National audienceRÉSUMÉ Les fibres optiques dopées au thulium pompées à 1,07 µm offrent la perspective de lasers et amplificateurs fonctionnant à de nouvelles longueurs d'onde. Ce système permet d'envisager de nombreuses transitions optiques encore inexploitées dans des fibres à base de silice. Le principal verrou technologique de ce système est le photo-noircissement. Nous présentons ici la réduction du photo-noircissement en co-dopant la silice avec du cérium ou du lanthane. Un modèle pour le photo-noircissement est proposé. Ce modèle implique un processus séquentiel faisant intervenir un défaut et un changement de valence de Tm 3+ en Tm 2+. Les effets bénéfiques du co-dopant sont aussi expliqués grâce à ce modèle

Benabdesselam, Mourad

Blanc, Wilfried

Dussardier, Bernard

Lupi, Jean-François

Mady, Franck

Trzesien, Stanislaw

Ude, Michèle

Vermillac, Manuel

HAL-UNICE

RE´DUCTION DU PHOTO-NOIRCISSEMENT PAR
UN CO-DOPAGE AU LANTHANE OU AU CE´RIUM
DES FIBRES OPTIQUES DOPE´ES AU THULIUM
POMPE´ES A` 1070 NM
Jean-Franc¸ois Lupi, Manuel Vermillac, Miche`le Ude, Stanislaw Trzesien,
Franck Mady, Mourad Benabdesselam, Wilfried Blanc, Bernard Dussardier
To cite this version:
Jean-Franc¸ois Lupi, Manuel Vermillac, Miche`le Ude, Stanislaw Trzesien, Franck Mady, et al..
RE´DUCTION DU PHOTO-NOIRCISSEMENT PAR UN CO-DOPAGE AU LANTHANE OU
AU CE´RIUM DES FIBRES OPTIQUES DOPE´ES AU THULIUM POMPE´ES A` 1070 NM.
Journe´es Nationales d’Optiques Guide´es (Congre`s Optique Bretagne 2015), Jul 2015, Rennes,
France. 2015, <http://sfoptique.org/2015/>. <hal-01171080>
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RÉDUCTION DU PHOTO-NOIRCISSEMENT PAR UN CO-DOPAGE AU LANTHANE OU AU CÉRIUM
DES FIBRES OPTIQUES DOPÉES AU THULIUM POMPÉES À 1070 NM.
Jean-François Lupi1, Manuel Vermillac1, Michèle Ude1, Stanislaw Trzesien1, Franck  Mady1,
Mourad Benabdesselam1, Wilfried Blanc1 et Bernard Dussardier1.
1 Université Nice Sophia Antipolis, Laboratoire de Physique de la Matière
Condensée, CNRS UMR 7336, Parc Valrose 06108 Nice
jean-francois.lupi@unice.fr
RÉSUMÉ
Les fibres optiques dopées au thulium pompées à 1,07 µm offrent la perspective de
lasers et amplificateurs fonctionnant  à de nouvelles longueurs d'onde.  Ce système
permet d’envisager de nombreuses transitions optiques encore inexploitées dans des
fibres à base de silice. Le principal verrou technologique de ce système est le photo-
noircissement. Nous présentons ici la réduction du photo-noircissement en co-dopant
la silice avec du cérium ou du lanthane. Un modèle pour le photo-noircissement est
proposé. Ce modèle implique un processus séquentiel faisant intervenir un défaut et
un changement de valence de Tm3+ en Tm2+. Les effets bénéfiques du co-dopant sont
aussi expliqués grâce à ce modèle.  
MOTS-CLEFS :  fibre ; photo-noircissement ; thulium ; cérium ; lanthane.
1. INTRODUCTION
Les lasers et les amplificateurs à fibre optique à base de silice sont grandement répandus dans
l'industrie, les télécommunications et le médical. Ceci est dû aux avantages combinés de la silice, de
la structure de guidage et du dopage aux ions amplificateurs. La silice donne une forte tenue à la
puissance. Le dopage aux terres rares apporte de larges plages spectrales d'amplification et de fortes
efficacités. Le guidage permet d'assurer une bonne gestion thermique, une bonne stabilité et une
forte interaction entre lumière et milieu amplificateur. Les sources et amplificateurs fibrés sont à
l'heure actuelle restreints  au proche infra-rouge (à 1,  1,5 et  1,9 µm) [1].  Le développement  de
nouveaux besoins conduit à envisager de nouvelles longueurs d'onde d'émission.
Le thulium trivalent (Tm3+) possède jusqu'à sept transitions de 0,47 à 1,9 µm, excitables par
un pompage vers 1,07 µm [2]. Le verre habituel (alumino-silicate) dopé au thulium présente des
limitations du fait  des déclins non-radiatifs [2] et du photo-noircissement (PN) [2,3].  Le PN est
surtout étudié dans les lasers dopés Yb3+ : une solution commerciale repose sur le dopage au cérium
(Ce4+) [4].  Dans la littérature, le PN des fibres dopées Yb3+ est expliqué par l'émission coopérative
de photons UV dûs aux agrégats d'ions de terres rares. Le lanthane (La3+) peut réduire les effets dûs
aux  agrégats  comme  il  a  été  démontré  pour  la  fluorescence  verte  des  ions  Er3+ [5]. Cette
communication  traite  du  photo-noircissement  dans  une  fibre  dopée  aux  ions  Tm3+, observé  en
pompant à 1,07 µm, de la réduction de celui-ci par l'ajout de co-dopants comme La 3+ ou Ce4+ et d'un
modèle  proposé pour décrire l'influence de ces co-dopants sur le PN.
2. MESURE DE L'EFFET DU LANTHANE ET DU CÉRIUM SUR LE PN
Deux séries d'échantillons sont fabriquées. Dans la première série, la concentration en Al 2O3 et
en Tm3+ restent constantes respectivement à 2 mol % et 700 ppm at., alors que la concentration en
La3+ varie de 600 à 3000 ppm at.. Dans la deuxième série,  la concentration en Al2O3 et en Tm3+
restent constantes, respectivement à 2 mol % et 550 ppm at., alors que la concentration en Ce varie
de 0 à 600 ppm at. Les spectres d'absorption mettent clairement en évidence la présence de Ce 3+.
Cependant, il a été montré que sous certaines conditions de fabrication, Ce3+ peut être oxydé pour
former majoritairement du Ce4+ [6]. 
Pour ces deux séries, l'atténuation photo-induite est estimée en mesurant le rapport du signal
sonde à 0,55 µm avant et après une exposition de 30 min à la pompe (1,07 µm ; 0,75 W pompage
dans  le  coeur).  La  figure  1  montre  les  coefficients  d'absorption  induite  pour  les  différents
échantillons.  L'augmentation  de la  concentration en  ions  La3+ et  Ce4+ induit  une diminution  du
photo-noircissement.  Les  deux  séries  d'échantillons  n'ont  pas  la  même  valeur  de  l’ordonnée  à
l'origine du fait des différences de concentrations en Tm3+ [2].
 Fig. 1 :  Atténuation photo-induite (API) en fonction de la concentration de co-dopant. 
3. MODÈLE
Dans  cette  partie,  un  modèle  simple  est  proposé  pour  décrire  le  processus  de  photo-
noircissement, schématisé sur la figure 2. Il est décomposé en trois étapes détaillées par la suite: 
1. La pompe interagit avec des agrégats de Tm3+, ceci conduisant à l'émission de photons UV.
2. Les UV ionisent des défauts de la matrice, plaçant un électron dans la bande de conduction.
3. L'électron se recombine sur un ion Tm3+ pour donner un ion Tm2+, absorbant dans le visible.
Fig. 2 : (1): interaction pompe Tm3+. (2): ionisation des défauts. (3): réduction Tm3+ → Tm2+. 
Les sept premiers niveaux d'énergie de Tm3+,  3H6,  3F4, 3H5,  3H4,  3F2,3,  1G4,  1D2 et  3P0,1,2, sont
numérotés de 0 à 7 sur la figure 2. Par absorptions successives de la pompe, un échange d'énergie
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
100
200
300
400 La linéaire La
Ce linéaire Ce
Concentration en co-dopant (ppm)
A
PI
 à
 0
,5
5µ
m
 (d
B
/m
)
5d
Ce
3+
Tm3+
0
1
2
3
4
5
6
7
e-
Défaut
Tm2 +
5d
~
2eV
Bande de 
Conduction
Bande de 
Valence
Dé-excitation  
non-radiative
Pompe  
1,07µm
Transfert 
d'énergie
~
4eV
1 32
(3,5) → (1,6) puis une quatrième absorption, les ions Tm3+ sont excités depuis l'état fondamental
vers  le niveau 7. Ce niveau émet dans l'UV, vers 290 nm [7]. Le rayonnement UV est connu pour
activer des défauts dans la silice. Dans notre matériau, la nature, l'origine, et les caractéristiques des
défauts ne sont pas encore identifiés. Par conséquent, le modèle est réduit à un seul type de défaut
absorbant à 290 nm. L'électron libéré par l'ionisation du défaut peut se recombiner avec un ion Tm 3+
pour former un ion Tm2+. Cet ion bivalent présente une très large bande d'absorption entre 300 et
800  nm  [8],  domaine  de  longueurs  d'onde  pour  lequel  nous  avons  observé  l'apparition  d'une
atténuation photo-induite. Les transitions de Tm2+ sont de type 4f-5d, dont la force d'oscillateur est
deux à trois ordres de grandeurs supérieure à celle des transitions 4f-4f de Tm3+. Ainsi, même si le
mécanisme de conversion Tm3+ → Tm2+ a une faible probabilité, une faible concentration en ions
Tm2+ peut avoir un effet non négligeable en absorption. L'absorption par des ions Tm2+ est ainsi en
accord avec les spectres d'atténuation photo-induite mesurés expérimentalement.
Pour discuter des effets du lanthane et du cérium, il faut noter que le premier ne peut être que
trivalent et que le cérium peut être tri- ou tétravalent [9]. L'ion La3+ est optiquement neutre, les ions
Ce3+ et Ce4+ sont transparents dans le visible. L'effet du La sur le noircissement est alloué à un effet
d'encombrement (comme pour la fluorescence verte de l'ion Er3+ [5]). L'ion Ce4+ peut jouer le rôle
de piège à électron, qui en l'absence de cérium aurait créé un ion Tm 2+, se transformant ainsi en un
ion Ce3+ transparent  dans le  visible  et  le  proche IR.  Les  ions  cérium (III  et  IV)  peuvent  aussi
absorber les UV et donc limiter l'ionisation des défauts. Enfin le cérium peut aussi avoir un effet
d'encombrement comme La3+.
Le modèle proposé demande à être confirmé par de nouvelles expérimentations, comme par
exemple des expériences de photo-noircissement aux UV. En effet, si l'ion La3+ agit bien comme on
le suppose, il ne devrait pas avoir d'effet sur le noircissement aux UV. Par contre, si l'ion Ce 4+ agit
comme piège ou par absorption des UV, il aura un effet sur le noircissement UV.
CONCLUSION
La possibilité de réduire le photo-noircissement des fibres optiques dopées Tm3+ pompées à
1,07 µm par l'ajout de lanthane ou de cérium a été montrée. Un modèle simple rendant compte du
photo-noircissement,  de  l'impact  du  lanthane  et  du  cérium a  été  proposé.  Le  modèle  peut  être
facilement étendu, en y ajoutant le phénomène inverse au PN : le photo-blanchiment. Cela sera
discuté  lors  de  la  conférence.  La  compréhension  de  ce  mécanisme  permettra  d'envisager  de
nouvelles applications.
RÉFÉRENCES
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[3] M.M. Broer, D.M. Krol, & D.J. DiGiovanni. Highly nonlinear near-resonant photodarkening in a thulium-
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germanosilicate glass fibers. Optics Express, 11(21), 2672-2678,  2003.
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RÉDUCTION DU PHOTO-NOIRCISSEMENT PAR UN CO-DOPAGE AU LANTHANE OU AU CÉRIUM DES FIBRES OPTIQUES DOPÉES AU THULIUM POMPÉES À 1070 NM

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