Verres optiques nanostructurés pour des applications en photonique

par Elisa Muzi

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Matthieu Lancry et de Davide Janner.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay en cotutelle avec politecnico di Torino , dans le cadre de École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (laboratoire) , Synthèse, Propriétés & Modélisation des Matériaux (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-11-2018 .


  • Résumé

    Les partenaires et leurs groupes de recherche respectifs offrent une expertise complémentaire fournissant la possibilité de développer et de tester des solutions innovantes pour atteindre l'objectif du projet. Ils ont tous les deux la capacité de former des étudiants hautement qualifiés au doctorat dans le cadre d'une recherche aussi difficile. Upsud bénéficie en effet d'une expérience pluriannuelle dans le 3D traitement laser femtoseconde de verres, y compris les changements d'indice réfractif local, la biréfringence à la demande, les propriétés optiques circulaires ou les propriétés non linéaires (génération de la 2ème harmonique de verres) vers tous les dispositifs intégrés pour la photonique. POLITO fabrique et développe des verres et des fibres optiques sur mesure pour diverses applications, allant des lasers et des amplificateurs aux capteurs optiques pour l'industrie et la biomédecine [1] et étudie actuellement les verres nanostructurées et les nanoparticules pour ces domaines. Au cours des années du projet NANOMAX, les principaux objectifs qui seront poursuivis sont détaillés comme suit: fabrication de verres, de verres dopés et chargés de nanoparticules. Les verres en bulk à utiliser comme substrats planaires ou préformes pour le dessin des fibres seront fabriqués selon deux techniques différentes: le procédé sol-gel et la trempe en fusion. La composition de la matrice de verre ciblée sera soit à base de borate, borosilicate ou phosphate puisque ces matériaux ont l'avantage d'être aussi traçables en fibre optique, et le troisième montre des propriétés biocompatibles intéressantes. La méthode de synthèse sera définie pour un système de verre spécifique afin d'obtenir des verres homogènes au seuil de cristallisation sous irradiation laser (par ex. verre BaO-B2O3-TiO2 pour la précipitation beta-BBO). La composition du verre et les dopants seront adaptés pour maximiser la photosensibilité. Une autre approche à explorer en parallèle consiste à incorporer des matériaux nanostructurés d'espèces dissemblables dans des substrats planaires pour des circuits de lumière photonique ou des tubes de verre qui seront filés en fibres optiques. Irradiation laser pour nanostructuration et cristallisation L'irradiation laser des verres personnalisés sera utilisée pour induire une cristallisation localisée et orientée [2]. Le laser femtoseconde et/ou nanoseconde sera utilisé pour exploiter les différentes contraintes thermiques locales induites pour modifier les propriétés du matériau. Dans les fibres optiques, nous utiliserons l'irradiation laser pour produire des instabilités de matériaux locaux afin d'obtenir, p.ex. nanosphères et/ou nanostructures à l'intérieur des fibres pour des applications avancées dans les domaines de la détection, des nanolasers et des télécommunications optiques. Caractérisation de la texture des nanocristaux et de la nanostructure La caractérisation des matériaux constituera une tâche clé pour les deux doctorants pendant le projet afin de maîtriser et de contrôler la fabrication des nanocristaux et des nanostructures. Les changements structurels à la racine des nanocristaux photo-induits observés seront étudiés jusqu'à l'échelle nanométrique au moyen de nombreuses techniques de caractérisation disponibles dans les deux établissements hôtes. Les doctorants auront accès et seront formés sur les machines de pointe et les techniques de caractérisation, y compris TEM, EXAFS, XPS, Raman. En effet, les deux doctorants suivront une formation approfondie sur ces instruments par des spécialistes de renommée internationale (par ex. Pr. Baudin dans Upsud pour Electron Back-Scattered Diffraction-EBSD, B. Poumellec pour la spectroscopie des défauts). Divers instruments de microscopie électronique (SEM, TEM mais aussi EBSD et TKD -Transmission Kikuchi Diffraction) seront utilisés pour étudier la texture des nanocristaux et les nanostructures par Dr. F. Brisset (Upsud) formation sur les méthodes de caractérisation structurelle de pointe. Demandes Au cours du projet, des fonctionnalités optiques appropriées seront conçues, basées sur les nanostructures cristallines fabriquées intégrées dans des verres. Parmi les différentes applications, on trouve certainement un nouveau circuit photonique matériel multifonctionnel intégré pour les guides d'ondes à doublement de fréquence [3], les commutateurs optiques et les isolateurs optiques passifs. Un objectif final est également de démontrer leurs applications avancées dans divers domaines tels que l'optique intégrée, la nano-optique, la télécommunication optique ou la bio-photonique. Mais il y a d'autres caractéristiques orientées vers l'application de ces matériaux puisque nous serons en mesure de contrôler la biréfingence linéaire, le dichroïsme linéaire et potentiellement les propriétés optiques circulaires dans une seule matrice de verre. Cela se fera en un seul bloc de verre, donc utilisable en Pics (Photonics Integrated Circuits). A notre connaissance, la combinaison de caractéristiques de telles propriétés optiques n'existe pas encore.

  • Titre traduit

    Advanced nanostructured optical glasses for photonic applications


  • Résumé

    The partners and their respective research groups offer complementary expertise providing the opportunity to develop and test innovative solutions towards the objective of the project. They both have the capability to form highly skilled PhD students on such a challenging research. Indeed, UPSud boasts a multiannual experience in femtosecond 3D laser processing of glasses including local refractive index changes, on-demand birefringence, circular optical properties or non-linear properties (2nd harmonic generation in glasses) towards all integrated devices for photonics. POLITO has been fabricating and developing custom glasses and optical fibers for various applications, ranging from lasers and amplifiers to optical sensors for industry and biomedicine [1] and is currently investigating nanostructured glasses and nanoparticles for these fields. In the years of the NANOMAX project the main objectives that will be pursued are detailed as follows: Fabrication of glasses, doped and nanoparticle charged glasses Bulk glasses to be used as planar substrates or preforms for fiber drawing will be fabricated following two different techniques: sol-gel and melt quenching. Composition of the targeted glass matrix will be either borate, borosilicate or phosphate based since these materials have the advantage of being also drawable as fiber optics, with the third one showing interesting biocompatible properties. The synthesis method will be defined for a specific glass system to obtain homogeneous glasses at the threshold to crystallize under laser irradiation (e.g. BaO–B2O3–TiO2 glass for beta-BBO precipitation). Glass composition and dopants will be tailored to maximize the photosensitivity. Another approach to be explored in parallel is to incorporate nanostructured materials of dissimilar species into planar substrates for photonic light circuits or glass tubes that will be drawn into optical fibers. Laser irradiation for nano-structuring and crystallization Laser irradiation of the custom-made glasses will be used to induce localized and oriented crystallization [2]. Femtosecond and/or nanosecond laser will be used to leverage their different local thermal stress induced to tweak the material properties. In optical fibers, we will use laser irradiation to produce local material instabilities to obtain e.g. nanospheres and/or nanostructures inside the fibers for advanced applications in sensing, nanolasers and optical telecommunications. Characterization of the nanocrystals texture and the nanostructure Materials characterization will be a key task for both PhD during the project to master and control the fabrication of nanocrystal and nanostructures. Structural changes at the root of the observed photo-induced nanocrystals will be studied down to the nanometer scale by means of many characterization techniques available in both host institutions. The PhD students will have access and be trained on state of the art machines and characterization techniques including TEM, EXAFS, XPS, Raman. Indeed, both PhD students will follow extensive training on these instruments by the internationally recognized specialists (e.g. Pr. Baudin in UPSud for Electron Back-Scattered Diffraction-EBSD, B. Poumellec for defects spectroscopy). Various electronic microscopy instruments (SEM, TEM but also EBSD and TKD -Transmission Kikuchi Diffraction) will be used to study nanocrystal texture and nanostructures by Dr. F. Brisset (UPSud) training on cutting-edge structural characterization methods. Applications During the project, suitable optical functionalities will be designed, based on the fabricated crystalline nanostructures embedded in glasses. Among the different applications, one is certainly a new integrated multifunctional material photonic circuits for frequency doubling waveguides [3], optical switches and passive optical isolators. A final objective is also to demonstrate their advanced applications in various fields such as integrated-optics, nano-optics, optical telecommunication, or bio-photonics. But there are further application-oriented characteristics of these materials since we will be able to control linear birefringence, linear dichroism and potentially circular optical properties in a single glass matrix. This will be done in a single block of glass, thus usable in PICs (Photonics Integrated Circuits). To our knowledge, the combination of features such optical properties do not yet exist.