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JNOG 2004 – ENST PARIS - Fibres optiques silice de nouvelle génération : aspects technologiques Jean-Marc BLONDY, Jean-Louis AUGUSTE, Philippe ROY, Frédéric.

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1 JNOG 2004 – ENST PARIS - Fibres optiques silice de nouvelle génération : aspects technologiques Jean-Marc BLONDY, Jean-Louis AUGUSTE, Philippe ROY, Frédéric GEROME, Pierre VIALE, Laurent LABONTE, Guy BOUTINAUD, Basile FAURE, Wilfried BLANC, Fabrice UBALDI, Bernard DUSSARDIER, Gérard MONNOM IRCOM- UMR6615 Université de Limoges- 123 Av. A. THOMAS LIMOGES cedex LPMC- UMR6622 Université de Nice - Sophia-Antipolis NICE cedex2 Université de Nice - Sophia-Antipolis NICE cedex2

2 JNOG 2004 – ENST PARIS - Plan de lexposé Motivations : - Besoin de nouvelles fonctionnalités - Structure de guide optique - Composition et dopage du matériau 1°)Technologie MCVD - Principes et état de lart - Matériaux et procédés - Exemples de réalisations et limites de fabrication 2°)Technologie micro structuration air-silice - Etat de lart - Matériaux et procédés - Exemples de réalisations et contraintes de fabrication 3°) Conclusions et perspectives

3 JNOG 2004 – ENST PARIS - Présentation MCVD Modified Chemical Vapour Deposition Dopage indiciel – + (Ge, P, Al), - (F, B) –Aire effective de mode –dispersion chromatique –effets non-linéaires,… Profils dindice de réfraction dune préforme (LPMC) Fibrage Préforme MCVD Dopage Limites Réalisations

4 JNOG 2004 – ENST PARIS - Dépôt de couche de silice MCVD Dopage Limites Réalisations

5 JNOG 2004 – ENST PARIS - Rétreint Pendant le rétreint: Surdopage Ge ou P forts n élimination du « trou» central Affinement du cœur décapage chimique (LPMC) MCVD Dopage Limites Réalisations

6 JNOG 2004 – ENST PARIS - Dopants et applications Nd 3+, Er 3+, Yb 3+, Tm 3+, … amplificateurs pour télécommunication lasers capteurs Co 2+, Cr 3+, Cr 4+, Ni 2+, Bi 3+ atténuateurs de ligne ( Y. Morishita, Opt. Lett ) absorbants saturables (L.Tordella, Electron. Lett, 2003) sources large bande (> 500 nm) ( V. Felice, Eur. Phys. J. AP, 2000) Longueur donde (nm) gain Nd 3+ Absorption & gain abs. Cr fluo. Cr 4+ LPMC (V. Felice) MCVD Dopage Limites Réalisations

7 JNOG 2004 – ENST PARIS - Dopage « par solution » (1) 10 µm –Couche poreuse de silice –Solution de sels de TR 3+ (et Al 3+ ) –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 (ORC, Southampton) MCVD Dopage Limites Réalisations

8 JNOG 2004 – ENST PARIS - 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 (x ) Ge => 20 P => 7 Al => 5 => 100 => 20 => 30 [TR 3+ ] < 0,2 % mol ppm-mol >2 mol % ppm-mol MCVD Dopage Limites Réalisations

9 JNOG 2004 – ENST PARIS - Ingénierie de la dispersion chromatique et du gain Forte compensation de dispersion chromatique –D min < 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 D min [bande C] (LPMC, IRCOM) structure composition MCVD Dopage Limites Réalisations

10 JNOG 2004 – ENST PARIS - Fibre à Bande Interdite Photonique -1D « vrai » –3 anneaux: large aire de mode > 520µm 2, µm (S. Février, Elect. Lett. 2003) (LPMC, IRCOM) simulations numériques mode guidé profil de préforme structure composition MCVD Dopage Limites Réalisations

11 JNOG 2004 – ENST PARIS - Fibre à Bande Interdite Photonique -1D « vrai » –7 anneaux, dispersion annulée < 0 (silice: 1,31 µm) (F. Bréchet, Electron. Lett. 2000) profil de préforme mode guidé couplage hors-axe (LPMC, IRCOM) structure composition MCVD Dopage Limites Réalisations

12 JNOG 2004 – ENST PARIS - 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 Al 2 O 3 –efficacité quantique: + 400% / silice (LPMC, B. Faure, OAA 2004) structure composition MCVD Dopage Limites Réalisations

13 JNOG 2004 – ENST PARIS - 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 Cr 4+ uniquement absorbants saturables Absorption Nombre donde (cm -1 ) Absorption (u.a.) Longueur donde (nm) ( V. Felice,Op. Mat, 2001) Cr 3+ Cr 4+ structure composition MCVD Dopage Limites Réalisations

14 JNOG 2004 – ENST PARIS - Introduction FMAS, Holey Fiber, Photonic Crystal Fiber, MOF… Deux grandes familles de fibres microstructurées air-silice Domaines dapplications : Télécommunications Effets non-linéaires Amplification optique Guidage de fortes puissances Historique Etat de lart Stack & draw Réalisations guidage par RTI guidage par BIP

15 JNOG 2004 – ENST PARIS - Introduction Historique Première réalisation : 1996 Université de SOUTHAMPTON Réf. : JC Knight et al, Optics letters, vol METHODE UTILISEE : STACK and DRAW Assemblage de tubes et dun barreau de silice Etat de lart Stack & draw Réalisations

16 JNOG 2004 – ENST PARIS - Introduction Historique PerçageUsinage Fibrage 2 fibrages FIBRE A CRISTAL PHOTONIQUE SectionAssemblage Etat de lart Stack & draw Réalisations La méthode « stack and draw »

17 JNOG 2004 – ENST PARIS - Etat de lart Introduction Historique Etat de lart 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

18 JNOG 2004 – ENST PARIS - Etat de lart Introduction Historique Etat de lart 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

19 JNOG 2004 – ENST PARIS - Etat de lart Introduction Historique Etat de lart 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) gradient monomode BIP Bi-coeur Université de SYDNEY

20 JNOG 2004 – ENST PARIS - Etat de lart Introduction Historique Etat de lart 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

21 JNOG 2004 – ENST PARIS - Introduction Historique Etat de lart 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 ( = mm) Capillaires élémentaires Assemblage Maille de base triangulaire Trou interstitiel (ref : A.D FITT et al, CLEO 2002) d

22 JNOG 2004 – ENST PARIS - Introduction Historique Etat de lart Stack & draw Réalisations Stack and Draw Contraintes du process de fabrication Canne 1mm < < 3mm + Manchonnage Fibre 0.080mm < < 0.2 mm 20 mm < < 35 mm Fibre 0.080mm < < 0.2 mm Homothétie? Modèles? Rapport de réduction Contrôle : -Température -Pression -Vitesse de fibrage

23 JNOG 2004 – ENST PARIS - 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/ = 0.8 d = 2µm, = 3,3µm d/ = 0.66 d = 4,2µm, = 9,5µm d/ = 0.44 Modification de lhomothétie avec manchonnage, température et pression Introduction Historique Etat de lart Réalisations Stack & draw

24 JNOG 2004 – ENST PARIS - Introduction Historique Etat de lart Stack & draw Réalisations Fibre microstructurée air-silice : guidage RTI Problèmes technologiques : - Régularité de larrangement - Dimension des trous et pas Génération de super continuum : PARAMETRES : d =1,6µm =2,3 m (Ref. Pickrell et al. Optics letters vol 29, 2004) Virginia ircom

25 JNOG 2004 – ENST PARIS - Introduction Historique Etat de lart Stack & draw 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 Blaze Phot. Compensation de dispersion WDM Ircom

26 JNOG 2004 – ENST PARIS - Introduction Historique Etat de lart Stack & draw Réalisations Fibre microstructurée air-silice : guidage RTI Fibres Air-Clad : Amélioration de lamplification optique Problèmes technologiques : - Trous de diamètres différents - Pression différentielle Ircom Perfos Cryst. fiber Alcatel Perfos

27 JNOG 2004 – ENST PARIS - Introduction Historique Etat de lart Stack & draw Réalisations Fibre microstructurée air-silice : guidage BIP Problèmes technologiques : -Obtenir un arrangement parfait -Avoir une grande surface dair -Limiter les ponts de silice à une taille nanométrique ZOOM Ircom Cryst. fiber

28 JNOG 2004 – ENST PARIS - Introduction Historique Etat de lart Stack & draw Réalisations Association MCVD / Stack and Draw Préforme MCVD Usinage Barreau dopé Applications : - Amplification, - lasers … Insertion du barreau dopé dans 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

29 JNOG 2004 – ENST PARIS - Conclusion et perspectives Développements récents de fibres de nouvelle génération dépendants de lamélioration (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 donde Extension des domaines de recherche vers axes nouveaux -bio photonique, -micro fluidique


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