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  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Formation et applications des nanoparticules dans les fibres optiques base de silice

    Wilfried Blanc, Bernard DussardierLPMC Nice

    Ekaterina Burov, Alain PastouretPrysmian Group

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Plan

    Gnralits sur les fibres optiques Silice: avantages / limitations Nanoparticules dans les fibres

    Procds de fabrication

    Varits des nanoparticules

    Applications

    Conclusion

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Fibre optique base de silice

    gaine optique, = 125 m

    cur, = 10 m

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Fibre optique base de silice

    La lumire se propage dans le cur

    n

    r

    cur

    gaineModes de propagation

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Transparence de la silice

    Pertes(dB/km)

    1% du signal aprs

    vitre 200 000 10 cm

    optique 2 000 10 m

    fibre 0,2 100 km

    [cm-1] = 0,23[dB/cm]

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Fibres amplificatrices

    Fibres amplificatricesTlcoms

    Lasers fibre de puissanceUsinage, ...

    1,5 m 1 m1,5 m

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Limitations de la silice

    Faible solubilit des ions luminescents

    nergie de phonons leve

    Environnement de silice

    Faibles effets non-linaires

    Transmission limite 2 m

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Fibre optique augmente

    silice

    Ions luminescents dans les nanoparticules

    Spectroscopie (mission, temps de vie, gain, ...)

    nergie de phonons (efficacit quantique, ...)

    Valence (mtaux de transition)

    Dfauts (photo-noircissement)

    Nanoparticules :

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Diffusion rayleigh

    (silicium) = 1550 nm[NP] = 1020 /m3

    PertesRayleigh[NP ]Ld6

    4nm

    2 nn2nm2nn22nm2 2

    Fraction volumique (%)

    510,005

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Fluorescence: nano = massif?

    Effets de surface trs importants si particule < 10 nm

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Rapport Atomes surface/volume

    Pour une particule de 2 nm (~500 atomes dans le cas de Au), le rapport est de 50/50

    Thse B. Mercier, LPCML, 2005

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Caractrisations dans la fibre

    Difficults de caractrisation dans la fibre rsultats dans la prformePour les nanos cristallines DRX (structure, composition, taille)Pour les nanos amorphes MEB, MET, NanosimsCaract. indirectes: mesures globales (absorption, fluo, etc)

    Cheveu Fibre optique

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Historique fibres cramiques

    1950's: 1re vitrocramique (Corning)

    1970: 1re fibre optique ultra-transparente (Corning)

    1993: 1re vitrocramique optique transparente (Wang et Ohwaki)

    1998: 1re fibre optique vitrocramique (Corning)

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Mthodes de fabrication

    Rod-in-tube Double-creuset

    + Traitements thermiques de la fibre

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Oxyfluors

    Systme tudi: 30SiO2-15AlO3/2-29CdF2-17PbF2-4YF3-5ZnF2 : Tm

    Technique de fabrication: double-creuset + chauffage de la fibre

    PA Tick, Optics Letter (1998)PA Tick et al., Optical Materials (2000)Tg ~400 C, Tx~460C

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Oxyfluors

    Systme tudi: 30SiO2-15AlO3/2-29CdF2-17PbF2-4YF3-5ZnF2 : Nd

    Technique de fabrication: double-creuset + chauffage de la fibre

    450 c 30 min

    BN Samson et al., Optics Letters (2001)

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Oxydes

    Systme tudi: SiO2-Ga2O3-Al2O3-K2O-Na2O-Li2O: NiO

    Technique de fabrication: rod-in-tube + chauffage de la fibre

    BN Samson et al., Optics Letters (2002)

    Efficacit quantique de Ni ~ 70%

    The strength and ease of handling of the cerammed fibers depend strongly on the details of the fiber drawing process and on the particular heat-treatment schedule used, and these particular fibers can be readily cleaved and spliced without too much difficulty.

    Attnuation 1310 nm: ~15 dB/m

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Procd poudre

    Nanocristaux de Mg2SiO4:Cr4+ par chauffage de la fibre: 4h 525 C + 4h 900 C

    Poudre: Al2O3-MgO-K2O-TiO2-Cr2O3

    YC Huang et al., Optics Express (2013)

    Fluorescence de Cr4+

    wt%: 30,5 32,1 28 9,4 - 0,25

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD)

    dpt de couche rtreint tirage

    104-105 Pa.s

    ~2000C

    dopage

    couche poreuse

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Traitements thermiquesTe

    mp

    ratu

    re (

    C)

    TempsTe

    mp

    ratu

    re (

    C)

    consolidation rtreint

    Nuclation800 C, 2 h

    Croissance900 C, 2 h

    Vitro-cramique MCVD

    + phase tirage

    It should be noted that the fluoride nanoparticles are expected to convert to oxides at the elevated temperatures used to process the susbsequent silica preform.

    C. Kucera et al., Optics Letters (2009)

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Slurry Method

    Poudre de verre de ZnO-Al2O3-SiO2:Co2+

    +poudre de silice

    +eau

    S. Yoo et al., Journal of Non-Cryst. Solids (2003)

    aprs tirage (2100 C): nanocristaux de ZnAl2O4:Co2+

    (ZAS: Tg=750 C, Tx=900 C, Tm=1370 C)

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Nanoparticules pr-formes

    Nanos de SiO2 dope Er, avec ou sans Al

    J. Thomas et al., Optics Express (2012)

    Diminution du photo-noircissement

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Dmixtion des terres alcalines

    Diagramme de phase de SiO2 MO (M=Mg, Ca, Sr)

    Tem

    pra

    ture

    (C

    )

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Images MEB de fibres optiques

    CaSr Mg

    W. Blanc et al., International J. of Nanotech. (2012)

    [Terre alcaline]solution = 0.1 mol/l

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Pertes optiques

    Rayleighscattering=[NP ]d6

    4nm

    2 nn2nm2nn22nm2 2

    Mg-0,1

    Data

    Ajustement Rayleigh

    W. Blanc et al., J. of the Amer. Ceram. Soc. (2011)

    Paramtres fixs :nd = 1,65d = 50 nm

    N = 0,4.1020 m3Lpart-part 300 nm

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Effet de la concentration en Mg

    [Mg]sol. = 0,1 mol/lmoyen : 50 nm

    [Mg]sol. = 1 mol/lmoyen : 80 nm

    W. Blanc et al., J. of the Amer. Ceram. Soc. (2011)

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Spectroscopie de Er3+

    FWHM : +60% (Mg-0,1) = 11,7 ms

    (Mg-1)= 6,7 ms

    mi = 1,55 mexc = 980 nm

    exc = 980 nm

    Dures de vie de fluorescenceSpectres d'mission

    W. Blanc et al., J. of the Amer. Ceram. Soc. (2011)

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Composition l'echelle nanomtrique par nanosims

    Mg-0,1

    Mg-1

    ErMgPSi

    1 m

    1 m

    W. Blanc et al., Optical Materials Express (2012)

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Composition l'echelle nanomtrique par nanosims

    5 %

    10

    2

    20 %

    W. Blanc et al., Optical Materials Express (2012)

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Nanocristaux de YAG:Yb

    MC Paul et al., Journal of Lightwave Technology (2012)

    Prforme chauffe 1450 C, 3h Nanocristaux de YAG:Yb

    Fibre nanoparticules amorphes

    dopes Yb, moins d'Al

    P2O5 Al2O3 Y2O3 Yb2O3 F Li2O (BaO)

    wt% 1 0,9 0,6 0,4 0,2 ?

    mol% 0,4 0,5 0,2 0,06 0,3

    Composition du cur hors SiO2 (EPMA)

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Nanocristaux de YAG:Yb: Applications

    MC Paul et al., Science of Advanced Materials (2012)

    laser photo-noircissement

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Nanoparticules Mtalliques

    Exaltation de la fluorescence de Eu dmontre dans le massif mais trs dpendant de la distance Er-NPM

    A. Pillonnet et al., Applied Phys. Letters (2012)

  • Wilfried Blanc | cole Du verre au cristal, Olron, 13-17 mai 2013

    Fluorescence de nanoparticules d'argent

    AS Kuztnetsov et al., Optical Materials (2012)

    T = 850 C

    33SiO2-9,5AlO1/2-32,5CdF2-19,5PbF2-5,5ZnF2+ 1-10 wt% AgNO3

    Formation de Ag42+ dans le rseau CdF2-PbF2