Nouveaux matériaux pour l`optique : étude et réalisation de

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 multi-
matériaux 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…