Guides d’onde optiques en verre fluoré - Technologie et applications

Les verres de fluorures, ou verres fluorés, traités dans cet article sont des verres à base de fluorure de zirconium ou indium/gallium ou encore aluminium, à l’exception des verres de fluorure de béryllium, connus depuis des décennies mais inutilisables en pratique à cause de leur hygroscopicité et de leur toxicité.

La découverte des verres à base de fluorure de zirconium dans les années 1970 est, à l’inverse, à l’origine de nombreux développements technologiques dans le domaine de l’optique.

Les verres de fluorures se caractérisent par une limite de transmission infrarouge décalée de plusieurs μm vers les grandes longueurs d’onde, cela par rapport au verre de référence qu’est la silice. Cette caractéristique a pour effet d’abaisser le minimum d’atténuation des fibres constituées de fluorures, d’un ordre de grandeur par rapport à la silice, en théorie.

En pratique, et ce malgré des moyens très importants mis en œuvre à l’échelle internationale par les laboratoires et les entreprises pour améliorer la pureté chimique des verres de fluorures, ce très bas niveau de pertes optiques n’a jamais été atteint.

Si les verres de fluorures ne peuvent rivaliser avec la silice en terme de pertes, et donc en terme de transmission longue-distance pour les télécommunications, ils sont en revanche incontournables dans le domaine des fibres laser dopées terre-rare.

La limite de transmission infrarouge est directement liée aux fréquences fondamentales de vibration entre les éléments constituant le verre. Ces fréquences, ou énergies de phonon, sont plus faibles d’environ un facteur 2 dans les verres de fluorures, par rapport aux oxydes.

Il en résulte un abaissement très important des processus non-radiatifs, et donc une augmentation remarquable des rendements quantiques de luminescence des ions de terres rares dans les fluorures.

Les verres fluorés sont largement utilisés sous forme de fibres laser émettant à des longueurs d’onde allant du visible à l’infrarouge moyen, à l’aide de différents dopages en ions de terres rares. Non-dopées, les fibres de verres fluorés sont aussi utilisées pour la transmission des signaux infrarouges (pertes optiques de 2 à 30 dB/km et résistance mécanique de 50 à 500 kpsi).

D’autres types de guides d’onde, notamment les guides d’onde planaires confinés pour l’optique intégrée et les microsphères, sont aussi très étudiés.

L’objectif de cet article est de dresser l’état de l’art en matière de guides d’onde optique en verres fluorés, à partir des fondamentaux que sont les formulations chimiques des verres et leurs propriétés physiques, essentiellement thermiques, mécaniques et optiques. Il décrit également les techniques d’élaboration des différents types de guides d’onde : fibres, guides planaires, et microsphères.

Autant que possible, l’article situe les propriétés des verres et guides d’onde fluorés par rapport à celles des verres plus connus à base de silice. C’est notamment le cas des propriétés de transmission infrarouge, de luminescence, et d’émission laser, en lien avec des applications originales en :

• spectrométrie ;

  astronomie ;

  amplification optique ;

  fibre laser ;

  génération de supercontinnum.