Nouveaux matériaux pour l’optique : étude et réalisation de fibres optiques de nouvelle génération à base de procédés et de matériaux originaux Stéphanie Leparmentier, Jean-Louis Auguste, Christine Restoin, Jean-Marc Blondy Institut de Recherche XLIM, Département Photonique, 123 Avenue Albert Thomas, 87060 LIMOGES La recherche dans le domaine des fibres optiques s’est basée ces 50 dernières années sur les différents matériaux, géométries ou procédés de fabrication qui peuvent être utilisés pour la réalisation de guides optiques toujours plus performants, notamment dans le domaine du proche infrarouge qui inclut les longueurs d’ondes utilisées pour les réseaux de télécommunications. Les fibres optiques standard sont constituées d’un cœur (où la lumière est guidée), enveloppé d’une gaine optique, tous deux composés de silice. La géométrie des fibres optiques est un choix important selon les caractéristiques de propagation et l’application souhaitées. Il existe des fibres optiques à structure simple (à saut ou gradient d’indice entre le cœur et la gaine) généralement fabriquées par dopage indiciel de la silice du cœur par dépôt en phase vapeur (MCVD) et, plus récemment, des fibres dites microstructurées dont la gaine est composée de canaux d’air maintenus par des ponts de verre. Cette technologie permet notamment d’exploiter le principe de guidage par bande interdite photonique aujourd’hui très utilisée pour des applications lasers ou de transport de signaux de fortes puissances. L’objectif de cette thèse est l’étude, la fabrication et la caractérisation de fibres optiques performantes dans les domaines de l’UV et l’IR moyen pour la conception de sources à des longueurs d’ondes inédites pour des applications dans les domaines du biomédical, de la détection de polluants ou des contre-mesures optroniques. Si la silice n’est pas performante à ces longueurs d’ondes, d’autres verres le sont, mais les fibres réalisées à partir de ces verres sont fragiles et chères. Nous proposons une géométrie originale, les fibres optiques multi-matériaux, dont le cœur et la gaine sont composés de verres de natures différentes. Leur gaine optique est constituée de silice pure pour conserver l’accès à une technique de fibrage éprouvée. Ces fibres présentent de nombreux avantages tels qu’une plus forte différence d’indice cœur/gaine que les fibres silice standards, des effets non-linéaires élevés et possibles pour de plus grands diamètres de cœur, une résistance mécanique plus élevée que celle des fibres verre standards grâce à la gaine en silice et un coût de fabrication plus faible (car seul le cœur de la fibre est composé du verre optique performant mais souvent onéreux). Les procédés de fabrication usuels tels que la MCVD ne sont pas adaptés à la réalisation de telles géométries. Nous développons à XLIM un procédé original basé sur l’utilisation de verres sous forme de poudres, le Procédé Poudre Modifié (PPM), qui nous a permis de réaliser des fibres optiques multimatériaux à saut d’indice présentant des pertes optiques satisfaisantes de l’ordre du dB/m. Nous avons généralisé ce procédé à la réalisation de fibres optiques multi-matériaux microstructurées selon deux voies différentes : en incorporant un capillaire rempli de poudre de verre parmi les capillaires creux lors du stack (assemblage des capillaires de la préforme) ou bien en insérant une fibre à saut d’indice (cœur en verre et gaine en silice pure) dans le cœur creux d’une canne microstructurée (une canne étant l’étape intermédiaire entre la préforme et la fibre optique). Des fibres multi-matériaux microstructurées ont ainsi été réalisées en utilisant notamment un verre lanthano-alumino-silicate, montrant la génération d’effets non-linéaires intéressants (effet Raman sur de courtes longueurs de fibres). Ceci ouvre la voie à la réalisation de sources fibrées large bande dans des domaines de longueur d’ondes inédits. La maîtrise technologique et la qualité optique du PPM sont toujours en cours d’évaluation. Nous étudions, par exemple, l’impact d’un traitement thermique avant fibrage (consolidation ou vitrification des poudres) sur les pertes optiques des fibres. Cette thèse a permis de mettre en évidence la pertinence des fibres optiques multi-matériaux pour atteindre des performances de guidage intéressantes dans les domaines de longueur d’onde de l’UV et de l’IR moyen. Une nouvelle technologie d’élaboration du matériau constituant le cœur de la fibre, appelé Procédé Poudre Modifié, a montré son caractère novateur et performant. Ce travail devra être poursuivi pour perfectionner le procédé, notamment au niveau des pertes optiques induites. L’association du PPM et des microstructures silice originales ouvre de grandes perspectives de recherche dans le domaine des fibres optiques. Il est envisageable de réaliser des fibres optiques composées de plus de 2 verres différents (pour un couplage des performances optiques de chaque matériau) ou bien à inclusions de nanoparticules métalliques ou semi-conductrices (création d’une nouvelle classe de métamatériaux) ou de terre rare (luminescence ou émission laser à des longueurs d’ondes non conventionnelles) etc…