203_AlChoueiry_present
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Nanoparticules de silicium pour l’amplification dans les fibres dopées erbium A. A. Choueiry1, A.-M. Jurdyc1, B. Jacquier1, C.-C. Kao2, B. Gallas2, L. Bigot1 1Laboratoire de Physico Chimie des Matériaux Luminescents (LPCML), CNRS-UMR 5620, Université Lyon1, Domaine Scientifique de La Doua, bât A. Kastler, 10 Rue André Marie Ampère 69622 Villeurbanne cedex, France. 2Laboratoire d’Optique des Solides (LOS), CNRS-UMR 7601, Université P. et M. Curie, case 80, 4 place Jussieu, 75252 Paris Cedex 05, France. Introduction: fenêtres de télécommunication et ions de terre rare Praséodyme Thulium Erbium L’atténuation d’une fibre optique de silice, même faible, impose l’utilisation d’amplificateurs. Dans ce domaine, ce sont les solutions à base d’ions de terres rares qui sont privilégiées. Introduction Principe de fonctionnement d’un amplificateur optique (EDFA) 4I 11/2 G ap N L 4I lpompe=980nm 13/2 lsignal=1540nm lpompe=1480nm lémission=1540nm 4I Er3+ 15/2 Pompage à l’aide d’une diode laser; Section efficace d’absorption des ions Er3+ de l’ordre de 10-21cm2 . Nc-Si Sensibilisateur pour l’erbium Énergie Comparaison de (eV) la position des bandes d’émission et d’absorption des nc-Si 1 1.27eV 0.98mm Dépendance de la largueur de la bande interdite des Nc-Si;1.54mm 0.8eV 0,8 4 4I3 0,6 0,4 4I 0,2 4I 0,0 200 Nc Si 5 Si TA°C 1A 46% 1250 3A 42% 1250 5A 39% 1250 5B 39% 1200 2 1.54mm 400 600 800 Wavelength (nm) 1000 1 IPL (arb. units) Section efficace 0.80mm d’absorption des Nc-Si 1.55eV est très intense; Absorbance (arb. units) 1,0 9/2 11/2 13/2 0 1200 4I Er3+ 15/2 Mise en évidence de l’efficacité du transfert d’énergie entre les nc-Si et les ions Er3+ en 1998 2 . Augmentation de la eff des ions Er3+ due au transfert. Gain de 3dB/cm obtenu en excitant un guide d’onde de silice contenant des nc-Si et dopé par des ions Er3+ à l’aide d’une DEL à 470nm en 2004 3. 1 L. Dal Negro et al., Optical gain in PECVD grown silicon nanocrystals, Proceedings SPIE vol. 4808 (2002), 13-17 2 M. Fuji et al., Photoluminescence from SiO2 containing Si nanocrystals and Er: Effects of nanocrystalline size on the photoluminescence efficiency of Er3+, J. Appl. Phys., (1998), 4525-4531 3 J. Lee et al., Optical gain at 1.5mm in nanocrystal Si sensitized, Er-doped silica waveguide using top-pumping 470nm LED, PD, OFC (2004) Échantillons Couche minces SiOx : Er x < 2 excès de Si formation d’agrégats de Si X (SiOx) [Er] % Épaisseur (mm) SiOEr07 1.034 1 0.502 SiOEr10 1.117 0.06 0.378 SiOEr08 1.211 0.25 0.46 SiOEr02 1.281 0.11 0.58 SiOEr11 1.344 0.02 0.504 SiOEr06 1.647 0.04 0.17 SiOEr09 1.777 0.03 0.62 SiOEr07 1 SiOEr08 [Er] % Échantillon SiOEr02 0,1 SiOEr10 SiOEr06 SiOEr09 SiOEr11 SiOEr12 0,01 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 x (SiOx) 3+ Concentration des ions Er en fonction de la stoechiométrie x Deux types de traitement thermique: 8500C (1h sous vide) + 9000C (1h sous vide) +10000C (1h sous N2) 8000C (2h sous vide) +10000C (1h sous N2) Échantillons élaborés au Laboratoire d’Optique des Solides (LOS) Paris VI 0,1 0,01 0 1 2 3 1 1,0 2 lexc=980nm lexc=470nm 0,8 ldet=1540nm Intensité (u.a) Intensité normalisée(u.a) 1 Intensité de la PL (u.a.) Transfert d’énergie entre les Nc-Si et les ions Er3+ 0,6 ldet=1540nm lexc=470nm 0,4 0,2 0,0 0,0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0,1 0,2 Temps(ms) Temps(ms) Longueur d’onde (nm) En absence des nc-Si (courbe2) : faible émission des ions Er3+ à 1540nm; En présence des nc-Si (courbe1) : émission dans le visible due au nc-Si et augmentation de l’émission des ions Er3+ à 1540nm; Évidence du transfert d’énergie entre les nc-Si et les ions Er3+. Détermination de la section efficace effective d’absorption (eff) des ions Er3+ L’intensité de la fluorescence des ions Er3+ à 1540nm est donnée par : 1 exp( ( 1)t) 1 I(t) eff eff eff Méthode 1 Méthode 2 1,0 Imax Imax Intensité normalisée 0,8 Imax 0,6 P1 P2 P3 I0(1-1/e) 0,4 0,2 P1 P2 P3 0,0 0 2 4 6 8 10 12 0 14 2 4 6 Temps Temps 1 1 on Pl hcS I I 1 eff sat eff 8 10 Détermination de eff des ions Er3+: Montage expérimental Hacheur de faisceau Miroir Lentille Laser Détecteur Si Lame à face // 3+ Absorption Er 2 Sections efficaces d'absorption (*10 cm ) -21 -21 3+ 14 2 Sections efficaces d'absorption (*10 cm ) échantillon Absorption Er 25 oscilloscope PM Monochromateur 20 2 15 10 5 4 4 F5/2 4 F3/2 457nm H11/2 488nm 514nm F7/2 4 S3/2 0 420 440 460 480 500 520 540 Longueur d'onde (nm) 560 580 600 12 10 8 6 4 2 0 700 4 720nm 770nm 4 750 I11/2 980nm I9/2 800 850 900 950 Longueur d'onde (nm) 1000 1050 1100 Méthode 1 : Inverse du temps de montée en fonction du flux des photons lexc(nm eff (x107001) 1 17cm2)600 514 725 1.9 1.5 0,8 Section efficace effective d'absorption normalisée 488 24 1/on(s ) 457 -1 on 1,0 500 400 300 Section effective efficace d’absorption (eff) 0,6 0,4 0,2 Durée de vie () de 4I13/2 des Er3+ 0,0 200 0.3 450 500 0.2 600 650 700 750 800 longueur d'onde d'excitation (nm) 100 770 550 0 0 5 lexc augmente eff diminue ; 10 15 20 25 17 30 2 Flux de photons(x10 /cm s) Durée de vie du niveau 4I13/2 de l’ordre de 2ms. Méthode 2 : Variation de l’intensité à 1540nm des Er3+ en fonction du flux des photons Isat intensité à la saturation 6000 I I 1 eff sat eff Intensité (u.a.) 5000 4000 l exc=488nm l det=1540nm 3000 2000 1000 0 0 2 4 6 19 8 10 2 Flux des photons (x10 photons/cm s) eff (deuxième méthode) 16x10-17cm2 eff (première méthode) 1.9x10-17cm2 Conclusions et Perspectives Vérification de l’efficacité du transfert d’énergie entre les nc-Si et les ions Er3+ ; Utilisation d’une nouvelle technique de détermination de la section efficace d’absorption (SEA), Vérification de l’augmentation de la valeur de la section efficace de quatre ou cinq ordres de grandeur; Déterminer les limites de cette nouvelle technique; Étudier l’effet des dimensions des nc-Si et de la concentration des ions Er3+ sur le transfert d’énergie, l’environnement des ions erbium.
