Composants et systèmes à base de fibres optiques « spéciales »
Il existe une très forte croissance dans la variété des domaines d’application des fibres optiques spéciales en tant que composants passifs ou actifs dans les dispositifs optiques. Ces composants offrent des fonctions toujours plus originales, et une efficacité technique et / ou des performances toujours meilleure. Il est également fréquemment nécessaire d’intégrer plusieurs de ces fonctions dans une même fibre optique.
L’équipe de « fibres optiques et applications » participe à des projets de conception, de fabrication et de caractérisation de fibres optiques spéciales basés sur des concepts originaux, souvent inspirés par les résultats de projets plus fondamentaux de l’équipe, avec des applications potentielles clairement identifiées : dosimétrie, capteurs (indice, température, polluants, biologiques), laser et sources.
Nanoparticules dans les fibres optiques
Les fibres optiques à base de silice présentent de nombreux avantages (facilité de production, faible coût, fiabilité, etc.), mais aussi des contraintes de part la nature du verre (haute énergie de phonons, faible solubilité des terres rares, environnement vitreux, etc.). Ceci peut alors conduire à des limitations quant à leur développement. En effet, l’évolution de certaines applications des fibres optiques amplificatrices dopées aux ions de terres rares, comme les lasers et les amplificateurs de puissance, est de rendre le dispositif plus compact et/ou efficace en terme de puissance extraite. Ainsi, on désire augmenter fortement la concentration en ions de terres rares dans le cœur des fibres. Un autre besoin d’adaptation des fibres dopées aux ions de terres rares est de chercher à modifier leurs propriétés spectroscopiques, telles que la forme, la largeur ou l’énergie moyenne de la courbe spectrale de gain.
Dans ce contexte, nous étudions une méthode de nanostructuration du verre de silice constituant le cœur des fibres optiques dopées d’ions de terres rares. Nous cherchons plus particulièrement à développer cette voie de synthèse pour le procédé MCVD qui est celui employé pour la production des fibres commerciales. La formation des nanoparticules peut être obtenue selon deux procédés : soit par insertion de nanoparticules lors du dopage en solution de la couche poreuse (LaF3:Tm3+ par exemple), soit par des mécanismes de séparation de phase induit par l’introduction d’ions de terre alcaline (Mg, Ca ou Sr par exemple) ou de terres rares (La). Nous avons montré qu’une telle approche permet d’améliorer les propriétés spectroscopiques des ions luminescents : élargissement de la bande d’émission de Er3+ à 1,5 µm et augmentation de la durée de vie du niveau 3H4 de Tm3+.
Afin de contrôler la taille des nanoparticules dans les fibres optiques pour limiter les pertes optiques par diffusion, nous développons un nouveau procédé de fabrication « top-down ». Lors de l’étirage, les nanoparticules s’allongent et peuvent se fragmenter en plus petites particules via une instabilité de type Rayleigh-Plateau (voir Figure). La maîtrise de ce procédé permettra de travailler avec des préformes contenant des « grosses » particules (de taille micrométrique), plus faciles à préparer que des nanoparticules dont il faudrait conserver l’intégrité lors de l’étirage.
Tenue aux rayonnements des fibres dopées aux Terres Rares
Les fibres optiques dopées aux terres rares présentent un intérêt majeur dans de nombreuses applications industrielles ou médicales nécessitant des sources laser de fortes puissances à des longueurs d’onde proches du micron. Leur utilisation est par exemple envisagée dans le domaine des communications optiques entre satellites (OISL). Très généralement, un double problème se pose pour ces fibres. D’une part, ces fibres présentent du photo-noircissement se caractérisant par une augmentation significative de leur atténuation dans une large gamme de longueurs d’onde (de l’UV au Proche IR) lorsqu’elles sont pompées ou qu’elles guident une radiation UV ou visible (laser argon). D’autre part, celles utilisées en environnement spatial seront soumises aux radiations naturelles du milieu qui induisent également une atténuation additionnelle. Afin de différencier l’effet des radiations externes de celui produit par la pompe, nous parlerons plutôt de radio-noircissement. L’objectif visé est d’établir des modèles opérationnels de photo- et radio-noircissement dans les fibres dopées afin d’accéder à la compréhension fine de ces phénomènes et de contribuer à l’apport de solutions innovantes, que ce soit pour les tests de tenue aux radiations réalisés au sol ou pour la conception de techniques de durcissement spécifiques à l’existence simultanée de ces deux types de noircissement. Récemment, l’expérience acquise dans ce domaine a permis d’orienter une partie de notre activité sur des problématiques de dosimétrie à base de fibres optiques sensibles aux radiations.
