FABRICATION ET APPLICATIONS DES FIBRES

FABRICATION ET APPLICATIONS DES FIBRES MICROSTRUCTUREES
Nicholas Traynor1, Achille Monteville1, Laurent Brilland1, Johann Troles2, Denis Tregoat1,4,
Laurent Provino1, Thierry Chartier3, et Thanh Nam Nguyen 3
1
PERFOS, 11 rue de Broglie, 22300 Lannion
Sciences Chimiques de Rennes, UMR 6226 CNRS - Université de Rennes 1,
Equipe Verres et Céramiques, Av Gal Leclerc, 35042 Rennes, France
3
Laboratoire Foton, CNRS UMR 6082, Enssat, BP 80518, 22305 Lannion cedex
4
ENIB-Laboratoire RESO, 29280 Plouzané, France
2
[email protected]
RESUME
Les fibres microstructurées trouvent des applications dans de nombreux domaines
grâce à leurs propriétés optiques remarquables. Leur fabrication est cependant délicate
et il est nécessaire de maîtriser la géométrie tout en évitant le risque de contamination.
Nous monterons les étapes critiques du procédé de fabrication ainsi que leurs impacts
sur les propriétés optiques pour les fibres à base de verre de silice et également à base
de verre de chalcogénure. Plusieurs applications seront présentées afin de souligner
l’importance du contrôle de fabrication.
MOTS-CLEFS : Fibres Optiques ; Optique Non-linéaire ; verre de chalcogénure
1. INTRODUCTION
Les fibres microstructurées, diversement connues sous les noms de fibres à cristal
photonique, ou fibres à bande interdite photonique, constituent un sujet de recherche et de
développement extrêmement actif depuis 19961. Ces fibres se distinguent par un très fort contraste
d’indice entre le verre et les trous d’air, ce qui donne lieu à des propriétés optiques particulières,
ouvrant de nouveaux champs d’applications dans les domaines des télécommunications, des sources
optiques et des capteurs.
2. FABRICATION DES FIBRES MICROSTRUCTUREES
Les préformes des fibres microstructurées en silice sont généralement fabriquées par la
technique de « stack and draw » (figure 1). Les éléments de base (capillaires et baguettes) sont
fabriqués par étirage de tubes et de barreaux en silice ultra pure ou dans certains cas de préformes
primaires fabriquées par méthode MCVD (modified chemical vapour deposition). L’assemblage, le
plus souvent de géométrie hexagonale, est constitué d’une baguette centrale, le futur cœur du guide,
entourée d’une ou plusieurs couronnes de capillaires. L’ensemble est placé à l’intérieur d’un tube
(appelé manchon), puis étiré pour former une canne. Celle-ci est manchonnée autant de fois qu’il
convient avec des tubes en silice de manière à obtenir l’homothétie (rapport de taille cœur/gaine)
souhaitée pour la fibre au final. Les performances de celle-ci sont étroitement liées à la qualité du
contrôle des dimensions des capillaires et de la maîtrise du procédé d’étirage de la canne. L’accès à
des niveaux de pertes acceptables nécessite par ailleurs d’apporter une attention particulière à l’état
de surface (intérieur et extérieur) des capillaires et des baguettes tout au long des étapes de
fabrication.
Le procédé de fibrage des préformes des fibres microstructurées est similaire à celui des
préformes plus classiques. L’extrémité est chauffée à très haute température (2000 °C) dans un four
à induction de manière à former une goutte en fusion. La fibre ainsi étirée est captée et entraînée
par un cabestan qui impose la vitesse de fibrage. Le diamètre de la fibre est mesuré en continu dès
la sortie du four. Un contrôle très précis de ce diamètre est assuré par une boucle de régulation
intégrant la vitesse de descente de la préforme, la vitesse de cabestan et la température du four. Un
double revêtement (primaire et secondaire) en polymère est appliqué pendant le fibrage afin
a)
b)
c)
d’améliorer les propriétés mécaniques de la
fibre.
Le
fibrage
des
préformes
microstructurées nécessite également un
système spécifique qui permet de contrôler
précisément la surpression à l’intérieur des
capillaires de manière à maîtriser la géométrie
des trous dans la fibre finale. Ce système de
surpression peut concerner une ou plusieurs
zones afin de contrôler de manière précise les
fibres de géométrie complexe.
d)
Figure 1 – Etapes de
fabrication
d’une
préforme pour fibre microstructurée. (a) Etirage des capillaires et baguettes en
silice ultra pure, (b) Assemblage autour de la baguette centrale (futur cœur de la
fibre), (c) Etirage de canne, (d) Manchonnage
Les préformes en verre de chalcogénure sont fabriquées par la même technique de « stack &
draw » avec une étape préalable de fabrication des tubes utilisés pour l’étirage des capillaires. Les
éléments constituants du verre (une combinaison de Ge, Ga, S, Sb, As, Se) subissent des étapes de
purification et de distillation et le verre est synthétisé dans une ampoule en silice sous vide. Un tube
de silice contenant ce verre de chalcogénure est placé dans un moule en inconel Ce dernier est porté
au-delà de la température de transition vitreuse (Tg) du verre de façon à ce que le verre soit liquide.
Le moule est ensuite positionné dans un dispositif mécanique le faisant tourner autour de son axe à
3000 tours/min. Après quelques minutes, la viscosité du verre est suffisamment importante pour
qu’un tube soit formé (figure 2). Le verre est alors trempé puis recuit à Tg pendant quelques heures.
Ces verres sont plus volatils que le verre de silice et un contrôle particulier de la température et de
l’atmosphère est nécessaire pendant toutes les étapes de fabrication afin d’éviter les problèmes de
dévitrification et de contamination.
Figure 2 – Tube en verre de chalcogénure fabriqué par « rotational casting » (gauche), préforme fabriquée par
« Stack & Draw » (centre) et fibre finale (droite)
3. APPLICATIONS DES FIBRES MICROSTRUCTUREES
La réduction des pertes dans les fibres microstructurées est un enjeu majeur pour de
nombreuses applications. La figure 3 représente les pertes optiques de 2 fibres réalisées à partir de
la même préforme mère. La courbe en trait plein représente l’atténuation d’une fibre avec un
diamètre de cœur de 9 µm, avec des pertes minimales de 0.9 dB/km à 1550 nm (correspondant aux
pertes intrinsèques des matières premières). La courbe en pointillés représente l’atténuation d’une
fibre avec un diamètre de cœur de 2.5 µm. Les pertes globales sont plus élevées mais les pertes
supplémentaires, liées aux OH (pics à 1383 nm), sont identiques à la fibre précédente, avec un
niveau qui correspond aux spécifications des matières premières (concentration OH de 0.6 ppm).
Pour atteindre ce résultat, difficile à obtenir avec des fibres microstructurées de faible aire
effective2, des étapes de polissage chimique et un contrôle parfait de l’atmosphère pendant toutes
les étapes de fabrication sont nécessaires. La trace OTDR de la deuxième fibre est parfaitement
linéaire sur 800m indiquant une bonne homogénéité de fabrication sur de grandes longueurs.
26
30
25
Backscatter (dB)
Loss (dB/km )
35
25
20
15
10
23
22
21
20
19
5
0
1000
y = -5.6552x + 27.074
R2 = 0.9989
24
18
1100
1200
1300
1400
1500
0.3
1600
0.5
0.7
0.9
1.1
Length (km)
Wavelength (nm)
Figure 3 – Pertes optiques (gauche) de deux fibres (photos) réalisées à partir de la même préforme mère.
Trace OTDR (droite) pour 800m de la fibre de faible aire effective.
Les faibles pertes de ces fibres, associées à leur faible aire effective, permettent l’exaltation
des effets non-linéaires. L’amplification Raman a été démontrée dans une longueur modeste de
fibres microstructurées (700 m) avec un coefficient de gain comparable aux fibres classique3 (figure
4a). La génération d’un supercontinuum de 3.2 W dans 300 m de fibre avec une pompe optique
continue de forte puissance a été observée sans trou spectral associé au pic OH4 (figure 4b).
(a)
(b)
20
18
on/off Gain (dB)
16
1295 mW
14
12
880 mW
10
8
580 mW
6
275 mW
4
2
0
1530
1540
1550
1560
1570
Wavelength (nm)
Figure 4 – Amplification Raman (a) et génération de supercontinuum (b) dans les fibres microstructurées de
faibles aires effective et faibles pertes
Au cours de cette communication, nous présenterons d’autres applications des fibres
microstructurées, notamment des fibres en verre de chalcogénure, dans les domaines des
télécommunications et des sources optiques.
REFERENCES
[1] J.C. Knight, T.A. Birks, P.St.J. Russell and D.M. Atkin, “All-silica single-mode optical fiber with
photonic crystal cladding”, Opt. Lett., 21, 1547-9 (1996).
[2] J. C. Travers, R. E. Kennedy, S. V. Popov, J. R. Taylor, H. Sabert and B. Mangan, “Extended
continuous-wave supercontinuum generation in a low-water-loss holey fiber”, Opt. Lett. 30, 1938-40
(2005).
[3] A. Monteville, D. Landais, O. LeGoffic, D. Tregoat, N.J. Traynor, T. N. Nguyen, S. Lobo, T. Chartier
and J.-C. Simon, “Low Loss, Low OH, Highly Non-linear Holey Fiber for Raman Amplification”, CLEO
O6 paper CMC1 (2006).
[4] J.C. Travers, B.A. Cumberland, S.V. Popov, J.R. Taylor, N. Traynor and A. Monteville, “Pump Format
Influence on Noise Characteristics and Spectral Extent of CW Continuum Generation in New Low water
loss Holey Fibers”, CLEO O6 paper CMGG5 (2006).
[5] Laurent Brilland, Fréderic Smektala, Gilles Renversez, Thierry Chartier, Johann Troles, Thanh Nam
Nguyen, Nicholas Traynor, Achille Monteville, “Fabrication of complex structures of Holey Fibers in
Chalcogenide glass”, Optics Express 14, 1280-85 (2005)