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Nouvelle génération d'amplificateurs optiques erbium or tout fibrés – AMPEROR

AMPEROR

Nouvelle génération d'Amplificateurs optiques Erbium Or tout fibrés

Réalisation de fibres optiques co-dopées par des nanoparticules d'or et des ions erbium et Etude de l'exarcerbation de la fluorescence de l'erbium par des nanoparticules d'or

L’objectif du présent projet d’une durée de 36 mois, est de déterminer la faisabilité d’une nouvelle génération d’amplificateurs optiques s’appuyant sur la réalisation de fibres microstructurées contenant des nanostructures Au0/Er3+. Cette combinaison de nanostructures et de fibres microstructurées sera étudiée tout au long de ce projet avec, comme finalité, la réalisation de fibres amplificatrices démontrant (i) l’optimisation des processus d’exaltation de luminescence et d’amplification de l’ion Er3+ par les nanostructures métalliques et (ii) l’obtention de fibres présentant des pertes optiques contenues (< 0,1 dB/m à 1550 nm) en contrôlant la taille des nanostructures et leur concentration. Pour cela, ce projet utilisera une synthèse de systèmes cœur-coquille Au/ZrO2 dopés Er3+, ayant donc un fort pouvoir d’exaltation. Ces systèmes seront noyés dans une matrice de silice similaire à celle des fibres conventionnelles.

Pour réaliser ce type d’amplificateur, nous allons associer diverses compétences du laboratoire PhLAM : synthèse de nano-objets à base d’or et résistants à de très hautes températures (notamment aux températures de fibrage > 2000°C), élaboration de préformes poreuses à porosité contrôlée par procédé Sol-Gel ou MCVD, densification de ces préformes, fabrication de fibres optiques dopées à cœur nanostructuré or/erbium et caractérisation spectroscopique des propriétés luminescentes. Ces diverses compétences seront mises en commun afin de fabriquer des fibres optiques dont le cœur sera constitué d’une matrice vitreuse de silice dopée par des nanoparticules cœur/coquille (Au/ZrO2 dopées par des ions erbium) pour l’amplification optique. Ces fibres seront analysées en régime d’amplification optique afin de situer leur niveau de performance par rapport à l’état de l’art. Deux voies ont été choisies pour réaliser ce type de fibres : une approche classique MCVD, qui nécessite des nanoparticules résistantes à très haute température (>1500°C) et une approche plus originale par procédé Sol-Gel, déjà utilisée dans l’équipe pour la réalisation de fibres dopées par des nanoparticules d’or mais à ce jour sans contrôle de la taille des nanoparticules.

Des synthèses originales de nanoparticules cœur-coquille or/zircone ont été développées afin d'améliorer la stabilité thermique des nanoparticules d'or au-delà de leur température de fusion. Elles ont ensuite été utilisées pour la réalisation de verres sol-gel élaborés à 1200°C. Cette étude a permis de montrer que nous conservions les nanoparticules d'or dans les verres. Ces verres présentent des propriétés d'optique non-linéaire. Un article a été publié sur l'étude de ces propriétés. De nouveaux essais concluants ont ensuite été réalisés afin d'obtenir des verres co-dopés par des nanoparticules et des ions erbium. Ces échantillons ont été envoyés au synchrotron de Grenoble pour réaliser des analyses de diffraction de rayons X qui devraient permettre de déterminer la position des nanoparticules d'or par rapport aux ions erbium.

En ce qui concerne la synthèse de complexes bi-métalliques (Or/Erbium) afin de contrôler la distance or-erbium, un ligand original bi-fonctionnel a été obtenu mais les acétates n'ont pas permis la complexation des ions erbium.

En ce qui concerne l'exarcerbation des propriétés de luminescence de l'erbium par les nanoparticules d'or, des études de modélisation ont montré la nécessité de réduire la distance entre l'ion de terre rare et la nanoparticule d'or à une distance de l'ordre du nm.

Nous allons améliorer la synthèse et la purification des systèmes cœur/coquille afin d'obtenir des nanoparticules de tailles parfaitement contrôlées entre 1 et 10 nm avant le dopage des préformes de fibres optiques.
Nous sommes également en train de développer une nouvelle synthèse de complexes bi-métalliques (Or/Erbium) afin de contrôler cette distance. Nous développons actuellement une synthèse organométallique de complexes d'erbium basée sur la fonctionnalisation de cyclen nécessitant un grand nombre d'étapes.
Pour l'instant, il n'a pas été possible d'obtenir une préforme dopée par des nanoparticules d'or/zircone par procédé MCVD. Ce procédé impose une étape de traitement thermique très rapide à 1700°C sous flux gazeux qui entraîne les nanoparticules formées. L'augmentation de l'épaisseur de la coquille de zircone n'a pas permis de résoudre le problème. Une approche mixte, inspirée du procédé sol-gel va être tentée : les nanoparticules d'or/zircone seront recouvertes par un gel de silice permettant d'augmenter artificiellement l'épaisseur de la couche protectrice.
Les préformes sol-gel co-dopées réalisées dans la tâche 3 sont en cours de caractérisation optique.

Lerouge, A. et al., Mater. Res. Express., 2015 (3) 015002 - doi:10.1088/2053-1591/2/5/055009
A. Pastre et al., Mater. Res. Express., 2016 (3) 015002 - doi:10.1088/2053-1591/3/1/015002

EMRS, Lille, 2015, Symposium H
2015 : GDR Nacre (Oléron)

Les fibres optiques en silice dopée à l'erbium ont été un des composants clés pour l'essor des télécommunications optiques au cours de ces vingt dernières années. Pour faire face à la demande de plus en plus importante dans ce domaine, il reste indispensable de développer de nouveaux composants tout fibrés pour assurer des fonctions comme le traitement tout optique du signal ou une amplification plus large spectralement ou plus efficace. Notre projet AMPEROR a pour objectif la réalisation d’une nouvelle génération d’amplificateurs optiques tout fibrés à base de nano-objets métalliques dopés par des ions erbium. La présence de ces nano-objets, proches de l’ion terre rare, permettra une exacerbation de la fluorescence des ions erbium, ce qui conduira à un accroissement du gain par unité de longueur. L’amplificateur offrira alors plusieurs avantages, notamment la possibilité de réaliser des systèmes plus compacts (qui est un des challenges pour le domaine de l’optique intégrée) et également de diminuer les coûts des systèmes de transmission optique en réduisant la puissance de pompe nécessaire à la fonction d'amplification des signaux.
Pour réaliser ce type d’amplificateur, nous allons associer diverses compétences du laboratoire PhLAM : synthèse de nano-objets à base d’or et résistants à de très hautes températures (notamment aux températures de fibrage > 2000°C), élaboration de préformes poreuses à porosité contrôlée par procédé Sol-Gel ou MCVD, densification de ces préformes, fabrication de fibres optiques dopées à cœur nanostructuré or/erbium et caractérisation spectroscopique des propriétés luminescentes. Ces diverses compétences seront mises en commun afin de fabriquer des fibres optiques dont le cœur sera constitué d’une matrice vitreuse de silice dopée par des nanoparticules cœur/coquille (Au/ZrO2 dopées par des ions erbium) pour l’amplification optique. Ces fibres seront analysées en régime d’amplification optique afin de situer leur niveau de performance par rapport à l’état de l’art. Deux voies ont été choisies pour réaliser ce type de fibres : une approche classique MCVD, qui nécessite des nanoparticules résistantes à très haute température (>1500°C) et une approche plus originale par procédé Sol-Gel, déjà utilisée dans l’équipe pour la réalisation de fibres dopées par des nanoparticules d’or mais à ce jour sans contrôle de la taille des nanoparticules.
Ce projet présente un très grand intérêt scientifique et économique, il se situe à la frontière de plusieurs domaines : matériaux, télécommunications, capteurs, … En outre, il va nous permettre de développer, dans le laboratoire, de nouveaux savoir-faires dans le domaine de la chimie des matériaux, en réalisant des nanostructures complexes, réfractaires, contrôlées en terme de taille et de composition; ainsi que dans celui de la physique, en étudiant les mécanismes d’exaltation de la fluorescence et de l’amplification d'ions de terre rare par des espèces métalliques, en géométrie fibrée. L’acquisition de ces nouvelles compétences va nous permettre de concevoir de nouvelles générations de fibres micro et/ou nanostructurées. La fabrication de ces fibres originales sera aisément transférable à d’autres systèmes cœur/coquille et à d’autres ions de terre rare (ytterbium, par exemple) ce qui ouvrira de nouvelles perspectives dans le domaine des sources laser fibrées.

Coordinateur du projet

Monsieur Rémy BERNARD (laboratoire de physique des lasers atomes et molécules) – remy.bernard@univ-lille1.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CNRS laboratoire de physique des lasers atomes et molécules

Aide de l'ANR 189 998 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2014 - 36 Mois

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