Verres de sulfures: spectroscopie des ions de terres-rares, fibres microstructurées et nouvelles compositions

Abstract

J.L. ADAM Directeur de recherche CNRS, Université de Rennes 1, Rennes R. BALDA Professeur, Universidad del Paìs Vasco, Bilbao, Espagne D. BOSC Ingénieur de Recherche à l'ENSSAT, Université de Rennes 1, Lannion B. BOULARD Maître de conférence, Université du Maine, Le Mans Rapporteur A. BOURGET Directeur Général, UMICORE IR-Glass, Acigné B. JACQUIER Directeur de recherche CNRS, Université Claude Bernard-Lyon 1 RapporteurUsing originals materials, with high linear and non-linear indices of refraction and with low phonon energies, as sulfide glasses, allows new perspectives for telecommunication applications, such as large-band amplification (1.3-1.5 µm), all-optical switching and signal regeneration. In this report, we have studied optical fibres and glasses transmitting in the infrared range. The optical window of glasses based on GeGaS system, has been extended to the visible region, thanks to the addition of metal and earth-alkali chlorides. Physical properties (density, glass transition temperature, thermal expansion, micro-hardness, optical transmission, refractive index) and structural organization were studied in order to highlight the impact of chloride addition in sulfide glasses. Rare-earth-doped GeGaSbS sulfide glasses possess the potential for optical amplification in the 1.3 - 1.47 µm spectral region. The energy gap law, linking multiphonon relaxation rate to energy gap between an excited level and its next lower level, was established in GeGaSbS glasses. Energy-level diagram of Yb3+ ion in various sulfide and halogeno-sulfide glasses was established by studies of spectroscopic properties of this ion, in order to choose the best host for laser optical cooling. Drawing of single-mode fibres was investigated for GeGaSbS glasses. A single-mode sulfide fiber of numerical aperture of 0.44 has been prepared and has shown a mode diameter of 2 µm at 1.55 µm. Infrared fluorescence of Dy3+ and Tm3+ on multimode fiber was studied too. Microstructured fibers have been realized with GeGaSbS-sulfide-glasses which can be easily shaped and drawn. Holey fiber, quasi single-mode at 1.55 µm, was demonstrated.L'utilisation de matériaux originaux, à forts indices de réfraction linéaires et non-linéaires et à faibles énergies de phonon, tels que les verres de sulfures, permet d'envisager des applications comme l'amplification large bande (1,3-1,5 µm), la régénération et la commutation tout-optique en télécommunication. Les travaux de recherche présentés ici concernent l'étude de fibres optiques et verres de chalcogénures transmettant dans l'infrarouge. La fenêtre optique des verres appartenant au système de référence GeGaS a été élargie dans le domaine du visible par addition de chlorures de métaux et d'alcalino-terreux. Les caractérisations physico-chimiques en termes de propriétés thermiques, optiques, de durabilité chimique et l'étude de l'organisation structurale des compositions mettent en lumière l'impact de l'insertion d'halogènes dans les verres de sulfures. Les verres de sulfures du système Ge-Ga-Sb-S présentent une potentialité pour l'amplification optique entre 1,3 et 1,47 µm par dopage terre-rare. La loi du gap, établissant la probabilité de relaxation multiphonon à l'écart d'énergie entre un niveau excité et un niveau immédiatement inférieur, a été démontrée dans les verres de sulfures du système GeGaSbS. L'étude des propriétés spectroscopiques de Yb3+ dans différentes matrices sulfures et halogéno-sulfures a permis d'établir le diagramme d'énergie de l'ytterbium dans chacune de ces matrices et de choisir celle la plus adaptée aux études de refroidissement optique. Les verres du système GeGaSbS ont fait l'objet d'études de mise en forme. Une fibre monomode, d'ouverture numérique 0,44 et de diamètre de mode 2 µm a été obtenue et caractérisée à la longueur d'onde de 1,55 µm. La fluorescence infrarouge du dysprosium et du thulium sur des fibres multimode a été étudiée. La bonne aptitude de ces verres au fibrage a conduit à la réalisation de fibres microstructurées, de types bande interdite photonique et à trous. La caractérisation optique de ces fibres a révélé le caractère quasi-monomode d'une des fibres à trous à la longueur d'onde de 1,55 µm