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RÉSUMÉ
Cet article traite des fibres optiques, guides d’onde planaires et microsphères en verre fluoré.
Les propriétés thermiques, mécaniques et optiques (notamment infrarouges) sont détaillées. Les techniques d’élaboration des trois types de guides d’onde sont présentées.
Les fibres de fluorures intéressent les domaines d’application suivants : spectrométrie, astronomie, amplification optique, fibres laser, sources supercontinuum infrarouges.
Les guides d’ondes planaires visent des applications en optique intégrée : amplificateurs optiques, lasers compacts.
Les microsphères sont étudiées pour des applications microlaser, et pour leur potentiel en tant que mémoire optique miniaturisée.
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This paper deals with optical fibers, planar waveguides and microspheres made of fluoride glasses. Thermal, mechanical and optical (especially infrared) properties are detailed.
Techniques of elaboration of the three types of waveguides are presented.
Fluoride fibers are of interest for the following domains of application: spectrometry, astronomy, optical amplification, fiber lasers, and infrared supercontinuum sources.
Planar waveguides aims at application in integrated optics: optical amplifiers, compact lasers.
Microspheres are studied for microlasers applications and their potential as miniaturized optical memory.
Auteur(s)
-
Brigitte BOULARD : Maître de conférences lnstitut des molécules et matériaux du Mans (IMMM) – Département oxydes et fluorures, UMR CNRS 6283 (Le Mans Université, France)
-
Jean-Luc ADAM : Directeur de recherche CNRS Institut des sciences chimiques de Rennes (ISCR), Équipe verres et céramiques, UMR CNRS 6226 (Université de Rennes , France)
INTRODUCTION
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.
MOTS-CLÉS
fibre optique infrarouge guide d'ondes laser guide d'onde planaire microsphère fibre laser verre fluoré
KEYWORDS
optical fiber | infrared | waveguide | laser | planar waveguide | microsphere | laser fiber | fluoride glass
DOI (Digital Object Identifier)
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7. Glossaire
CVD (Chemical Vapor Deposition) et MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)
Dépôt chimique en phase vapeur : réaction entre un précurseur volatil (par exemple un organo-métallique) et un gaz pour fabriquer un dépôt sur un substrat.
RAP (Reactive Atmosphere Processing)
Technique permettant de purifier des composés chimiques (élimination des oxydes et hydroxydes dans les fluorures notamment) par réactions des impuretés avec les gaz de l’atmosphère réactive.
EBS (Electron Beam Sputtering)
Technique de dépôt physique en phase gazeuse dans laquelle une anode cible est bombarbée par un faisceau d’électrons.
PLD (Pulsed Laser Deposition)
Méthode de dépôt en couches minces utilisant un laser à impulsions de très fortes puissances crêtes.
PVD (Physical Vapor Deposition)
Ensemble de méthodes de dépôt sous vide de films minces où un matériau solide est vaporisé dans un vide poussé.
RIE (Reactive Ion Etching)
Technique de gravure sèche par bombardement d’espèces ionisées (ions chlorure ou fluorure) qui vont réagir aussi chimiquement avec le substrat.
IOA (Integrated Optical Amplifier)
Composant pour l’amplification optique permettant une meilleure compacité par rapport à une fibre optique et l’insertion de fonction variées.
WGM (Whispering Gallery Mode)
Mode de propagation guidée de la lumière par réflexion totale interne dans une cavité circulaire ou sphérique constituée d’un milieu diélectrique peu absorbant.
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Glossaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - POULAIN (M.), LUCAS (J.), BRUN (P.) - Verres fluorés au tétrafluorure de zirconium. Propriétés optiques d’un verre dopé au Nd3+. - Mat. Res. Bull., 10, p. 243-246 (1975).
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(2) - POULAIN (M.), SOUFIANE (A.), MESSADDEQ (Y.), AEGERTER (M.A.) - Fluoride glasses : synthesis and properties. - Braz. J. Phys., 22(3), p. 205-217 (1992).
-
(3) - MIRANDAY (J.-P.), JACOBONI (C.), DE PAPE (R.) - New transition metal fluoride glasses isolated in the PbF2-MIIF2-MIIIF3 systems. - J. Non-Cryst. Solids, 43, p. 393-401 (1981).
-
(4) - POULAIN (M.) - Overview of crystallization in fluoride glass. - J. Non-Cryst. Solids, 140, p. 1-9 (1992).
-
(5) - SHAHRIARI (M.R.), IQBAL (T.), SIGEL (G.H.Jr.), MERBERG (G.) - Synthesis and characterization of aluminum fluoride based glasses and optical fibers. - Mat. Sci. Forum, 32-33, p. 99-106 (1988).
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Projet ’OHANA – Optical Hawaiian Array for Nanoradian Astronomy https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01084792/document
Programme GRAVITY – General Relativity Analysis via Vet In Terferometry http://lesia.obspm.fr
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Fabrication de verres et fibres optiques de fluorures
Le Verre Fluoré – Fluoride Glass Experts http://leverrefluore.com/
Thorlabs Inc – Your source for Fiber Optics https://www.thorlabs.com/
Amplifiers – Fiber Output Light Sources https://www.fiberlabs-inc.com/
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