Fibres optiques microstructurées en verre de chalcogénure pour la détection d'espèces chimiques et la conversion de longueurs d'onde

par Perrine Toupin

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Johann Troles.

Soutenue le 26-09-2013

à Rennes 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences de la matière (Rennes) , en partenariat avec Institut des Sciences Chimiques de Rennes (laboratoire) et de Université européenne de Bretagne (PRES) .


  • Résumé

    Cette thèse est dédiée à l’élaboration de fibres optiques microstructurées en verre de chalcogénure. Ces verres présentent un large domaine de transparence dans l’infrarouge et des propriétés optiques non-linéaires importantes. Les fibres optiques microstructurées sont composées d’un arrangement périodique de trous d’air s’étalant le long de l’axe de la fibre. Elles possèdent ainsi des propriétés de propagation originales qui suscitent un grand intérêt dans la communauté scientifique. La possibilité de mettre les verres de chalcogénure sous forme de MOFs offre de nombreuses applications potentielles en optique passive et en optique active. Nous nous sommes intéressés à plusieurs d’entres elles. Ces travaux s’articulent en effet autour de trois objectifs majeurs : le transport de puissance dans les fenêtres de transparence atmosphériques II et III, la réalisation d’un capteur chimique et la conversion de longueurs d’onde par des effets non-linéaires. Les compositions sélectionnées pour élaborées les fibres (As38Se62, As40S60, Te20As30Se50 et Ge10As22Se68) ont fait l’objet d’une recherche approfondie de manière à trouver des méthodes de purifications adéquates pour obtenir des fibres présentant de très faibles pertes optiques. Les MOFs obtenues à partir des verres purifiés présentent des pertes inférieures au dB/m sur une grande gamme de longueur d’onde. De tels résultats permettent d’assurer le transport de moyenne puissance dans les bandes II et ou III selon la fenêtre de transmission de ces verres. Concernant la réalisation d’un capteur dans l’infrarouge, une nouvelle géométrie de fibre a été élaborée. Elle consiste en une fibre dont le cœur est partiellement exposé à l’environnement extérieur grâce à la présence d’une fente le long de l’axe de la fibre. Les essais de détection de liquides réalisés sont concluants, les résultats montrent que la fibre à cœur exposé conçue est plus sensible qu’une fibre monoindice présentant un diamètre deux fois plus petit. Un petit diamètre de cœur est un paramètre recherché afin d’exacerber les effets non-linéaires. Ainsi deux géométries de fibres ont été sélectionnées pour fabriquer les fibres destinées à générer des effets non-linéaires : les fibres multimodes à cœur suspendu (Øc<3µm) et les fibres monomodes à trois couronnes de trous (Øc<5µm). Les propriétés non-linéaires des fibres élaborées ont été analysées à l’ONERA et au laboratoire FOTON. A la vue de l’ensemble des résultats, le caractère monomode permet d’obtenir des supercontinuums plus réguliers dans la fenêtre 3-5µm et semble indispensable pour les conversions de longueurs d’onde à 1,55µm. Les fibres réalisées ont permis d’obtenir des conversions de longueurs d’onde à un taux supérieur à 170Gb/s, de démultiplexer un signal à 170,8Gb/s et de réaliser un laser à fibre Brillouin présentant des seuils de déclenchement de puissance très bas.

  • Titre traduit

    Chalcogenide glass microstructured optical fibers for chemical sensing and wavelength conversion


  • Résumé

    The present works concern the elaboration of chalcogenide glass Microstructured Optical Fibers (MOFs). Chalcogenide glasses present a large transparency window in the infrared and high non-linear optical properties. MOFs are based on only one glass, the guidance of the light beam in the fiber core is possible thanks to the presence of a periodic holes arrangement defining the microstructure. This particular mode guidance combined with the original properties of chalcogenide glasses leads to numerous potential applications. In this thesis different applications have been investigated. Indeed, the works focus on three main aims: power transmission in the II and III atmospheric transparency windows, the fabrication of a sensor for chemical species and wavelength conversion thanks to non-linear effects. Whatever the application, it is needed to synthesize very high purity glasses in order to reach optical losses as low as possible. Thus, the glass compositions selected to carry out the fibers (As38Se62, As40S60, Te20As30Se50 and Ge10As22Se68) have been the subject of extensive researches to find the most appropriated purification processes. Thanks to the optimization of the purification methods, the elaborated fibers present optical losses as low as 1dB/m over a wide range of wavelengths. Such a result allows the transport of light power in the II or the III band depending on the glass composition. Regarding the development of a sensor in the infrared, a new fiber geometry has been performed. It consists in a fiber whose core is partially exposed to the external environment thanks to the presence of a slit along the fiber. Such a configuration was obtained by modifying the preform molding method. The detection tests carried out are promising. Indeed, the exposed core fiber is more sensitive than a single index fiber having a twice smaller external diameter. A small core diameter is needed to enhance non-linear effects. Thus, to generate such effects, two different fiber designs have been chosen: suspended-core multi-mode fibers (Øc<3µm) and three rings of holes single-mode fibers (Øc<5µm). The latter configuration was obtained by developing the Ge10As22Se68 glass composition, very stable against crystallization. Indeed, the optical properties of the glass do not change even after several thermal treatments needed for the casting steps. The non-linear optical properties of the fabricated fibers have been analyzed at thanks to a collaboration with ONERA and the FOTON laboratory. The results show that the single mode guidance allows to obtain more regular supercontinuums in the 3-5µm region and seems to be essential for wavelength conversions at 1.55 µm. Thus, the low-loss single-mode fibers presenting core diameters smaller than 5µm allowed the conversion and demultiplexing of a 170Gb/s signal and the realization of a Brillouin fiber laser with very low power threshold.


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