• Matériaux fibrés, fibre optique

    Matériaux fibrés, fibre optique

    Entourée d’une gaine protectrice, la fibre optique peut être utilisée pour conduire de la lumière entre 2 lieux distants de plusieurs centaines, voire milliers de km.

    Le signal lumineux codé par une variation d’intensité est capable de transmettre une grande quantité d’informations.

    Applications : télécommunications, capteurs, imagerie.

     

    Introduction

     

    Optoélectronique : science issue de l’union de l’optique et de l’électronique. Sources laser, fibres optiques.

    • Augmentation des débits d’information à transmettre
    • Augmentation de l’intensité délivrée
    • Accroissement de la cadence des impulsions
    • Multiplication des domaines de fréquence
    • Taille miniaturisée

    Coupler dans un même matériau, le phénomène d’amplification à une variation notable d’indice de réfraction sous l’interaction d’un faisceau lumineux intense.

    Matériaux purs pour éviter les phénomènes d’absorption et de diffusion de l’onde lumineuse à doper le matériau par des éléments actifs.

    Un système optique de transfert de signaux nécessite une source (laser semi-conducteur) et un détecteur. Entre les deux, se trouvent une fibre optique qui achemine les signaux et les composants permettant de modifier, régénérer et mélanger les signaux.

     

     

    I – La fibre optique

     

    Le transport de signaux optiques sur de longues distances nécessite l’utilisation de fibres optiques de très grande pureté chimique : limiter les pertes de propagation (entre 1,3 et 1,5 µm).

    La fibre doit avoir certains atouts :

    • une large bande passante en fréquence, une faible atténuation
    • une isolation électrique et électromagnétique
    • une petite taille et un faible poids
    • un faible coût de production industrielle

     

    II – Principe

     

    La structure guidante d’une fibre optique est constituée :

    • un milieu d’indice nc (cœur) centré sur l’axe de la fibre
    • entouré d’un matériau d’indice inférieur ng (gaine)

    Le rayon de cœur « a » varie de quelques µm à quelques centaines de µm. Le diamètre externe de la gaine varie de 50 µm à 1 mm (standard 125 µm).

    Un revêtement de résine acrylique, silicone ou téflon est appliqué pour augmenter la résistance mécanique et la résistance à la corrosion.

    • Propagation

    Une fibre optique est un guide d’onde diélectrique.

    Quand de l’énergie optique est injectée dans une fibre, celle-ci est répartie en distributions transversales de champs invariantes par translation : modes de propagation.

    Dans le cas d’une propagation sans perte, l’équation d’onde suit les équations de Maxwell.

     

    • Atténuation

    Perte en intensité d’une onde lumineuse lors de sa propagation (dB/km). 2 causes d’atténuation : inhérentes au matériau et celles causées par des imperfections des méthodes de fabrication.

    Atténuation intrinsèque de la silice pure :

    • Absorption dans l’UV (présence de GeO2 dans la silice) ou dans l’IR
    • Diffusion de Rayleigh (fluctuations locales de la susceptibilité électrique en fonction de la densité).

    Atténuation liées à la fabrication :

    • Absorption par les impuretés chimiques contenues dans la silice : métaux de transition provenant des précurseurs utilisés lors de l’élaboration (Fe, Co…) ; radicaux hydroxyles OH : la bande de vibration des OH recouvre celles de la silice à contrôle des espèces et de la teneur en OH lors de la synthèse.
    • Diffusion par des imperfections mécaniques et géométriques des fibres optiques : bulles, micro-craquelures, zones dévitrifiées, mauvaise interface cœur/gaine…

     

    • Dispersion

    Élargissement des signaux. L’indice de la silice varie non linéairement avec λ.

    La dispersion chromatique totale est la comme de la dispersion intrinsèque du matériau et de la dispersion liée à l’effet de guide. On peut la diminuer pour des λ > 1,3 µm.

    Réaliser des variations d’indice abruptes sur de courtes distances, c’est-à-dire maîtriser parfaitement les problèmes de diffusion des dopants dans la silice.

     

    • Spectroscopie

    Fibre optique : véhiculer l’information et réamplifier le signal.

    Principe de l’amplificateur : un faisceau est amplifié grâce à un apport extérieur d’énergie : pompage.

    Un amplificateur à fibres dopées terres rares est constitué d’un tronçon de fibres de quelques mètres dans lequel les ions sont incorporés. Les atomes des terres rares sont excités par pompage optique. Les états excités forment un réservoir.

    Le transfert de l’état excité peut se faire de deux manières :

    • Par émission spontanée : les états électroniques ne sont pas stables. Plus ou moins vite, l’atome revient à son état fondamental en émettant un photon.
    • Par émission stimulée.

    Système à 3 niveaux : le pompage des électrons dans le niveau N3. Par transition non radiative, ils peuvent transiter par un niveau N2 d’énergie inférieure. Cette relaxation non radiative est très rapide. Quand l’électron redescend à l’état fondamental, un photon est émis.

    Principe d’amplification : après pompage optique, une inversion de population entre 2 niveaux d’énergie appropriés se produit (N2 et N3). Le retour des électrons à l’état fondamental N1 déclenche l’émission de photons d’énergie amplifiée.

     

    III – Les matériaux

     

    • Matériaux vitreux et indice non linéaire

     

    Pour être un bon candidat en termes de non linéarité, le matériau doit avoir une variation rapide de l’indice de réfraction couplée à de faibles pertes optiques.

    Les polymères et les verres organiques sont à exclure à cause de leur faible stabilité chimique et physique (absorption résiduelle et T° de transition vitreuse basse).

    La fabrication de monocristaux est délicate et coûteuse. Choix orienté vers les matériaux vitreux inorganiques :

    • Faciles à élaborer et mettre en forme
    • Modulation de leurs propriétés optiques en modifiant leur composition chimique.

    Un verre est un liquide surfondu solidifié grâce à une augmentation brutale de la viscosité par refroidissement rapide à partir de la phase liquide. Les oxydes qui le composent sont classés en 2 groupes selon leur aptitude à former un verre :

    • Les formateurs de réseau capables de former un verre à eux seuls (SiO2, B2O3, GeO2, P2O5…)
    • Les modificateurs de réseau qui, par leur introduction, modifient les propriétés du verre. Oxydes alcalins ou alcalino-terreux (CaO, MgO, Al2O3, certains fluorures…)

    La variation de l’indice de réfraction d’un matériau, due à un champ électrique de forte intensité, est attribuée à la distorsion des nuages électroniques les plus éloignés du noyau. Donc plus les atomes sont gros, plus les électrons périphériques sont loin du noyau et donc sensibles au champ appliqué. Ils deviennent plus polarisables et hyperpolarisables.

    Les halogénures : indices non linéaires les plus faibles et difficiles à vitrifier. Ce ne sont pas de bons candidats.

    Les chalcogénures semblent les meilleurs candidats. Mais les verres séléniures, par exemple, ont des gaps électroniques qui empiètent dans le domaine de fréquence des télécommunications.

    Les oxydes : dans le proche IR, les verres oxydes ont l’avantage d’avoir un faible coefficient d’absorption et une faible dispersion d’indice. Donc la silice est utilisée comme guide d’onde. De plus, ils sont stables, faciles à vitrifier et mettre en forme. Bien que leur indice non linéaire soit faible, ils sont de bons candidats comme matrice vitreuse.

    L’ajout de certains ions modificateurs de réseau tend à augmenter leur indice.

    L’ajout d’ions (Al, Ti, Zr…) crée des liaisons ioniques qui augmentent la densité électronique des oxygènes impliqués et donc leur polarisabilité.

     

    • Matériaux amplificateurs à forte non linéarité optique

    Un matériau vitreux amplificateur est constitué d’un ensemble de cations appelés dopants inclus dans une matrice solide (silice).

    Choix des dopants : les terres rares ont été retenues pour leurs propriétés spectroscopiques (spectres d’absorption et d’émission étroits, durée de vie longue) à les lanthanides.

    Cette famille englobe le scandium (Z = 21), l’yttrium (Z = 39) et tous les éléments dont Z est compris entre 57 et 71. Ils se caractérisent par une sous-couche électronique 4f incomplète et des couches externes 5s, 5p et 6s remplies.

    Les ions de terres rares ont la propriété de posséder au sein de leur couche 4f des niveaux métastables. Ces systèmes peuvent être momentanément portés hors équilibre thermo. Cette propriété est mise à profit pour atteindre l’inversion de population nécessaire à l’émission laser.

    Cas de l’ion erbium : il présente une transition radiative vers 1,55 µm, zone à faible atténuation des fibres optiques. Au niveau fondamental, l’erbium a une configuration électronique [Xe] 4f1 5s2 5p6. Seuls les électrons 4f aux émissions radiatives.

    Par souci d’efficacité (absence d’absorption à l’état excité), seules les λ à 980 et 1540 nm sont retenues.

    Les diagrammes d’énergie et la nature des transitions dépendent fortement de l’environnement vu par les ions introduits. L’introduction d’autres dopants dans la matrice peut modifier les règles de transition entre les états d’énergie des différents ions.

    Excités par un signal de pompe (λ = 980 nm ou 1480 nm), les ions Er se relaxent via une longueur d’onde proche de 1,55 µm. une excitation à 1480 nm présente l’inconvénient d’être proche de la longueur d’émission à excitation à 980 nm.

     

    IV – Fabrication de fibres en silice

     

    • Préformes

    Les techniques sont basées sur l’oxydation de SiCl4, formant des particules submicroniques de silice amorphe qui sont déposées en couche.

    Elles sont ensuite consolidées et densifiées en silice vitreuse.

     

    Méthodes externes : OVD (Outside Vapor Deposition)

    Les techniques de dépôt externes utilisent l’hydrogène des réactifs quand ils traversent la flamme d’un chalumeau en translation dans l’axe de la future préforme.

    Les suies formées se consolident quand elles sont collectées par un mandrin en rotation.

    Les couches de cœur sont déposées en premier, suivies de la gaine. La préforme poreuse et humide (due à l’hydrolyse) est séchée et densifiée (1400-1600°C) sous atm réactive (He-Cl2-O2).

    Le profil d’indice est obtenu en changeant la composition de chaque couche.

     

    Méthode interne : MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition)

    Cette méthode oxyde les réactifs à chaud à l’intérieur d’un tube substrat en silice en rotation sur un tour de verrier.

    Les réactifs de haute pureté sont mélangés à de l’oxygène injecté dans le tube.

    Une réaction homogène en phase vapeur, dans la zone chaude créée par un chalumeau en translation le long du tube, produit des particules de silice. Elles se déposent sur la paroi du tube, en aval, et sont densifiées quand le chalumeau passe sous le dépôt.

    La température > 1300°C permet la réaction et la densification mais pas trop élevée pour ne pas endommager le tube.

    30 à 100 couches avec des compositions variables pour produire le saut d’indice. Cette méthode n’introduit pas d’OH (pression partielle de Cl2 dans le tube importante).

    Le tube est en suite rétreint par passes successives à T > 1600 °C.

     

    • Dopage des préformes par ions actifs en phase liquide (trempage)

    Souple et facile à mettre en œuvre. Elle est réalisée en cours de fabrication par MCVD ou OVD. La couche de cœur est déposée à plus faible T en un dépôt poreux. Elle est ensuite imbibée d’une solution aqueuse ou alcoolique d’ions de terres rares.

    Après 1 à 2h, la solution est séchée (600-800°C) pour ôter le solvant et les OH. Elle est ensuite consolidée et la préforme est rétreinte.

    Autres techniques : phase vapeur ou aérosol.

     

    • Fibrage

    Transforme la préforme en fibre optique par étirage à chaud.

    On installe la préforme verticalement dans un mandrin en translation verticale afin de la faire passer à vitesse réduite dans un four à induction HF.

    La transformation de la préforme en fibre s’effectue dans la zone chaude (2 cm) entre 1700 et 1900°C. La fibre est tirée de façon continue vers le bas à vitesse régulière de 1 à 30 m/s pour obtenir un diamètre de fibres constant (125 µm à ± 1 µm).

    La fibre est enduite d’une à 2 couches de résine polyuréthane polymérisée dans un four UV.


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