Introduction Nanoparticules de silicium pour l’amplification dans les fibres dopées erbium A. A. Choueiry1, A.-M. Jurdyc1, B. Jacquier1, C.-C. Kao2, B. Gallas2, L. Bigot1 * Le titre, le labo, les auteurs 1Laboratoire de Physico Chimie des Matériaux Luminescents (LPCML), CNRS-UMR 5620, Université Lyon1, Domaine Scientifique de La Doua, bât A. Kastler, 10 Rue André Marie Ampère 69622 Villeurbanne cedex, France. 2Laboratoire d’Optique des Solides (LOS), CNRS-UMR 7601, Université P. et M. Curie, case 80, 4 place Jussieu, 75252 Paris Cedex 05, France.

Introduction: fenêtres de télécommunication et ions de terre rare Erbium Thulium Praséodyme Min d’ atténuation des fibres de silice au environ de 1530nm : Émission des ions Er3+ Notre étude est focalisé sur l’augmentation des performances des Er3+ L’atténuation d’une fibre optique de silice, même faible, impose l’utilisation d’amplificateurs. Dans ce domaine, ce sont les solutions à base d’ions de terres rares qui sont privilégiées.

Principe de fonctionnement d’un amplificateur optique (EDFA) Introduction Introduction Principe de fonctionnement d’un amplificateur optique (EDFA) 4I15/2 4I13/2 4I11/2 lémission=1540nm lpompe=980nm lsignal=1540nm lpompe=1480nm Er3+ Principe d’un EDFA Gain dépend principalement de 3 paramètres, l’un de ces 3 paramètres est la la section efficace d’absorption, on va introduire les nc-Si afin d’augmenter cette section efficace Pompage à l’aide d’une diode laser; Section efficace d’absorption des ions Er3+ de l’ordre de 10-21cm2 .

Nc-Si Sensibilisateur pour l’erbium Comparaison de la position des bandes d’émission et d’absorption des nc-Si 1 Section efficace d’absorption des Nc-Si est très intense; Dépendance de la largueur de la bande interdite des Nc-Si; 4I15/2 4I13/2 4I11/2 4I9/2 Énergie (eV) 1.54mm 0.98mm 0.80mm Nc Si Er3+ 0.8eV 1.27eV 1.55eV Mise en évidence de l’efficacité du transfert d’énergie entre les nc-Si et les ions Er3+ en 1998 2 . Augmentation de la seff des ions Er3+ due au transfert. Gain de 3dB/cm obtenu en excitant un guide d’onde de silice contenant des nc-Si et dopé par des ions Er3+ à l’aide d’une DEL à 470nm en 2004 3. 1 L. Dal Negro et al., Optical gain in PECVD grown silicon nanocrystals, Proceedings SPIE vol. 4808 (2002), 13-17 2 M. Fuji et al., Photoluminescence from SiO2 containing Si nanocrystals and Er: Effects of nanocrystalline size on the photoluminescence efficiency of Er3+, J. Appl. Phys., (1998), 4525-4531 3 J. Lee et al., Optical gain at 1.5mm in nanocrystal Si sensitized, Er-doped silica waveguide using top-pumping 470nm LED, PD, OFC (2004)

Échantillons Couche minces SiOx : Er x < 2  excès de Si  formation d’agrégats de Si Échantillon X (SiOx) [Er] % Épaisseur (mm) SiOEr07 1.034 1 0.502 SiOEr10 1.117 0.06 0.378 SiOEr08 1.211 0.25 0.46 SiOEr02 1.281 0.11 0.58 SiOEr11 1.344 0.02 0.504 SiOEr06 1.647 0.04 0.17 SiOEr09 1.777 0.03 0.62 Deux types de traitement thermique: 8500C (1h sous vide) + 9000C (1h sous vide) +10000C (1h sous N2) 8000C (2h sous vide) +10000C (1h sous N2) Échantillons élaborés au Laboratoire d’Optique des Solides (LOS) Paris VI

Transfert d’énergie entre les Nc-Si et les ions Er3+ Introduction Transfert d’énergie entre les Nc-Si et les ions Er3+ Échantillon contenant des « nc-Si » : Émission dans le visible + forte émission des ions Er3+ à 1540nm, Échantillon sans nc-Si : Pas d’émission dans le visible + diminution de l’émission des ions Er3+ à 1540nm, Transfert d’énergie entre les nc-Si et les ions Er3+. En absence des nc-Si (courbe2) : faible émission des ions Er3+ à 1540nm; En présence des nc-Si (courbe1) : émission dans le visible due au nc-Si et augmentation de l’émission des ions Er3+ à 1540nm; Évidence du transfert d’énergie entre les nc-Si et les ions Er3+.

Détermination de la section efficace effective d’absorption (seff) des ions Er3+ L’intensité de la fluorescence des ions Er3+ à 1540nm est donnée par : Méthode 1 Méthode 2

Détermination de seff des ions Er3+: Montage expérimental Introduction Détermination de seff des ions Er3+: Montage expérimental Présentation du montage de ses particularités Longueur d’onde d’excitation: Argon, Saphir titane Présentation à titre d’exemple d’1 spectre d’absorption dans les verres

Méthode 1 : Inverse du temps de montée en fonction du flux des photons Introduction Méthode 1 : Inverse du temps de montée en fonction du flux des photons Durée de vie (t) de 4I13/2 des Er3+ Section effective efficace d’absorption (seff) lexc augmente seff diminue ; Durée de vie du niveau 4I13/2 de l’ordre de 2ms. lexc(nm) seff (x10-17cm2) 457 24 488 1.9 514 1.5 725 0.3 770 0.2 Ajustement à l’aide de la formule : extraction de la valeur de la section efficace et de la durée de vie des ions Er3+ On pourra vérifier la valeur de la durée de vie en la mesurant directement détermination du flux des photons

Introduction Méthode 2 : Variation de l’intensité à 1540nm des Er3+ en fonction du flux des photons Isat intensité à la saturation Présentation de la courbe I=f(flux) pour SiEr02, à 488nm, mes LOS Les 2 expériences ne sont pas faite dans les mêmes conditions d’échantillonnage et de mesures. Mesure non facile à faire il faut les faire avec précaution et beaucoup de finesse Pour le moment on est intéressé par l’ordre de grandeur 16x10-17cm2 seff (deuxième méthode) 1.9x10-17cm2 seff (première méthode)

Conclusions et Perspectives Vérification de l’efficacité du transfert d’énergie entre les nc-Si et les ions Er3+ ; Utilisation d’une nouvelle technique de détermination de la section efficace d’absorption (SEA), Vérification de l’augmentation de la valeur de la section efficace de quatre ou cinq ordres de grandeur; Déterminer les limites de cette nouvelle technique; Étudier l’effet des dimensions des nc-Si et de la concentration des ions Er3+ sur le transfert d’énergie, l’environnement des ions erbium.