Fabrication and characterization of silica based thulium doped optical fibres: Influence of the rare earth's environment on the S-band amplification

Fabrication et caractérisation de fibres optiques en silice dopées au thulium : Influence de l'environnement des terres rares sur l'amplification dans la bande S

Basile Faure (1)

1 LPMC - Laboratoire de physique de la matière condensée

We report in this thesis the first studies aimed at permitting the realization of a silica based fibre thulium doped optical amplifier working in the S band of the telecommunication window (near 1470nm) in order to increase the usable bandwith for wavelength division multiplexing of the standard silica fibre network. To be able to amplify an optical signal with thulium ions in a high phonon energy silica glass based fibre we have adapted the fabrication process of the preforms made by MCVD technique in order to change the glass composition of less than 10 mol %. Thus an addition of Al2O3 allow to decrease the non radiative multiphononic decay between the 3H4 and 3H5 level, because of the rare earth environment modification. The liftetime of the 3H4 level goes from 14us in pur silica to 50us with addition of only 8.7 mol % of al2O3 giving a rise of the quantum efficiency from 2% to 8%. With the material upgrade and optogeometrical parameters optimisation with numerical simulations we measured small S band signal amplification on one of our silica based sample. This result is an important measurement for silica. In addition a predicted 20dB gain with 1W of pump power is predicted by the numerical simulations for a more efficent pump scheme end the material we did.

Cette thèse rapporte les premières études exploratoires menées en vue de réaliser un amplificateur optique fonctionnant dans la bande S des télécommunications (autour de 1470 nm) dans une fibre en silice dopée au thulium dans le but d'augmenter la bande passante utilisable par le procédé de multiplexage en longueur d'onde (WDM) des réseaux optiques en silice standard. Pour permettre d'amplifier un signal optique à l'aide des ions de thulium dans une fibre composé d'un verre à haute énergie de phonon comme la silice, nous avons adapté les processus de fabrication des préforme par MCVD de manière à modifier de moins de 10% mol la composition du cœur de silice de la fibre. Ainsi, l'apport d'Al2O3 permet, en modifiant l'environnement des terres rares, de réduire les désexcitations non radiatives entre les niveaux 3H4 et 3H5 des ions de thulium. Le temps de vie du niveau 3H4 est ainsi multiplié par 3, de 14us pour la silice pure à 50us pour 8,7 %mol d'al2O3. L'efficacité quantique passe alors de 2% à plus de 8%. Grâce à cette amélioration du matériau et à l'optimisation des paramètres optogéométriques de la fibre optique à l'aide d'un modèle numérique, nous avons pu mesurer l'amplification en bande S d'un signal lumineux sur un échantillon majoritairement composé de silice fabriqué au laboratoire. Ce gain, de plus de 1dB pour 1400mW de puissance de pompe optique, est un résultat de premier ordre pour ce type de dispositif, validant l'approche de la modification de l'environnement du thulium dans la silice. De plus les simulations numériques prédisent un gain supérieur à 20 dB pour 1W de puissance de pompe pour le matériau élaboré, avec un schéma de pompage plus efficace.

Mots clés: Transmission on optical fibre; Wavelenght division multiplexing; Optical amplification; silica glass; Non-radiative deexcitations

Mots clés: Transmission sur fibre optique; Multiplexage en longueur d'onde; MCVD; Amplification optique; Matériau : verre de silice; Thulium; Désexcitations non radiatives; Phonon

Domaines: Physique Atomique [physics.atom-ph]

Basile Faure. Fabrication et caractérisation de fibres optiques en silice dopées au thulium : Influence de l'environnement des terres rares sur l'amplification dans la bande S. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Nice Sophia Antipolis, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00011556⟩