Extension de l'approche par la courbe maitresse de la prédiction des durées de vie de réseaux d'indice complexes inscrits par UV dans les fibres

par Sylvain Costes

Thèse de doctorat en Chimie des matériaux, optique

Sous la direction de Bertrand Poumellec.


  • Résumé

    L’objectif principal de cette thèse était d’examiner dans quelle mesure il est possible d’étendre l’approche de la courbe maîtresse à des composants complexes afin de déterminer des conditions de déverminage et de réaliser une prédiction de durée de vie en fonction de ces conditions de déverminage. Nous avons considéré la stabilité d’un réseau dit élémentaire (réseau carré, à pas constant et droit) puis le problème de la stabilité (selon des critères spécifiques) des composants complexes: les CDC et les monofiltres GFF. Cette thèse a permis de décrire de façon rigoureuse, puis d'utiliser le cadre de travail VAREPA pour résoudre des problèmes issus de l'industrie de télécoms. A cet effet, des séries d’études de vieillissement accéléré sur des réseaux simples et complexes ont été menées. Un protocole de mesure permettant de déterminer les incertitudes de mesure a été mis au point afin de déterminer de façon fiable des intervalles de confiance sur les prédictions de durée de vie.Nous avons étudié les cinétiques de croissance des réseaux inscrits dans une fibre dédiée à l’inscription des CDC (Coreactive). Cette étude nous a permis de montrer que la réaction prédominante à l’origine des changements d’indice de réfraction est activée par une absorption à 1 photon. D’autre part, nous avons étendu le cadre de travail utilisé pour prédire l’effacement des réseaux (VAREPA) afin de rendre compte de leurs cinétiques d’inscription. Puis nous avons cherché à déterminer les conditions de passivation et à prédire la durée de vie des réseaux déverminés en présence d’hydrogène résiduelle (procédé industriel actuel). Pour cela, nous avons établi la courbe maîtresse de réseaux photoinscrits non déverminés puis nous avons validé les conditions de déverminage et les prédictions de durée de vie en construisant une nouvelle courbe maîtresse sur des réseaux déverminés.Nous avons étudié la stabilité thermique des réseaux inscrits dans une fibre hydrogénée dédiée aux futurs monofiltres GFF dans des conditions d’inscription similaires à celles de ces composants. Nous avons utilisé les courbes maîtresses établies à partir des réseaux élémentaires (mais apodisés) simplement dégazés « à froid » (ici 2jours à 50°C puis 2 jours à 110°C). Puis, nous avons fait vieillir le profil d’indice (cœur et gaine) d’un monofiltre GFF. Puis, nous avons recalculé la réponse spectrale de ce filtre vieilli (e.g. 30jours à 200°C) et nous l’avons comparé à des mesures expérimentales. Cette approche reste générale et permet de changer les conditions de déverminage au besoin. Cette étude nous a permis de mettre en évidence que la stabilité des variations d’indice photo-induites dans le cœur dépend peu de l’amplitude initiale de la modulation pour des valeurs comprises entre quelques 10-5 et 10-3. Du fait de la présence d’une gaine optique fortement photosensible (car fortement dopée en Ge), nous avons établi les courbes maîtresses des variations d’indice photo-inscrites dans le cœur et la gaine optique pour des valeurs allant jusque 10-3 dans le cœur et 3.10-3 dans la gaine. Nous avons ainsi obtenu des courbes maîtresses présentant le même k0 (fréquence d'essai, i.e facteur pré exponentiel) mais dont la forme est légèrement différente. La stabilité des variations d’indice est meilleure dans le cœur (moins dopé en Ge) que dans la gaine photosensible. Dans un second temps, nous avons cherché à déterminer les conditions de passivation et à prédire la durée de vie des réseaux déverminés à partir des réseaux de Bragg qualifiés d’élémentaires. Pour la première fois à notre connaissance, nous avons validé de façon fiable les conditions de passivation et les prédictions de durée de vie en construisant une nouvelle courbe maîtresse sur des monofiltres GFF préalablement déverminés. Conformément à la théorie, cette courbe maîtresse présente le même k0 et une forme similaire à celle établie au moyen de réseaux non déverminés, ce qui valide la fiabilité de nos prédictions.

  • Titre traduit

    Extension of the master-curve approach for lifetimes predictions of complex componants based on fiber bragg gratings written by uv exposure


  • Résumé

    The main objective of this thesis was to investigate how it is possible to extend the master curveapproach to complex components, in order to calculate annealing conditions and giving a life timeprediction according those annealing conditions. We studied the stability of a simple Bragg grating (noapodisation, constant pitch, no tilt). Then, we have been able to study the problem of the stability(according to specific criteria) of complex components: CDC and GFF monofilters. This thesis allowed toshow precisely what is the VAREPA framework and how to apply it to optical telecommunicationsproblems. To give an answer to the question of the possibility of extending the master curve approach tocomplex components, series of accelerate aging studies have been carried out. For this purpose, ameasurement protocol including the determination of the measurement uncertainty was developed. Thisprotocol allow, to determine confidence intervals on the life time prediction.We studied the kinetics of photo induced index growth in the optical fiber dedicated forfabrication of CDC (Coreactive). This study allowed us to demonstrate that the predominant reaction atthe origin of changes in refractive index is activated by a one photon absorption. On the other hand wehave extended the VEREPA framework used to predict the Bragg gratings erasure to take into account thegrowing kinetics. In a second step we tried to calculate annealing conditions in the presence of residualmolecular hydrogen and associated Bragg grating life time prediction. For that purpose we established themaster curve of photo-induced Bragg gratings without annealing, then we validated the annealingconditions and lifetime predictions by building a new master curve from aging of annealed Bragg gratings(in presence of residual hydrogen).We studied the thermal stability of hydrogenated fiber Bragg gratings dedicated to futuremonofiltres GFF in similar conditions to those components. We used master curves from basic Bragggratings (ie no apodisation, constant pitch, no tilt) simply out-gazed at "cold" temperature (here 2 days at50 ° C and 2 days at 110 ° C). Then the aging of the index profile of a GFF monofilter have beensimulated (index profile of the core and of the cladding, each of them having a different master curve).For that purpose the profile have been separated into 35 "basic" filters. Then the spectral response of thisaged monofilter (e.g. 30 days at 200°C) have been calculated and compared with experimentalmeasurements. The advantage of this approach is that it is general and allow to change the annealingconditions if needed. Firstly, this study allowed to highlight that the stability of photo-induced indexchanges in the core depend little on the initial amplitude modulation for values between several 10-5 and10-3. Secondly, due to the presence of a highly sensitive optical cladding (and therefore highly Ge doped),Master curves, of photo-induced index change in the core and the cladding have been established forvalues ranging up to 10-3 in the core and 3.10-3 in the cladding. Master Curves with the same k0 havebeen obtained but the elbow and the slopes are different. Stability of index variations in the core is better(less Ge doped) than in the photosensitive cladding. In a second step, from the basic Bragg gratings, theannealing conditions and the lifetime have been determined. For the first time to our knowledge, thereliably of the annealing conditions and the life time predictions have been validated by building a newmaster curve on annealed GFF monofilters. According to the theory, this master curve show the same k0as the one determined using non-annealed gratings. More beyond the elbow, the two curves are same,which validates the reliability of our predictions.


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