Roles of dopants, interstitial O2 and temperature in the effects of irradiation on silica-based optical fibers

par Diego Di Francesca

Thèse de doctorat en Optique Photonique Hyperfréquences

Sous la direction de Aziz Boukenter et de Simonpietro Agnello.

  • Titre traduit

    Rôle des dopants, O2 interstitiel et de la température dans les effets de l'irradiation sur les fibres optiques à base de silice


  • Résumé

    Dans ce travail de thèse, nous avons étudié l'effet des rayonnements ionisants (rayons X et γ) jusqu'à une dose maximale de 1 Grad sur différents types de fibres multimodes (dopées -P, -P-Ce, -Ge, -Ge-F, -Ge-Ce et -N). Les caractérisations ont été réalisées principalement avec trois techniques expérimentales : online Atténuation Induite par Radiation en temps réel (RIA), Résonance Paramagnétique Electronique (EPR), Micro-Luminescence (ML). Dans la première partie du travail de cette thèse, nous avons étudié la réponse aux radiations de différents types de fibres optiques. L'absorption liée aux défauts du phosphore induits par irradiation a été étudiée par des mesures RIA dans le domaine spectral UV-Visible. Les mesures EPR nous permis de détecter les défauts POHC, P1 et P2. En particulier, pour la détection de P1 et P2, nous avons utilisé le mode de détection de la seconde harmonique pour déterminer la cinétique de croissance des P1 et P2 en fonction de la dose. Nous avons également étudié les effets dus au changement des conditions de fibrage et ceux liés à la variation de la température d'irradiation (25-280 ° C). Nous avons aussi étudié l’effet du codopage du coeur de la fibre avec du Cérium. Dans ce cas, nous avons observé une production moins importante de centres POHC et P2 sous irradiation. De plus, les mesures EPR ont montré que la génération des défauts P1 n’est pas sensiblement influencée par le codopage avec le Cérium. En ce qui concerne les fibres optiques dopées Ge, on a étudié trois types de dopage : Ge seul, co-dopage Ge-F et Ge-Ce. Pour chaque type, nous avons examiné trois conditions de fibrage. La réponse à l’irradiation de ces fibres a été étudiée par les trois techniques utilisées. Plus particulièrement la ML, nous a permis d'obtenir une vision plus complète du rôle du codopant et des précurseurs dans la formation des défauts induits par l'irradiation. Nous avons également étudié la réponse au rayonnement de la fibre dopée N avec trois différentes conditions de fibrage. Les réponses à l’irradiation dans les régions spectrales UV-visible ont été obtenues par des mesures RIA. Par EPR, nous avons pu détecter deux défauts liés à l'azote pour les doses élevées de radiation. Enfin, les mesures ML sur les fibres irradiées ont montré trois bandes d'émission dans le visible qui ont été attribuées clairement à des centres émetteurs liés à l'azote. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié les effets liés au chargement en oxygène des fibres étudiées. Par des mesures en microspectroscopie Raman, nous démontrons qu'un traitement à haute température et haute pression peut favoriser l’introduction d’une grande quantité de O2 dans les fibres optiques à cœur de silice pure (PSC) ou dopées F, Ge ou P. Les réponses à l’irradiation de certaines des fibres optiques chargées en O2 ont été étudiés (et en particulier PSC et celle dopée F. Sur la base des données de la littérature, nous avons effectué les décompositions des spectres RIA en fonction de la dose. De plus, l'étude EPR des fibres optiques dopées P et chargées en O2 a montré une forte réduction des défauts P1 et P2 comparées aux fibres non traitées. Dans cette partie de la thèse, j’ai également présenté les résultats concernant la radioluminescence infrarouge (1272 nm) des molécules O2 dans la fibre optique. La faisabilité d'un capteur de radiation pour des environnements sous fortes doses et forts débits de dose a été discutée


  • Résumé

    In this Thesis work we have investigated the effect of ionizing irradiation (X and γ rays) up to 1 Grad on different types of multimode optical fibers (P-doped, P-Ce-doped , Ge-doped, Ge-F-doped, Ge-Ce-doped, and N-doped). The experiments were carried out by three main experimental techniques: online Radiation Induced Attenuation (RIA), Electron Paramagnetic Resonance (EPR) and Confocal Micro-Luminescence (CML). In the first part of the Thesis work we report on the radiation response of several types of optical fibers. The absorption due to radiation induced P-related defects was studied by RIA in the UV-Visible domain. Moreover, by EPR measurements we were able to detect POHC, P1 and P2 defects. In particular, for the detection of P1 and P2 defects we have validated the use of EPR second-harmonic detection mode which allowed us to obtain the growth kinetics of P1 and P2 with the dose. The effects due to the variation of the drawing conditions of the fibers were investigated as well as the ones due to the change of the temperature of irradiation (from 25 to 280 °C). Finally, concerning the P-doped OFs, we report on the effects due to the Cerium codoping of the core of the optical fiber. We observed a reduced generation of POHC and P2 centers under irradiation. However, EPR investigation has shown that the generation of P1 defects is essentially unaffected by the Ce-codoping. Regarding Ge-doped optical fibers we report on three basic typologies: Ge-doped, Ge-F-doped and Ge-Ce-doped. For each fiber typology we investigated three drawing conditions. The radiation responses of these fibers were characterized by RIA and EPR measurements. Furthermore, performing CML measurements we were able to obtain further insight on the role of the co-dopants and of the defect precursors in determining the radiation induced defects. We have also investigated the radiation response of N-doped OFs (three drawing conditions). The radiation responses in the UV-Visible domains were obtained by RIA, and by EPR measurements we were able to detect the signals of two N-related defects at high radiation doses. Finally, CML measurements on irradiated samples have shown three emission bands in the visible domain which are tentatively assigned to N-related centers. In the second part of the Thesis we report on the effects of an O2 loading treatment produces on some of the investigated samples. By micro-Raman measurements we demonstrate that a high pressure high temperature treatment can incorporate high quantity of O2 into Pure-Silica-Core (PSC), F, Ge and P doped optical fibers. The radiation responses of some of the O2-loaded optical fibers were investigated with particular regard to the fluorine doped and pure-silica-core optical fibers. On the basis of literature data we performed band decompositions of the RIA spectra as a function of the dose. Moreover, the EPR study of the O2 loaded P-doped optical fiber have shown a strong reduction of the signals associated to the P1 and P2 defects as compared to the untreated fibers. In this part of the thesis we also report on the characterization of the near infrared radioluminescence (1272 nm) of O2 molecules embedded in the optical fiber matrix and the feasibility of a radiation sensor based on this phenomenon for environments characterized by high radiation doses and high dose-rates


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