FR2952634A1 - Fibre en silice dopee en terre rare a faible ouverture numerique - Google Patents

Fibre en silice dopee en terre rare a faible ouverture numerique Download PDF

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Abstract

L'invention se rapporte à une fibre optique amplificatrice comprenant un cœur central adapté à transmettre et amplifier un signal optique, une gaine optique entourant le cœur central et adaptée à confiner le signal optique transmis dans le cœur. Le cœur central est formé d'une matrice principale contenant des nanoparticules, les nanoparticules comprenant une matrice et des éléments dopants terre rare. La matrice principale du cœur central comprend également un dopant supplémentaire. La fibre est caractérisée en ce que la concentration en poids dans le cœur des éléments dopants terre rare est comprise entre 200 et 1000 ppm, la concentration en poids dans le cœur de la matrice des nanoparticules est comprise entre 0,5 et 5% en poids (wt%), de préférence entre 1,5 et 4wt%, et la concentration en poids dans le cœur du dopant supplémentaire est comprise entre 1% et 10wt%.

Description

FIBRE EN SILICE DOPEE EN TERRE RARE A FAIBLE OUVERTURE NUMERIQUE La présente invention concerne le domaine des fibres optiques et plus spécifiquement une fibre optique amplificatrice adaptée à amplifier les signaux optiques transmis. Les fibres amplificatrices peuvent être utilisées notamment comme amplificateur de ligne de transmission haut débit. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une telle fibre. Les fibres amplificatrices, et notamment les fibres dopées avec des éléments terre rare, sont couramment utilisées pour de nombreuses applications optiques. Par exemple, le dopage Erbium est utilisé dans les systèmes de télécommunication optiques longue distance pour amplifier des signaux optiques transmis. De telles fibres sont utilisées dans les EDFAs, acronyme anglo-saxon pour « Erbium Doped Fiber Amplifier », et présentent un coeur central composé d'une matrice de silice comprenant des éléments dopants terre rare tels que l'Erbium à des concentrations de l'ordre de 250 à 1000 ppm (0,025 à 0,1 wt%). Ces éléments dopants terre rare sont éventuellement associés à des éléments dopants complémentaires permettant d'améliorer l'amplification, comme par exemple de l'alumine, pour élargir la bande de gain pour des applications de multiplexage en longueurs d'onde WDM (Wavelength Division Multiplexing). De manière connue en soi, l'amplification optique dans une fibre dopée terre rare fonctionne en injectant dans la fibre un signal de pompe qui excite les éléments terre rare (par exemple Er3+dans EDFA). Lorsqu'un signal lumineux passe à travers cette portion de fibre optique, il désexcite les éléments par émission stimulée en produisant un photon en tout point identique au photon incident. Le signal lumineux a donc été doublé. La performance d'une fibre optique dopée en terre rare est généralement exprimée par l'efficacité de conversion de puissance ou PCE (Power Conversion Efficiency en anglais) qui donne le rapport entre le gain de la fibre amplificatrice et la puissance de pompe utilisée pour obtenir ce gain, selon l'expression suivante : s s PCE = 1 °u` P Pn P. an R:130600A30620 AOB\30620--091112-texte dépot.doc - 13/11/09 - 12:11 - 1/19 où PP est la puissance de pompe en entrée, ] est la puissance du signal d'entrée, et Put est la puissance du signal amplifié de sortie. Pour certaines applications, on souhaite obtenir de fortes puissances en sortie de la fibre amplificatrice.
Une solution consiste à augmenter la concentration des dopants terre rare dans le coeur de la fibre afin d'augmenter le gain d'amplification. Cependant, lorsque la concentration de dopants terre rare dans le coeur de la fibre est importante, on observe la formation de paires, voire d'agrégats d'éléments terre rare dans la matrice de silice du coeur, créant des inhomogénéités de dopage.
Ces inhomogénéités de dopage nuisent à l'efficacité d'amplification de la fibre en raison de l'existence simultanée de mécanismes autres que celui réalisant l'amplification. Ces transferts d'énergie intempestifs (processus coopératifs entre éléments terre rare) concurrencent l'émission stimulée limitant ainsi le gain de l'amplification. De tels agrégats d'éléments terre rare accentuent aussi les dégradations photoniques qui peuvent se produire dans le coeur de la fibre à forte puissance lors de la propagation de signaux lumineux dans la fibre, du fait de défauts cristallins présents dans la matrice de silice du coeur. Une autre solution consiste à augmenter la puissance du signal de pompe. Cependant en fonction de la valeur de l'ouverture numérique de la fibre, l'efficacité 20 de la conversion d'énergie peut s'en trouver diminuée. La figure 1 présente l'évolution de l'efficacité de la conversion de puissance PCE en fonction de la puissance du signal de pompe. La figure 1 présente les courbes acquises pour des valeurs d'ouverture numérique variant entre 0,14 et 0,30. L'ouverture numérique est un paramètre optique de la fibre optique qui peut 25 être approximé par l'expression suivante : ON=. jnc ù ng Où ne est l'indice de réfraction du coeur de la fibre et ng l'indice de réfraction de la gaine de la fibre. On observe que l'efficacité de la conversion d'énergie varie en fonction de la puissance de pompe. En particulier pour une valeur d'ouverture 30 numérique élevée, le maximum de l'efficacité de conversion d'énergie se présente pour des valeurs de puissance de pompe faibles. Par exemple pour une ouverture numérique de 0,30 le maximum de l'efficacité de conversion d'énergie se trouve à
R:130600A30620 AOB/30620--091112-texte dépot.doc - 13/11/09 - 12:11 - 2/19 une valeur de signal de pompe d'environ 75mW. Au contraire pour une valeur d'ouverture numérique faible, le maximum de l'efficacité de conversion d'énergie se présente pour des valeurs de puissance de pompe élevées. Ainsi pour une ouverture numérique de 0,14, la valeur maximale de l'efficacité de conversion d'énergie se trouve à une puissance de pompe d'environ 500mW. En particulier, pour une valeur d'ouverture numérique inférieure à 0,18, l'efficacité de conversion énergétique à une puissance de pompe élevée, par exemple 500mW, devient supérieure à 0,50. De plus, la courbe varie peu sur une gamme 350-500mW, il est donc possible de varier la puissance de pompe sur cette gamme sans une modification notable du PCE. Ainsi, pour une valeur d'ouverture numérique donnée il existe un maximum pour l'efficacité de conversion d'énergie, et diminuer l'ouverture numérique déplace le maximum de l'efficacité de conversion d'énergie vers les valeurs de puissance de pompe élevées.
L'explication de ce phénomène vient de ce que, à mesure que la puissance de pompe injectée dans la fibre augmente, les fortes densités de puissance présentes dans le coeur induisent un effet non-linéaire appelé absorption à l'état excité ou ESA (Excited State Absorption en anglais). Dans ce phénomène, deux photons de pompe sont absorbés par un élément terre rare, ce qui excite l'élément terre rare à des niveaux d'énergie supérieurs à celui à partir duquel l'amplification est possible. En se relaxant de manière non radiative vers ce dernier, l'élément terre rare va contribuer à l'amplification mais aura consommé deux photons de pompe au lieu d'un seul. Ce mécanisme de perte se traduit donc directement par une baisse du rendement et donc une diminution du PCE. Autrement dit, l'obtention d'un gain donné exigera des puissances de pompe plus élevées en présence d'ESA. En diminuant l'ouverture numérique, le diamètre de mode (Mode Field Diameter en anglais) de la pompe augmente, ce qui diminue la densité de puissance de la pompe dans le coeur, réduisant ainsi l'ampleur de l'ESA, et donc améliorant l'efficacité de conversion (PCE).
La forme de gain d'une fibre amplificatrice désigne la valeur du gain en fonction de la longueur d'onde du signal incident. Par exemple, une fibre dopée à l'erbium est avantageusement utilisée dans la bande C (1530 û 1565 nm). Une fibre
R:130600A30620 AOB\30620--091112-texte dépot.doc - 13/11/09 - 12:11 - 3/19 dopée à l'erbium présente classiquement une largeur de gain d'environ 30-35 nm dans la bande C, et une ouverture numérique de 0,23. Pour des applications de haute puissance il est recherché de pouvoir diminuer l'ouverture numérique pour ne pas perdre en efficacité d'amplification tout en conservant les caractéristiques du gain. La publication "Novel erbium doped fiber for high power applications", Passive Components and Fiber-based Devices, B.S. Wang et al, Proceedings of the SPIE, vol 5623, pp 411-417, 2005 spécifie que les fibres dopées en terre rare à haute puissance pour des applications de multiplexage en longueur d'onde WDM (Wavelength-Division Multiplexing) nécessitent d'optimiser la conception du guide d'onde optique afin d'assurer un bon recouvrement entre le diamètre de mode et les éléments terre rare, tout en optimisant également la conception de la composition du dopage, par exemple la dispersion de l'élément terre rare, ou l'environnement chimique, afin de déterminer la forme de gain de la fibre EDFA. En particulier le document présente une fibre dopée en erbium. La fibre du document est utilisable à une puissance de pompe de 600mW. Cependant le dopage en erbium est accompagné d'une forte concentration en un élément dopant complémentaire l'aluminium, supérieure à 12 mol%, pour améliorer la largeur de gain. Or l'aluminium induit également une augmentation de la différence d'indice du coeur ainsi que des pertes de fond. Il est possible de contrer cette augmentation en insérant du fluor qui diminue la différence d'indice. Mais l'insertion du fluor est limitée car au-delà d'une certaine concentration le fluor modifie la largeur du gain, en particulier dans la bande C. Ainsi, pour préserver le gain dans la bande C, la fibre décrite dans le document ne peut présenter une ouverture numérique inférieure à 0,176.
Le document EP-A-1152502 décrit une fibre optique dopée par de l'erbium avec de l'alumine pour améliorer le dopage en terre rare. La fibre comprend également du germanium afin d'optimiser la valeur de la différence d'indice entre le coeur et la gaine pour obtenir une ouverture numérique comprise entre 0,11 et 0,21. Cependant l'application visée est la bande L (1565 ù 1625 nm).
Par ailleurs il est connu d'introduire les dopants terre rare dans le coeur de la fibre en incorporant des nanoparticules dopées avec des éléments terre rare par MCVD. Par exemple, les documents EP-A-1 347 545 ou WO-A-2007/020362 décrivent des fibres optiques comprenant des nanoparticules dans le coeur de la fibre.
R:130600A30620 AOB\30620--0911124exte dépot.doc - 13/11/09 - 12:11 - 4/19 Les nanoparticules décrites dans ces documents comprennent un élément dopant terre rare et au moins un élément améliorant l'amplification du signal, tel que de l'aluminium, du lanthane, de l'antimoine, du bismuth ou autre. En particulier le document FR0806752 présente une fibre optique dopée en terre rare par des nanoparticules et permettant d'obtenir de fortes puissances. Les caractéristiques des nanoparticules et du dopage sont sélectionnées pour assurer un gain élevé dans la fibre. En particulier la concentration en éléments terre rare est élevée afin d'améliorer le gain de la fibre. Cependant le document ne divulgue pas une fibre présentant une ouverture numérique faible pour des applications de haute puissance. Il existe donc un besoin pour une fibre optique dopée en terre rare qui présente une ouverture numérique réduite pour une application à de grandes puissances de pompe, avec une forme de gain non dégradée. A cet effet, l'invention propose d'incorporer les dopants terre rare dans le coeur sous forme de nanoparticules. Le coeur est composé d'une matrice principale à base de silice contenant les nanoparticules. Les nanoparticules comprennent une matrice et des éléments terre rare. Le coeur comprend également des dopants supplémentaires. La composition chimique et la structure de l'ensemble assurent de pouvoir ajuster l'ouverture numérique entre 0,10 et 0,18 sans dégrader les performances de l'amplificateur. L'invention concerne ainsi une fibre optique amplificatrice comprenant : - un coeur central adapté à transmettre et amplifier un signal optique, - une gaine optique entourant le coeur central et adaptée à confiner le signal optique transmis dans le coeur, le coeur central étant formé d'une matrice principale contenant des nanoparticules, les nanoparticules comprenant une matrice et des éléments dopants terre rare, la matrice principale du coeur central comprenant également un dopant supplémentaire, caractérisée en ce que : - la concentration en poids dans le coeur des éléments dopants terre rare est 30 comprise entre 200 et 1000 ppm, - la concentration en poids dans le coeur de la matrice des nanoparticules est comprise entre 0,5 et 5% en poids (wt%), de préférence entre 1,5 et 4wt%,
R:130600A30620 AOB\30620--091112-texte dépot.doc - 13/11/09 - 12:11 - 5/19 - la concentration en poids dans le coeur du dopant supplémentaire est comprise entre 1 et lOwt%. Selon un mode de réalisation, l'ouverture numérique est comprise entre 0,10 et 0,18.
Selon un mode de réalisation, le dopant supplémentaire est choisi parmi du germanium, du fluor, de l'aluminium, du phosphore, ou une combinaison de ces éléments. Selon un mode de réalisation, la matrice principale du coeur central est de la silice.
Selon un mode de réalisation, les nanoparticules présentent un rapport molaire entre la matrice de nanoparticule et les éléments dopants terre rare compris entre 100 et 500, de préférence entre 150 et 350. Selon un mode de réalisation, la concentration des nanoparticules dans le coeur central est comprise entre 1016 et 1018 NPs/cm3.
Selon un mode de réalisation, la matrice des nanoparticules est de l'alumine (Al203). Selon un mode de réalisation, l'élément dopant terre rare est choisi parmi de l'erbium (Er), de l'ytterbium (Yb), du thulium (Tm) ou une combinaison de ceux-ci. Selon un mode de réalisation, la concentration en éléments dopants terre rare dans le coeur central est comprise entre 200 et 400 ppm, et la concentration en poids dans le coeur central de la matrice des nanoparticules est comprise entre 2,5 et 3,5wt%. Selon un mode de réalisation, la fibre optique de l'invention présente une largeur de gain de 30 à 35 nm pour la bande C (1,53-1,56 µm).
L'invention concerne également un amplificateur optique comprenant au moins une portion de fibre selon l'invention, utilisant une puissance de pompe comprise entre 500 mW et 1,5 W. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une préforme primaire de la fibre selon l'invention comprenant les étapes consistant à : - déposer une couche poreuse à base de silice contenant un dopant supplémentaire sur la surface interne d'un tube en silice, la couche poreuse formant le coeur central de la fibre ;
R:130600A30620 AOB\30620--091112-texte dépot.doc - 13/11/09 - 12:11 - 6/19 - imprégner la couche poreuse avec une suspension de nanoparticules dopées en éléments terre rare, la concentration en poids des éléments dopants terre rare dans la couche poreuse étant comprise entre 200 et 1000 ppm, la concentration en poids dans la couche poreuse de la matrice des nanoparticules étant comprise entre 0,5 et 5% en poids (wt%) de préférence entre 1,5 et 4wt %, et la concentration en poids en dopant supplémentaire étant comprise entre 1 et lOwt%. Selon un mode de réalisation du procédé de fabrication selon l'invention, le dopant supplémentaire est choisi parmi du germanium, du fluor, de l'aluminium, du 10 phosphore, ou une combinaison de ces éléments. Selon un mode de réalisation, le procédé de fabrication selon l'invention comprend en outre une étape consistant à réaliser un traitement thermique de la couche poreuse imprégnée à une température supérieure à 1000°C pendant au moins une heure. 15 Selon un mode de réalisation du procédé de fabrication selon l'invention, la matrice des nanoparticules est de l'alumine, et l'élément dopant terre rare est de l'erbium, le rapport molaire entre l'alumine et l'erbium étant compris entre 100 et 500, de préférence entre 150 et 350. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de 20 la description qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1, déjà décrite, présente l'évolution du PCE en fonction de la puissance de pompe et de l'ouverture numérique; - la figure 2 présente le profil d'indice d'un exemple de fibre selon l'invention, 25 ainsi que les distributions de puissance de la pompe et du signal transmis par l'exemple de fibre selon l'invention. Une fibre optique est classiquement composée d'un coeur optique, ayant pour fonction de transmettre et éventuellement d'amplifier un signal optique, et d'une gaine optique, ayant pour fonction de confiner le signal optique dans le coeur. A cet 30 effet, les indices de réfraction du coeur ne et de la gaine ng sont tels que nc>ng. On entend gaine optique par opposition avec la gaine extérieure constituée par la recharge de la préforme primaire de la fibre. Typiquement, le coeur central et la gaine optique sont obtenus par dépôt en phase gazeuse (CVD, OVD, VAD, etc). Dans le
R:130600A30620 AOB\30620--091112-texte dépot.doc - 13/11/09 - 12:11 - 7/19 cas d'un procédé de type CVD, la gaine extérieure est constituée du tube de dépôt et éventuellement d'une recharge ou d'un manchonnage. En général, les éléments peu volatiles (terres rares, aluminium, etc) sont incorporés par imprégnation d'un barreau de silice poreux lors d'une opération de CVD pour former le coeur de la préforme primaire. Typiquement, une fibre dopée en terre rare comprend des éléments dopants complémentaires qui améliorent l'amplification, en empêchant les interactions des éléments terre rare entre eux et avec les défauts cristallins. Pour cela les éléments dopants complémentaires doivent entourer les éléments terre rare. Lors d'un dopage de la fibre par une solution contenant des ions de terre rare, la concentration en éléments dopants complémentaires est très élevée pour s'assurer que chaque élément terre rare dans le coeur est entouré par des éléments dopants complémentaires. Or ces éléments dopants complémentaires modifient l'indice de réfraction du coeur. La forte concentration en éléments dopants complémentaires nécessaire pour avoir un bon gain dans la fibre empêche d'obtenir une faible différence d'indice du coeur, et une faible ouverture numérique. Le coeur de la fibre de l'invention est formé d'une matrice principale à base de silice contenant des nanoparticules. Les nanoparticules sont dopées avec des éléments terre rare. Lors d'un dopage de la fibre par l'insertion de nanoparticules dopées en terre rare, les éléments dopants complémentaires forment la matrice des nanoparticules. La matrice des nanoparticules entourant l'élément terre rare, il y a donc un meilleur contrôle de l'environnement de chaque élément terre rare. Lorsqu'on effectue le dopage à l'aide des nanoparticules, on est assuré que les éléments complémentaires entourent les éléments de terre rare. Donc une forte concentration en éléments dopants complémentaires n'est pas nécessaire. La modification de l'indice de réfraction du coeur induit par l'élément dopant complémentaire est donc limitée. La fibre présente une concentration en éléments terre rare et en élément dopant complémentaire qui assure la propriété amplificatrice de la fibre sans perturber la différence d'indice de la fibre. Ainsi le coeur de la fibre peut présenter une différence d'indice faible avec la gaine permettant d'atteindre une ouverture numérique faible sans dégrader la largeur de gain de la fibre. Ainsi, la fibre de l'invention peut présenter une ouverture numérique faible jusqu'à 0,10. Des éléments dopants
R:130600A30620 AOB\30620--091112-texte dépot.doc - 13/11/09 - 12:11 - 8/19 supplémentaires insérés dans la matrice du coeur peuvent alors modifier l'indice de réfraction du coeur. Ceci est illustré par le tableau 1 qui présente des exemples de correspondance entre une différence d'indice Anc du coeur et l'ouverture numérique ON. 5 TABLEAU 1 ON Anc 0,13 0,16 0,17 0,14 0,18 0,15 0,10 3,5X10-3 0,12 5x10-35,8x10-3 6,7x10-3 7,7x10-3 8,8x10-3 9,9x10-3 11,1X10] La fibre selon l'invention présente une différence d'indice du coeur comprise entre 3,5x103 et 1 1 X 10-3, permettant d'atteindre une ouverture numérique comprise entre 0,10 et 0,18. 10 La matrice principale du coeur est à base de silice. Par exemple la matrice principale du coeur peut être de la silice pure. Les nanoparticules dopées avec des éléments terre rare comprennent une matrice dont la composition et la structure favorisent la solubilisation des éléments terre rare. Cette matrice est distincte de la matrice principale du coeur central de la 15 fibre. La matrice des nanoparticules est composée d'un oxyde qui permet la dissolution de forte concentration d'éléments terre rare, assure les propriétés de gain de la fibre, et maintient une barrière physique entre les dopants terre rare et les défauts cristallins de la matrice principale du coeur de la fibre. La matrice des 20 nanoparticules n'apporte pas des défauts gênants pour l'efficacité d'émission en fonction du temps d'utilisation. De plus la matrice des nanoparticules est résistante aux conditions de fabrication de la fibre. La matrice des nanoparticules peut être de l'alumine (Al203). L'alumine permet une bonne répartition des dopants terre rare dans la nanoparticule et permet 25 d'élargir le gain d'amplification dans la fenêtre spectrale pour les applications WDM. L'alumine induit une augmentation de la différence d'indice du coeur, à raison de 3X10-3 par pourcentage massique. Cependant la faible concentration en alumine rendue possible grâce au dopage par des nanoparticules permet de limiter cette augmentation de la différence d'indice. R:130600A30620 AOB\30620--091112-texte dépot.doc - 13/11/09 - 12:11 - 9/19 La matrice des nanoparticules peut aussi contenir du phosphore par exemple dans le cas d'un co-dopage Er/Yb, afin de favoriser l'efficacité d'absorption de l'erbium par transfert d'énergie de l'ytterbium vers l'erbium. Les éléments terre rare utilisés dans le cadre de la présente invention sont des ions d'un même élément chimique terre rare. L'élément chimique terre rare peut être de l'erbium, de l'ytterbium, du thulium, ou une combinaison de ceux-ci, ou encore tout autre élément terre rare permettant une amplification par pompage optique sur une fenêtre spectrale donnée. En particulier, l'élément chimique terre rare peut être de l'erbium pour une amplification dans la bande C.
Dans le coeur central de la fibre, l'élément terre rare présente une concentration de 200 à 1000 ppm et la matrice de nanoparticule présente une concentration comprise entre 0,5 et 5% en poids (wt%), de préférence entre 1,5 et 4wt%. De préférence, dans le coeur central de la fibre, la concentration en éléments dopants terre rare peut être comprise entre 200 et 400 ppm, et la concentration en poids de la matrice des nanoparticules peut être comprise entre 2,5 et 3,5wt%. Les nanoparticules peuvent présenter un rapport molaire entre la matrice de nanoparticule et les éléments dopants terre rare qui est compris entre 100 et 500, de préférence entre 150 et 350. Le coeur de la fibre peut également présenter une concentration de nanoparticules comprise entre 1016 et 1018 NPs/cm3.
Les concentrations en éléments terre rare et en matrice de nanoparticule permettent d'obtenir une faible ouverture numérique sans dégrader la forme de gain, pour des applications de haute puissance. En particulier, les concentrations en erbium et en matrice de nanoparticules dans le coeur permettent d'obtenir une largeur de gain de 30-35nm dans la bande C, avec une augmentation limitée de la différence d'indice du coeur, permettant d'obtenir une faible ouverture numérique. La matrice du coeur comprend un dopant supplémentaire ayant une concentration en poids comprise entre 1 et l Owt% pour ajuster la différence d'indice entre le coeur et la gaine. Ainsi l'ouverture numérique est ajustable entre 0,10 et 0,18, grâce aux éléments dopants supplémentaires de la matrice du coeur. La composition de la matrice principale du coeur permet donc d'optimiser l'ouverture numérique de la fibre. Le dopant supplémentaire peut être du fluor, du germanium, du phosphore, de l'aluminium, ou encore une combinaison de ces éléments, ou tout autre élément assurant le saut d'indice nécessaire au guidage du signal optique dans
R:130600A30620 AOB\30620--091112-texte dépot.doc - 13/11/09 - 12:11 - 10/19 le coeur. Par exemple la matrice principale du coeur peut comprendre du germanium avec une concentration comprise entre 1% et l 0wt%. Les concentrations en éléments terre rare, en matrice de nanoparticules, et en dopant supplémentaire de la fibre de l'invention permettent d'optimiser l'ouverture numérique sans pour autant dégrader la forme de gain de l'amplification. La fibre selon l'invention peut présenter une différence d'indice du coeur avec la gaine suffisamment petite pour atteindre une faible ouverture numérique, tout en présentant une largeur de gain non dégradée.Ainsi, la fibre dopée en terre rare de l'invention peut présenter une ouverture numérique dans une large gamme de valeur, jusqu'à 0,10, ce qui n'était pas possible dans l'art antérieur. En particulier, la fibre dopée à l'erbium permet de conserver une largeur de gain de 30 à 35 nm pour la bande C (1,53-1,56 µm) avec une ouverture numérique comprise entre 0,10 et 0,18. Ainsi la fibre selon l'invention permet d'atteindre un maximum de l'efficacité de conversion PCE pour les grandes puissances de pompe, supérieures à 500mW.
L'ouverture numérique souhaitée de la fibre peut être aussi déterminée par les conditions d'utilisation de la fibre. Par exemple dans le cas où la fibre est positionnée avec un faible rayon de courbure, l'ouverture numérique peut être choisie supérieure à une valeur au dessous de laquelle les pertes par courbure diminueraient l'efficacité de l'amplification. Cette valeur d'ouverture numérique est d'environ 0,12, qui correspond également à l'ouverture numérique d'une fibre monomode (SMF Single Mode Fiber) standard. Un exemple de fibre de l'invention peut présenter un coeur central avec une concentration en Erbium de 250 ppm, une concentration en poids d'aluminium de 3wt%, et une concentration en germanium égale à lwt%, qui permettent d'obtenir les caractéristiques présentées dans le tableau 2. Dans l'exemple de fibre, l'aluminium et l'erbium sont sous forme de nanoparticules présentant un ratio atomique Al/Er de 200. TABLEAU 2 An (X 10-3) Diamètre du coeur (µm) Xc (µm) MFD (µm) ON 9,9 4,9 1066 7,4 0,17 Ainsi la fibre présente une différence d'indice avec une gaine extérieure de 9,9X10-3 permettant d'atteindre une ouverture numérique de 0,17. La fibre présente R:130600A30620 AOB\30620--091112-texte dépot.doc - 13/11/09 - 12:11 - 11/19 également un diamètre de coeur de 4,91um, une longueur d'onde de coupure de 1066 nm, et un diamètre de mode de 7,41um à la longueur d'onde 1550 nm. La figure 2 présente les distributions de puissance et le profil d'indice de l'exemple de fibre.
L'axe des abscisses représente le rayon de la fibre. L'axe des ordonnées à droite du graphe indique la différence d'indice par rapport à la gaine extérieure. L'axe des ordonnées à gauche du graphe indique la puissance dans la fibre. La courbe 1 représente le profil d'indice de la fibre. On observe un profil à saut d'indice ou en échelon. La différence d'indice est constante sur tout le coeur avec une valeur de 9,9810-3, puis présente une valeur nulle sur la gaine optique de la fibre. Les courbes 2 et 3 présentent respectivement la distribution de puissance du signal et de la pompe. La pompe présente une longueur d'onde de 980 nm, et le signal présente une longueur d'onde de 1550 nm. Par rapport à une fibre classique le signal est moins concentré dans le coeur, ce qui se traduit par une augmentation du diamètre de mode MFD. Ainsi le phénomène d'ESA est évité, et la fibre peut être utilisée pour une puissance de pompe de 1,5W, avec un PCE et un gain optimisés, tout en présentant une largeur de gain de 30-35 nm dans la bande C. L'invention concerne aussi un amplificateur optique comprenant au moins une portion de ladite fibre, et utilisant une puissance de pompe comprise entre 500mW et 20 1,5mW. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une préforme primaire de la fibre dopée en terre rare telle que décrite ci-dessus. Le procédé comprend une étape consistant à déposer une couche poreuse à base de silice contenant un dopant supplémentaire sur la surface interne d'un tube en 25 silice, la couche poreuse formant le coeur de la fibre. La couche poreuse est ensuite imprégnée avec une suspension de nanoparticules dopées de terre rare, La concentration en poids dans la couche poreuse des dopants terre rare est comprise entre 200 et 1000 ppm, et la concentration en poids dans la couche poreuse de la matrice des nanoparticules est comprise entre 0,5 et 5wt%, de préférence entre 1,5 et 30 4wt%. La concentration en poids en dopant supplémentaire est comprise entre 1% et 10wt%. L'imprégnation de la couche poreuse avec une suspension de nanoparticules, et le dépôt d'une couche poreuse contenant un dopant supplémentaire assurent que la
R:130600A30620 AOB\30620--091112-texte dépot.doc - 13/11/09 - 12:11 - 12/19 fibre obtenue à partir de la préforme primaire présente une ouverture numérique faible et une forme de gain non dégradée. Plus particulièrement le procédé permet d'obtenir une fibre présentant une ouverture numérique comprise entre 0,10 et 0,18. Ce qui permet par exemple d'utiliser la fibre dopée avec un élément terre rare tel que l'erbium à une grande puissance de pompe, tout en conservant une largeur de gain d'environ 30-35 nm dans la bande C. Les nanoparticules peuvent être produites par synthèse chimique ou physique. On préférera la synthèse chimique qui favorise la formation de structures stoechiométriques thermodynamiquement stables. Une méthode standard dite « sol- gel » peut être utilisée pour synthétiser chimiquement des nanoparticules dans une solution aqueuse au pH contrôlé, par co-précipitation de précurseurs de sels d'alumine (dans le cas où la matrice est en alumine) et de sels de terre rare. Par exemple, on peut utiliser des sels inorganiques tels que du nitrate ou du chlorure comme précurseurs de l'alumine, et des sels organiques tels que de l'acétyle acétonate ou de l'acétate comme précurseurs de l'erbium, de l'ytterbium ou du thulium. Le rapport molaire des précurseurs de sels d'alumine et de sels de terre rare peut être compris entre 100 et 500, de préférence entre 150 et 350, afin d'obtenir une concentration en poids des dopants terre rare dans chaque nanoparticule qui soit comprise entre 0,5 et 3wt%, de préférence entre 0,75 et 1,5wt% selon les applications visées et le choix de l'élément terre rare. Par exemple la matrice des nanoparticules peut être de l'alumine, l'élément dopant terre rare peut être de l'erbium, le rapport molaire entre l'alumine et l'erbium étant compris entre 100 et 500, de préférence entre 150 et 350.
Les nanoparticules sont ensuite lavées et dispersées dans une solution aqueuse ou alcoolique avec une concentration de nanoparticules comprise entre 1016 et 1018 NPs/cm3 selon la taille des nanoparticules. Par exemple, les nanoparticules sont dispersées dans la solution aqueuse ou alcoolique avec une concentration de nanoparticules supérieure ou égale à 1017 NPs/cm3, pour des nanoparticules de 5 nm de diamètre, et supérieure ou égale à 1016 NPs/cm3, pour des nanoparticules de 10 nm de diamètre. Pour que la matrice de chaque nanoparticule soit conservée dans la fibre finale et puisse constituer une barrière physique entre les éléments terre rare et les défauts
R:130600A30620 AOB\30620--091112-texte dépot.doc - 13/11/09 - 12:11 - 13/19 cristallins de la matrice du coeur central de la fibre, il est important qu'elle puisse résister aux conditions (température et stress) de fabrication de la fibre. On peut ainsi prévoir, pour certaines matrices de nanoparticule, une étape de densification thermique des nanoparticules, après leur incorporation dans la couche poreuse de la préforme primaire par imprégnation, et avant la vitrification de la couche ainsi dopée. Le tube peut ainsi subir un traitement thermique à une température supérieure à 1000°C pendant au moins 1 heure, pour renforcer la structure des nanoparticules dans le coeur. Suivent ensuite une opération de vitrification et de rétreint pour obtenir la 10 préforme primaire, et enfin une opération de recharge pour former une préforme finale utilisable sur une tour de fibrage pour étirer la fibre optique. Le dopant supplémentaire peut être entre autres du germanium, du fluor, du phosphore, de l'aluminium ou une combinaison de ces éléments. Le procédé de fabrication sera mieux compris en décrivant la fabrication de 15 l'exemple de fibre présenté précédemment. La fibre peut être fabriquée par technologie MCVD. Une gaine optique à base de silice est formée sur la surface interne d'un tube de silice par le dépôt successif de couches frittées à 2000°C. Une couche poreuse formant un coeur germanium-silicium est ensuite formée à 20 basse température afin d'éviter la vitrification de la couche. L'insertion de germanium dans la matrice de silice est obtenue grâce à la réaction entre des précurseurs volatils tels que du tétrachlorosilane SiC14 et du tétrachlorure de germanium GeC14. Le mélange de précurseurs est ajusté afin que le contenu en germanium dans la matrice du coeur soit égal à lwt%. 25 A température ambiante la couche poreuse est imprégnée d'une solution contenant des nanoparticules en suspension, les nanoparticules ayant une matrice en alumine Al203 et étant dopées à l'erbium Er. Le rapport Al/Er dans les nanoparticules est ajusté à 200. Après imprégnation, la couche poreuse présente un pourcentage massique en aluminium de 3wt%. 30 La couche poreuse est ensuite frittée à 2000°C, et le tube MCVD rétréci afin d'achever une préforme primaire. La préforme primaire est ensuite manchonnée avec des tubes en silice afin d'ajuster le diamètre de coeur à la valeur souhaitée ainsi que le rapport coeur/gaine.
R:130600A30620 AOB\30620--091112-texte dépot.doc - 13/11/09 - 12:11 - 14/19 La seconde préforme obtenue est ensuite tirée pour former une fibre présentant une concentration en erbium de 250 ppm, et dont les caractéristiques ont été décrites ci-dessus en référence avec le tableau 2. L'exemple de la fibre selon l'invention donné ci-dessus n'est pas limitatif des applications possibles de l'invention. Notamment, un amplificateur optique peut être réalisé avec des nanoparticules présentant une autre matrice que l'alumine et dopées avec d'autres éléments terre rare que l'erbium. Le gain de l'amplificateur dépendra de la concentration et du type d'élément terre rare utilisé. R:130600A30620 AOB\30620--091112-texte dépot.doc - 13/11/09 - 12:11 - 15/19

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS1. Une fibre optique amplificatrice comprenant : - un coeur central adapté à transmettre et amplifier un signal optique, -une gaine optique entourant le coeur central et adaptée à confiner le signal optique transmis dans le coeur, le coeur central étant formé d'une matrice principale contenant des nanoparticules, les nanoparticules comprenant une matrice et des éléments dopants terre rare, la matrice principale du coeur central comprenant également un dopant supplémentaire, caractérisée en ce que - la concentration en poids dans le coeur des éléments dopants terre rare est comprise entre 200 et 1000 ppm, - la concentration en poids dans le coeur de la matrice des nanoparticules est comprise entre 0,5 et 5% en poids (wt%), de préférence entre 1,5 et 4wt%, - la concentration en poids dans le coeur du dopant supplémentaire est comprise entre 1 et lOwt%.
  2. 2. La fibre optique de la revendication 1 dans laquelle l'ouverture numérique est comprise entre 0,10 et 0,18.
  3. 3. La fibre optique de la revendication 1 ou 2, dans laquelle le dopant 20 supplémentaire est choisi parmi du germanium, du fluor, de l'aluminium, du phosphore, ou une combinaison de ces éléments.
  4. 4. La fibre optique de l'une des revendications précédentes dans laquelle la matrice principale du coeur central est de la silice.
  5. 5. La fibre optique de l'une des revendications précédentes dans laquelle les 25 nanoparticules présentent un rapport molaire entre la matrice de nanoparticule et les éléments dopants terre rare compris entre 100 et 500, de préférence entre 150 et 350.
  6. 6. La fibre optique de l'une des revendications précédentes dans laquelle la concentration des nanoparticules dans le coeur central est comprise entre 1016 et 10's NPs/cm3. 30
  7. 7. La fibre optique de l'une des revendications précédentes dans laquelle la matrice des nanoparticules est de l'alumine (Al203). R:130600A30620 AOB\30620--091112-texte dépot.doc - 13/11/09 - 12:11 - 16/19
  8. 8. La fibre optique de l'une des revendications précédentes dans laquelle l'élément dopant terre rare est choisi parmi de l'Erbium (Er), de l'Ytterbium (Yb), du Thulium (Tm) ou une combinaison de ceux-ci.
  9. 9. La fibre optique de l'une des revendications précédentes dans laquelle la concentration en éléments dopants terre rare dans le coeur central est comprise entre 200 et 400 ppm, et la concentration en poids dans le coeur central de la matrice des nanoparticules est comprise entre 2,5 et 3,5wt%.
  10. 10. La fibre optique de l'une des revendications précédentes présentant une largeur de gain de 30 à 35 nm pour la bande C (1,53-1,56 µm).
  11. 11. Amplificateur optique comprenant au moins une portion de fibre selon l'une des revendications précédentes utilisant une puissance de pompe comprise entre 500 mW et 1,5 W.
  12. 12. Procédé de fabrication d'une préforme primaire de la fibre selon l'une des revendications 1 à 10 comprenant les étapes consistant à : - déposer une couche poreuse à base de silice contenant un dopant supplémentaire sur la surface interne d'un tube en silice, la couche poreuse formant le coeur central de la fibre ; - imprégner la couche poreuse avec une suspension de nanoparticules dopées en éléments terre rare, la concentration en poids des éléments dopants terre rare dans la couche poreuse étant comprise entre 200 et 1000 ppm, la concentration en poids dans la couche poreuse de la matrice des nanoparticules étant comprise entre 0,5 et 5% en poids (wt%) de préférence entre 1,5 et 4wt %, et la concentration en poids en dopant supplémentaire étant comprise entre 1 et lOwt%.
  13. 13. Le procédé de fabrication selon la revendication 12 dans lequel le dopant supplémentaire est choisi parmi du germanium, du fluor, de l'aluminium, du phosphore, ou une combinaison de ces éléments.
  14. 14. Le procédé de fabrication selon l'une des revendications 12 ou 13 comprenant en outre une étape consistant à réaliser un traitement thermique de la couche poreuse 30 imprégnée à une température supérieure à 1000°C pendant au moins une heure. R:130600A30620 AOB\30620--091112-texte dépot.doc - 13/11/09 - 12:11 - 17/19
  15. 15. Le procédé de fabrication selon l'une des revendications 12 à 14, dans lequel la matrice des nanoparticules est de l'alumine, et l'élément dopant terre rare est de l'erbium, le rapport molaire entre l'alumine et l'erbium étant compris entre 100 et 500, de préférence entre 150 et 350. R:130600A30620 AOB\30620--091112-texte dépot.doc - 13/11/09 - 12:11 - 18/19
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