µm Pertes multi mode < 30 db/km Avantages/applications : Fort recouvrement pompe/signal Fibres courtes Forte inversion de population Réalisation de lasers à spectroscopie «difficile» 976 nm 920 nm 28
29 Holey Fibre "air" air-clad" " (Silice) Diamètre du 1 er cœur : µm Ouverture numérique (monomode) < 0,1 Crystal Fibre Minimisation de n n associée e au dopage Al/Yb Ouverture numérique (multi) > 0,6 Fibre toute silice (propriétés s thermiques) Applications laser de forte puissance (> 200W) 29
30 Sommaire Fabrication de préformes et fibrage Fibres solides Applications des fibres solides Lasers Sources optiques & Capteurs Propriétés Applications des fibres microstructurées Amplification Sources optiques Capteurs en verre de chalcogénure 30
31 Effets non-lin linéaires (coll. PERFOS/ENSSAT) - Raman Source nm VA P s splices 735 m-hnf splices P p Pump 1453/1480 nm OSA Atténuation spectrale et pic OH PERF A HF 107 M1A Tronçon B111A112 Delta L : 0,078 km 45 Atténuation (db/km) Pompage entre 1400 et 1500 nm possible Longueur d'onde (nm) 31
32 Effets non-lin linéaires (coll. PERFOS/ ENSSAT) - Raman Première démonstration d de gain Raman aux longueurs d ondes d télécomt Gain Raman interne de 17 db pour 1,5 W de pompe ,53 W 1,29 W 1,02 W on/off Gain (db) mw 579 mw 879 mw 1294 mw On/off Gain (db) W avelength (nm) Signal power (dbm) Gain externe de 9 db/w Coefficient de gain comparable à SMF 32
33 Effets non-lin linéaires (coll. PERFOS/ ENSSAT) Compression Laser VA PC FC PM splices 19 m-hnf splices OSA E = 50 pj Facteur de compression ~ 13 Coefficient non linéaire γ ~ 20 W - 1 km 20 fois supérieur à SMF km -1 Normalized intensity (a.u.) *650 fs Before compression After compression 1.41*8.7 ps Time (ps) 33
34 Holey fibre monomode Amplification Amplificateur dopé erbium très s haute efficacité Diamètre de cœur c 2,5 µm Amélioration du recouvrement de la pompe et du signal Fibre sans Ge (largeur de gain) Gain de 8,6 db/mw Richardson et al, ORC Southampton, ECOC
35 Sommaire Fabrication de préformes et fibrage Fibres solides Applications des fibres solides Lasers Sources optiques & Capteurs Propriétés Applications des fibres microstructurées Amplification Sources optiques Capteurs en verre de chalcogénure 35
36 HF non linéaires (coll. PERFOS/Imp. College) - Génération de supercontinuum Cascade de plusieurs effets non-lin linéaires (Raman, FWM) pour générer un spectre ultra large bande Laser pumped ASE pumped Génération de supercontinuum avec pompe continue 200m de fibre non-lin linéaire Absence de trou spectral à 1380 nm Largeur spectrale ~ 600 nm Puissance > 3W Power / dbm Wavelength / nm 36
37 HF "air" air-clad" Applications laser Laser Yb haute puissance Diamètre de cœur c 24 µm Ouverture numérique (multi) 0,66 Ouverture numérique (mono) 0,04 Crystal Fibre Minimisation de n n associée e au dopage Al/Yb Puissance de sortie 260 W Efficacité 72% Faisceau monomode Limpert et al, Optics Express Vol. 11, p (2003) 37
38 Sommaire Fabrication de préformes et fibrage Fibres solides Applications des fibres solides Lasers Sources optiques & Capteurs Propriétés Applications des fibres microstructurées Amplification Sources optiques Capteurs en verre de chalcogénure 38
39 HF "fonctionnalisée" - Applications filtres optiques et capteurs Filtre accordable : HF (polymère interne) + LPG (Long Period Grating) Taper adiabatique (applications capteur) Eggleton et al, ECOC 2004 Tutorial We3.2 39
40 Sommaire Fabrication de préformes et fibrage Fibres solides Applications des fibres solides Lasers Sources optiques & Capteurs Propriétés Applications des fibres microstructurées Amplification Sources optiques Capteurs en verre de chalcogénure 40
41 HF chalcogénures (S, Se, Ge,, As, Sb, Te) Coll. PERFOS/LVC/ENSSAT (U. Rennes 1) Caractéristiques ristiques optiques : - Large fenêtre de transparence : 1µm 1 à 13µm m (selon composition) - Indice de réfraction, r n > 1,55µm - Indice non linéaire, n 2 = [100 à 1000] * n 2 silice (selon composition) - Pertes intrinsèques: ~ 1 1,55 µm(minimum autour de 0,1 db/m dans l IR) l Applications : - Capteurs : Spectroscopie moléculaire - Transport de faisceau laser de puissance (ex : laser CO 2 ) - Amplification/lasers - Fonctions optiques non linéaires (régénération, ration, Raman, supercontinuum ) 41
42 HF chalcogénures propriétés s verre 2S2G Tg Thermal flux (au) GaGeSbS glass DSC (10 C/min) Température de transition Tg=305 C Aucun pic de cristallisation Temperature ( C ) n=2,25 at 1550nm n 2 = m 2 /W (120*n 2 SiO 2 ) Atténuation du verre 2S2G (fibre mono indice) S-H Absorption 42
43 HF chalcogénures Procédés s de fabrication 700 C à 3000 trs/min Taille : 120 mm*12 mm*5 mm Fabrication de tubes avec méthode m «rotational casting» Ensuite «Stack & Draw» et fibrage (méthodes id. silice) Préforme Tube 43
44 HF chalcogénures Résultats (1) Configuration à 3 couronnes d/ = 0,63 = 7,8 µm = 137 µm Image en champ proche : Guide partiellement 1,55 µm 44
45 HF chalcogénures Résultats (2) d/ = 0,4 = 8,3 µm = 150 µm Diamètre du 1,55 µm,, W = 8,3 µm m (1/e 2 ) Coefficient non linéaire, γ ~200 W - 1.km -1 1,55 µm, α = 15 db/m 45
46 Merci! Questions? 46
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