Fibres Optiques Spéciales : Technologies et Applications

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

Fabrication des fibres par M.C.V.D - Fabrication de la préforme 4

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

Etirage de la préforme : Fibrage 8

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

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

Evolution de la puissance de sortie 2500 Puissance de sortie (W) 2000 1500 1000 500 0 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 Année Evolution de la puissance de sortie des lasers à fibre monomode (M 2 2) Pour les lasers multimode P > 20 kw 12

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

Découpe Laser 14

Marquage Laser 15

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

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 1-10001000 +/- 0,1 bar 20-200 200 +/- 0,1 C 18

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

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

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

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

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

HF monomode Résultats (PERFOS) Fibre monomode Silice (d( coeur ~10 µm) Pertes ~ 1 db/km sur 1 km @ 1550 nm Pertes intrinsèques ~ 0,8 db/km Contribution OH - inférieure à 10 db/km @ 1380 nm Procédé libre de contamination OH - Pic OH détermind terminé par matières premières res 25

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 ) Pertes @ 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 45 40 35 A tté n u a tio n ( d B /k m ) 30 25 20 15 Pic OH ~ 20 db/km 10 5 0 1300 1400 1500 1600 Longueur d'onde (nm) 26

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

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» Yb @ 976 nm Nd @ 920 nm 28

Holey Fibre "air" air-clad" " (Silice) Diamètre du 1 er cœur : 10-30 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

Effets non-lin linéaires (coll. PERFOS/ENSSAT) - Raman Source 1530-1570 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) 40 35 30 25 20 15 Pompage entre 1400 et 1500 nm possible 10 5 0 1300 1400 1500 1600 Longueur d'onde (nm) 31

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 17 16 15 1,53 W 1,29 W 1,02 W on/off Gain (db) 20 18 16 14 12 10 8 6 275 mw 579 mw 879 mw 1294 mw On/off Gain (db) 14 13 12 11 4 2 0 1530 1540 1550 1560 1570 W avelength (nm) 10 9-6 -4-2 0 2 4 6 8 10 12 14 Signal power (dbm) Gain externe de 9 db/w Coefficient de gain comparable à SMF 32

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.) 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1.43*650 fs Before compression After compression 1.41*8.7 ps -20-15 -10-5 0 5 10 15 20 Time (ps) 33

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 2004 34

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 30 20 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 10 0-10 -20-30 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 Wavelength / nm 36

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. 2982 (2003) 37

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

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 > 2 @ 1,55µm - Indice non linéaire, n 2 = [100 à 1000] * n 2 silice (selon composition) - Pertes intrinsèques: ~ 1 db/m @ 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

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 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Temperature ( C ) n=2,25 at 1550nm n 2 = 3.10-18 m 2 /W (120*n 2 SiO 2 ) Atténuation du verre 2S2G (fibre mono indice) S-H Absorption 42

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

HF chalcogénures Résultats (1) Configuration à 3 couronnes d/ = 0,63 = 7,8 µm = 137 µm Image en champ proche : Guide partiellement multimode @ 1,55 µm 44

HF chalcogénures Résultats (2) d/ = 0,4 = 8,3 µm = 150 µm Diamètre du mode @ 1,55 µm,, W = 8,3 µm m (1/e 2 ) Coefficient non linéaire, γ ~200 W - 1.km -1 Pertes @ 1,55 µm, α = 15 db/m 45

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