Influence de l’histoire thermique sur la diffusion optique dans les préformes et les fibres optiques GeO2-SiO2 : F

par Manon Heili

Thèse de doctorat en Chimie des matériaux

Sous la direction de Bertrand Poumellec.

Soutenue le 19-11-2013

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud (Orsay, Essonne ; 2006-2015) , en partenariat avec Prysmian group (France) (entreprise) .


  • Résumé

    Les fibres optiques sont présentes de manière incontournable dans les télécommunications et les réseaux d’accès à internet. Longs fils de verre fabriqués en silice vitreuse ultra pure, elles permettent de transmettre des informations sur de longues distances sous forme de signaux lumineux. Malgré leurs capacités de transmission déjà excellentes, la réduction des pertes optiques demeure un enjeu économique. En effet, en dessous d’une certaine atténuation, il est possible de supprimer des amplificateurs localisés dans des zones peu accessibles où leur installation est très couteuse. L’objectif de ce travail de thèse est donc d’explorer de nouvelles voies permettant de réduire significativement l’atténuation du signal optique.La silice est un élément de choix pour les applications optiques du fait de ses propriétés physico-chimiques (haute transparence de l’IR à l’UV, forte résistance mécanique,…). L’incorporation de composés dans le verre de silice modifie ses caractéristiques (viscosité, densité,…) sans détérioration des propriétés optiques ; en particulier l’ajout de fluor F diminue son indice de réfraction tandis que l’oxyde de germanium GeO2 l’augmente. En revanche, le désordre structural du verre augmente avec ces ajouts et, par conséquent, l’atténuation de même. Ce désordre dépend de l’histoire thermique et est décrit au moyen de la température fictive Tf qui correspond à la température pour laquelle la structure du verre a été gelée. La Tf du verre détermine de nombreuses propriétés du matériau telles que les fluctuations d’indice de réfraction et de densité.La diffusion Rayleigh est la principale source de pertes dans les fibres optiques, représentant une part de ~90% à la longueur d’onde de 1550 nm. Cette diffusion trouve son origine dans les fluctuations de constante diélectrique dont deux types de contributions sont déjà connues : les fluctuations de densité et les fluctuations de concentration. En appliquant une approche thermodynamique, un autre terme est proposé pour compléter cette description : les fluctuations de température fictive, résultant d’une distribution des temps de relaxation du verre. Cette approche a mis en évidence l’importance d’étudier la relation existante entre la densité ρ et la Tf d’une part, et entre l’indice n et la Tf d’autre part, afin de réduire les pertes par diffusion Rayleigh.Dans une fibre optique, ce sont les conditions de fibrage essentiellement, c’est-à-dire la température, la tension et la vitesse, qui déterminent le passé thermique du matériau. Une étude expérimentale a permis de distinguer l’impact de ces conditions sur les pertes par diffusion dans des fibres monomodes conventionnelles. Les connaissances sur l’origine des objets diffusants (tailles et formes) dans les fibres d’histoires thermiques différentes ont pu être approfondies. Idéalement, il faudrait pouvoir s’affranchir des conditions de fibrage. Contrairement aux autres verres d’oxydes, le verre de silice admet un comportement dit ‘anormal’ pour sa densité : celle-ci augmente avec la température fictive. Cette anomalie disparait en incorporant une certaine quantité d’éléments chimiques (F, Cl, GeO2 mais pas TiO2) dans le matériau. Nous avons montré que certaines compositions, en supprimant la sensibilité de la diffusion Rayleigh à la Tf, permettent de minimiser les pertes optiques de la famille de fibres que nous avons étudiées.La spectroscopie Raman a ensuite été utilisée afin de comprendre l’origine structurale de cette anomalie. Les mesures réalisées ont montrées que les bandes D1 et D2 reliées à la vibration des petits cycles de tétraèdres dans le verre ne sont pas corrélées à la densité macroscopique. En conséquence, elles ne constituent pas une signature fiable du phénomène de densification dans les verres binaires. Des études complémentaires sur la coordinence du silicium dans la matrice sont nécessaires pour pouvoir conclure sur l’origine structurale de l’anomalie de la silice.

  • Titre traduit

    Influence of thermal history on optical scattering in preforms and optical fibers GeO2-SiO2 : F


  • Résumé

    Optical fibers are inevitably present in telecommunications and Internet access networks. Long glass threads made of ultra-pure vitreous silica, they allow to relay information on long distances in the form of light signal. Despite their good transmission capacities, the reduction of optical losses remains an economical stake. Indeed, under a certain attenuation, it is possible to avoid amplifiers located in hardly accessible area where their setting is very expensive. The objective of this work is thus to explore new ways allowing to reduce significantly optical signal attenuation.The silica is a specific element for optical applications because of its physical chemistry properties (high transparency from IR to UV, strong mechanical resistance,…). Adding components in silica glass changes its characteristics (viscosity, density,…) without strong deterioration of optical properties. Especially, the addition of fluorine decreases the refractive index whereas germanium oxide GeO2 increases it. However, the glass structural disorder increases, and, therefore the optical attenuation as well. The disorder depends on thermal history. It is described by means of fictive temperature Tf that corresponds to the temperature at which the glass structure is frozen. The Tf of glass determines many material properties such as the fluctuations of refractive index and density. Rayleigh scattering is the main reason of optical losses in optical fibers, representing ~90% at 1550 nm wavelength. This scattering originates from the dielectric constant fluctuations, which contain two kinds of contributions: the density and the concentration fluctuations. By applying a thermodynamics approach, another term is suggested to complete this description: the fictive temperature fluctuations, resulting from a distribution of glass relaxation times. This approach highlighted importance of studying the relationship between density ρ and Tf on one hand, and between index n and Tf on the other hand, in order to reduce the Rayleigh scattering losses.In optical fiber process, Tf is essentially defined by the drawing conditions, i.e. furnace temperature, fiber drawing tension and speed. An experimental study allowed distinguishing the impact of these conditions on scattering losses in single mode conventional fibers. The knowledge about the origin of scattered objects (sizes and shapes) in fibers with different thermal histories has been made deeper. Ideally, it should be better to be disconnected from the drawing conditions.Contrary to the other oxide glasses, silica glass presents an anomalous behavior for its density: this one increases with fictive temperature. This anomaly disappears by adding a certain amount of chemical elements (F, Cl, GeO2, but not TiO2) in the material. We showed that some compositions, by deleting sensitivity of Rayleigh scattering to Tf, allows minimizing optical losses in the fibers family we studied. Raman spectroscopy has been then used in order to understand structural origin of this anomaly. Measurements revealed that D1 and D2 bands, which are related to small tetrahedral membered rings vibrations in glass, are not correlated to the macroscopic density. Consequently, they are not a reliable signature of densification phenomenon in binary glasses. Supplementary studies about the silicon coordination in the network are needed to conclude on structural origin of the silica anomaly.


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