Etat deart des verres dopés aux ions terres rares: Application

République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scienti…que
Centre Universitaire d’El-oued
Institut de Sciences et Technologie
NoOrdre :.............
série :.....................
MEMOIRE
Présenté pour obtenir le diplôme de
Magister en Physique
Option: Rayonnement et Optoélectronique
Par
BEGGAS Azzeddine
Etat d’art des verres dopés aux ions terres rares:
Application Ampli…cateur Optique
Soutenu le : 04 / 11 /2010
Devant le jury composé de :
M. GUEDDA El habib M.C.A Centre Universitaire d’El-oued Président
M. REHOUMA Ferhat Pr. Centre Universitaire d’El-oued Rapporteur
M. AIADI Kamel eddine M.C.A U.K.M Ouargla Examinateur
M. BOUGUETTAIA Hamza Pr. U.K.M Ouargla Examinateur

Remerciements
Je tiens en premier lieu à exprimer mes plus vifs remerciements à Monsieur Rehouma Ferhat, mon Di-
recteur de mèmoire pour l’intéressant sujet qu’il m’a proposé.
Je lui suis également reconnaissant pour la con…ance qu’il ma accordée. Il m’est impossible de lui exprimer
toute ma gratitude en seulement quelques lignes.
J’adresse mes plus vifs remerciements aux examinateurs Monsieur Aiadi Kamel Eddine, Monsieur Bouguet-
taia Hamza pour avoir accepté d’examiner ce travail et Monsieur Guedda El Habib qui me fait l’honneur d’être
président du jury.
Je voudrais également remercier tous les membres du département de physique et tous ceux qui m’ont aidé
de près ou de loin pour achever ce travail.
Je tiens à remercier tous mes amis et mes collègues.
Je voudrais également remercier toute ma famille, ma mère, mes frères, mes sœurs, mon épouse et mes
…ls qui m’ont toujours soutenu et encouragé.
2

Table des matières
Introduction Générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
1 Le verre 9
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Histoire du verre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Qu’est-ce qu’un verre ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Structure du verre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 Verres pour l’optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6 Propriétés générales des verres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.7 Conclusion .............................................. 33
2 Spectroscopie des ions de terre rare dans les verres 37
2.1 Introduction.............................................. 37
2.2 Historique des terres rares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3 Con…guration électronique des lanthanides neutres et des ions Ln+3 ............... 38
2.4 Interaction des ions avec un rayonnement électromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5 Calcul des paramètres spectroscopiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.5.1 Section e¢ cace d’absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.5.2 Section e¢ cace d’émission stimulée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.5.3 Durée de vie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.6 Conclusion ............................................. 66
3 Verres dopés par des ions terres rares 69
3.1 Introduction ............................................ 69
3.2 Solubilité des ions terres rares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3

TABLE DES MATIÈRES
3.2.1 Terres rares dans les verres silicates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.2 Terres rares dans les verres phosphates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.3 Terres rares dans les verres ‡uorophosphates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.4 Propriétés des verres actifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3 Ampli…cation optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.1 Ampli…cateur optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.2 Laser ............................................. 80
3.4 Optique integrée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.5 Conclusion .............................................. 87
4 Etat d’art de matrices vitreuses dopées terres rares 90
4.1 Introduction.............................................. 90
4.2 Fabricants des verres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3 Matrices vitreuses dopées Erbium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4 Matrices vitreuses dopées Er et / ou Yb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.5 Matrices vitreuses dopées Nd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.6 Matrices vitreuses dopées terres rares(Sm, Dy, Tm, Ho, Pr) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.6.1 Comparaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.7 Conclusion ..............................................133
5 Modélisation de l’ampli…cation optique 143
5.1 Calcul du gain de l’ampli…cateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.2 Modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.2.1 Variation du gain en fonction de la puissance de pompe et de rayon du guide . . . . . 152
5.2.2 Variation du gain en fonction de la longueur du guide . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.2.3 Variation du gain en fonction de la puissance de pompe pour des di¤érentes concen-
trations en erbium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.2.4 Dépendance du gain avec la section e¢ cace d’émission et la durée de vie de l’état excité156
5.2.5 Pertes .............................................156
5.3 Conclusion ..............................................157
Conclusion Générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Annexe ............................................ ............ .162
4

Introduction Générale
La communication est un élément essentiel des sociétés humaines. Naturellement, celles-ci ont développé
des outils pour perfectionner les échanges aujourd’hui, les télécommunications ou communications à distance
ont pris une grande place dans l’économie de notre société. Les outils devenant de plus en plus performants. Les
télécommunications optiques sont la technologie actuelle qui transporte le plus d’information, elle la transmet
grâce à des rayons lumineux dans des …bres optiques [1]. Son principe de fonctionnement est basé sur la
ré‡exion totale de la lumière. La première démonstration scienti…que de ce phénomène a été faite en 1854
par un physicien irlandais Tyndall, dont l’expérience consistait à guider la lumière du soleil dans un jet d’eau
[2]. La première application fructueuse de la …bre optique eut lieu dans les années 1950, avec le …broscope
‡exible, permettant de transmettre une image le long d’une …bre de verre. Il fut particulièrement utilisé en
endoscopie pour observer le corps humain [2]. Les télécommunications par …bre optique ne furent possible
qu’après l’invention du laser. A partir de 1970, l’apparition des sources laser à 1300 nm [1], et les …bres
commencèrent à remplacer les …ls de cuivre, grâce à la fabrication par trois scienti…ques de la société "Corning
Glass Works" de la première …bre avec de pertes acceptables (20dB/km) [2]. Cette …bre était en mesure
de transporter 65 000 fois plus d’information que le simple …l de cuivre traditionnel [3]. L’avantage des …bres
optiques sur les …ls de cuivre est énorme. Tout d’abord, les …bres optiques permettent de transporter une grande
quantité d’information en même temps, grâce à une grande largeur de bande, de plus, le signal est beaucoup
moins atténué, ce qui permet de limiter le nombre des répéteurs, ils ont une bonne isolation électromagnétique
et électrique et une petite taille et un faible poids. En…n, les …bres ne demandent pas d’entretien particulier
et ont une très bonne durabilité chimique, alors que les …ls de cuivre se dégradent vite à cause de la corrosion.
En 1986, le premier câble optique sous-marin a été installé, son débit est de 280 Mbit/s (soit environ 4000
voies) [3], les ampli…cateurs utilisés alors sont électroniques, le signal lumineux doit être converti en signal
électronique pour être ampli…é puis reconverti en signal lumineux [1].
Le débit de ces lignes est limité par la rapidité de composants électroniques des ampli…cateurs, ainssi ce
système comporte de nombreux éléments et coûte donc cher en installation et en maintenance, et il fonctionne
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