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1 - SYNTHÈSE DES VERRES FLUORÉS

2 - PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES VERRES FLUORÉS

3 - FIBRES OPTIQUES

4 - GUIDES D’ONDE PLANAIRES ET CONFINÉS

5 - MICRORÉSONATEURS

6 - CONCLUSION

7 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : E6416 v1

Synthèse des verres fluorés
Guides d’onde optiques en verre fluoré - Technologie et applications

Auteur(s) : Brigitte BOULARD, Jean-Luc ADAM

Relu et validé le 26 avr. 2021

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RÉSUMÉ

Cet article traite des fibres optiques, guides d’onde planaires et microsphères en verre fluoré.

Les propriétés thermiques, mécaniques et optiques (notamment infrarouges) sont détaillées. Les techniques d’élaboration des trois types de guides d’onde sont présentées.

Les fibres de fluorures intéressent les domaines d’application suivants : spectrométrie, astronomie, amplification optique, fibres laser, sources supercontinuum infrarouges.

Les guides d’ondes planaires visent des applications en optique intégrée : amplificateurs optiques, lasers compacts.

Les microsphères sont étudiées pour des applications microlaser, et pour leur potentiel en tant que mémoire optique miniaturisée.

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ABSTRACT

Fluoride glass optical waveguides - Technology and applications

This paper deals with optical fibers, planar waveguides and microspheres made of fluoride glasses. Thermal, mechanical and optical (especially infrared) properties are detailed.

Techniques of elaboration of the three types of waveguides are presented.

Fluoride fibers are of interest for the following domains of application: spectrometry, astronomy, optical amplification, fiber lasers, and infrared supercontinuum sources.

Planar waveguides aims at application in integrated optics: optical amplifiers, compact lasers.

Microspheres are studied for microlasers applications and their potential as miniaturized optical memory.

Auteur(s)

  • Brigitte BOULARD : Maître de conférences lnstitut des molécules et matériaux du Mans (IMMM) – Département oxydes et fluorures, UMR CNRS 6283 (Le Mans Université, France)

  • Jean-Luc ADAM : Directeur de recherche CNRS Institut des sciences chimiques de Rennes (ISCR), Équipe verres et céramiques, UMR CNRS 6226 (Université de Rennes , France)

INTRODUCTION

Les verres de fluorures, ou verres fluorés, traités dans cet article sont des verres à base de fluorure de zirconium ou indium/gallium ou encore aluminium, à l’exception des verres de fluorure de béryllium, connus depuis des décennies mais inutilisables en pratique à cause de leur hygroscopicité et de leur toxicité.

La découverte des verres à base de fluorure de zirconium dans les années 1970 est, à l’inverse, à l’origine de nombreux développements technologiques dans le domaine de l’optique.

Les verres de fluorures se caractérisent par une limite de transmission infrarouge décalée de plusieurs μm vers les grandes longueurs d’onde, cela par rapport au verre de référence qu’est la silice. Cette caractéristique a pour effet d’abaisser le minimum d’atténuation des fibres constituées de fluorures, d’un ordre de grandeur par rapport à la silice, en théorie.

En pratique, et ce malgré des moyens très importants mis en œuvre à l’échelle internationale par les laboratoires et les entreprises pour améliorer la pureté chimique des verres de fluorures, ce très bas niveau de pertes optiques n’a jamais été atteint.

Si les verres de fluorures ne peuvent rivaliser avec la silice en terme de pertes, et donc en terme de transmission longue-distance pour les télécommunications, ils sont en revanche incontournables dans le domaine des fibres laser dopées terre-rare.

La limite de transmission infrarouge est directement liée aux fréquences fondamentales de vibration entre les éléments constituant le verre. Ces fréquences, ou énergies de phonon, sont plus faibles d’environ un facteur 2 dans les verres de fluorures, par rapport aux oxydes.

Il en résulte un abaissement très important des processus non-radiatifs, et donc une augmentation remarquable des rendements quantiques de luminescence des ions de terres rares dans les fluorures.

Les verres fluorés sont largement utilisés sous forme de fibres laser émettant à des longueurs d’onde allant du visible à l’infrarouge moyen, à l’aide de différents dopages en ions de terres rares. Non-dopées, les fibres de verres fluorés sont aussi utilisées pour la transmission des signaux infrarouges (pertes optiques de 2 à 30 dB/km et résistance mécanique de 50 à 500 kpsi).

D’autres types de guides d’onde, notamment les guides d’onde planaires confinés pour l’optique intégrée et les microsphères, sont aussi très étudiés.

L’objectif de cet article est de dresser l’état de l’art en matière de guides d’onde optique en verres fluorés, à partir des fondamentaux que sont les formulations chimiques des verres et leurs propriétés physiques, essentiellement thermiques, mécaniques et optiques. Il décrit également les techniques d’élaboration des différents types de guides d’onde : fibres, guides planaires, et microsphères.

Autant que possible, l’article situe les propriétés des verres et guides d’onde fluorés par rapport à celles des verres plus connus à base de silice. C’est notamment le cas des propriétés de transmission infrarouge, de luminescence, et d’émission laser, en lien avec des applications originales en :

  • spectrométrie ;

    astronomie ;

    amplification optique ;

    fibre laser ;

    génération de supercontinnum.

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KEYWORDS

optical fiber   |   infrared   |   waveguide   |   laser   |   planar waveguide   |   microsphere   |   laser fiber   |   fluoride glass

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e6416


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1. Synthèse des verres fluorés

1.1 Compositions vitreuses

Les verres fluorés ont été découverts en 1975 de façon accidentelle par M. Poulain à l’université de Rennes, alors qu’il travaillait sur des composés cristallisés à base de ZrF4 . Ce type de verres ne pouvait être prédit par aucun des critères communément utilisés pour les verres d’oxyde (Goldschmidt, Sun, Rawson...).

L’une des compositions les plus stables, et donc la plus utilisée, est le verre d’acronyme ZBLAN. Dans ce verre, ZrF4 joue le rôle de formateur, BaF2 et NaF le rôle de modificateur. AlF3 et LaF3 sont des stabilisants qui améliorent la qualité du verre.

D’autres compositions à base de fluoroaluminate (AlF3), fluoroindate (InF3), fluorogallate (GaF3) ont ensuite été développées (tableau 1, figure 1 ).

À l’exception de BeF2, aucun fluorure simple ne peut donner un verre à lui seul. Tous les verres fluorés sont multicomposants afin d’atteindre...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - POULAIN (M.), LUCAS (J.), BRUN (P.) -   Verres fluorés au tétrafluorure de zirconium. Propriétés optiques d’un verre dopé au Nd3+.  -  Mat. Res. Bull., 10, p. 243-246 (1975).

  • (2) - POULAIN (M.), SOUFIANE (A.), MESSADDEQ (Y.), AEGERTER (M.A.) -   Fluoride glasses : synthesis and properties.  -  Braz. J. Phys., 22(3), p. 205-217 (1992).

  • (3) - MIRANDAY (J.-P.), JACOBONI (C.), DE PAPE (R.) -   New transition metal fluoride glasses isolated in the PbF2-MIIF2-MIIIF3 systems.  -  J. Non-Cryst. Solids, 43, p. 393-401 (1981).

  • (4) - POULAIN (M.) -   Overview of crystallization in fluoride glass.  -  J. Non-Cryst. Solids, 140, p. 1-9 (1992).

  • (5) - SHAHRIARI (M.R.), IQBAL (T.), SIGEL (G.H.Jr.), MERBERG (G.) -   Synthesis and characterization of aluminum fluoride based glasses and optical fibers.  -  Mat. Sci. Forum, 32-33, p. 99-106 (1988).

  • ...

1 Outils logiciels

Projet ’OHANAOptical Hawaiian Array for Nanoradian Astronomy https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01084792/document

Programme GRAVITYGeneral Relativity Analysis via Vet In Terferometry http://lesia.obspm.fr

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2 Annuaire

HAUT DE PAGE

2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

Fabrication de verres et fibres optiques de fluorures

Le Verre FluoréFluoride Glass Experts http://leverrefluore.com/

Thorlabs Inc Your source for Fiber Optics https://www.thorlabs.com/

AmplifiersFiber Output Light Sources https://www.fiberlabs-inc.com/

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2.2 Organismes...

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