Study of the interaction between optical wave and electric field applied in hybrid fibers

Un des principaux défis actuels de la photonique réside dans la capacité de produire de nouvelles sources lumineuses de puissance basées sur des systèmes intégrés tout optique à base de fibres robustes, à faibles coûts et à tailles réduites fonctionnant dans un large domaine spectral allant de l’ultra – violet jusque dans l’infrarouge moyen (MIR). Le développement de tels dispositifs trouve de nombreuses applications dans des domaines variés (médical, militaire etc.) répondant à des besoins de société relatifs à la santé, à l’environnement, à la défense et à la sécurité. À cette fin, il apparaît indispensable d’élaborer de nouveaux matériaux capables de combler les lacunes des fibres de silice qui, bien que largement utilisées, présentent une transparence infrarouge, des propriétés optiques non linéaires et une solubilité d’ions terres rares limitées. Au cours des dernières décennies, plusieurs systèmes vitreux fluorures et chalcogénures sont apparus comme des alternatives prometteuses. Cependant, les propriétés thermiques et mécaniques de ces compositions restent modestes comparativement aux propriétés remarquables des verres à base de silice. Divers systèmes vitreux à base d’oxydes de métaux lourds ont parallèlement été explorés. Néanmoins, certains d’entre eux présentent une toxicité pouvant restreindre le champ des applications comme dans le domaine de la santé par exemple. Ainsi le choix de composition s’est donc porté sur des nouveaux matériaux vitreux gallates présentant une toxicité moindre et des propriétés optiques, mécaniques et thermiques exacerbées pour des applications d’optiques non linéaires telles que le gain et la génération de supercontinuum. La principale limite des verres gallates repose sur une cristallisation de surface problématique qui se produit pendant la mise en forme des matériaux. Sur la base d'une caractérisation structurale détaillée, est démontré que l'introduction d’ions terres rares présentant un rayon ionique relativement faible tel que Y3+ favorise la formation de sites gallates GaO5 au lieu de sites GaO4. Cette réorganisation du réseau vitreux ralentit considérablement la tendance à la dévitrification et permet la fabrication de fibres optiques. Cette compréhension de la structure locale a permis d’introduire des terres rares actives telles que Er3+ et Yb3+ pour l’obtention de fibres optiques à gain. Une seconde limite se fonde sur la présence de groupements hydroxyles limitant l’utilisation de ces verres dans le domaine spectral ̴ 2,7 – ̴ 4 μm. Pour pallier à cela, un procédé de purification combinant l’élaboration des matériaux sous atmosphère inerte ultra – sèche et l’emploi d’agents déshydratants fluorés a permis d'éliminer la quasi – totalité des absorptions liées aux groupements hydroxyles dans une matrice gallate dopée aux ions Er3+. L’élimination des groupements hydroxyles a ainsi permis l’allongement significatif des durées de vie d’émission des ions Er3+ dans le domaine spectral infrarouge. Finalement, les compositions gallates sélectionnées ont conduit à la fabrication de fibres optiques cœur – gaine. La technique de coulée – dans – tube a permis la fabrication d’une fibre optique cœur – gaine multimodes à gros cœur co – dopée aux ions Yb3+/Er3+ présentant une atténuation de l’ordre de ̴ 6 – 7 dB.m-1. La méthode de barreau – dans – tube a conduit à la fabrication d’une fibre optique quasi – monomode au sein de laquelle la génération d’un continuum s’étalant de ̴ 600 nm à ̴ 2700 nm a été démontrée avec succès grâce aux propriétés exceptionnelles des verres gallates présentant un gain Raman 5 fois supérieur à celui de la silice. L’ensemble de ces travaux de thèse ouvre la voie au développement de nouvelles sources laser ou à larges bandes à base de fibre de verre, robustes et de haute qualité optique pour manipuler la lumière jusque dans le MIR avec des applications couvrant des domaines importants tels que les technologies de communication, la métrologie ou la détection.One of the main current challenge in photonics relies on the ability to produce new power light sources based on all – optical integrated systems based on robust, low – cost and small – sized fibers operating in a wide spectral range from ultraviolet to mid – infrared. The development of such devices finds many applications in various fields (medical, military etc.) responding to societal needs related to health, environment, defense and security. To this end, it appears essential to develop new materials capable of filling the gaps in silica fibers which, although widely used, present a limited infrared transparency, poor non – linear optical properties and rare earth ions solubility. Over the past few decades, several fluoride and chalcogenide glass systems have emerged as promising alternatives. However, the thermal and mechanical properties of these compositions remain modest compared to the remarkable properties of silica – based glasses. In parallel, various systems based on heavy metal oxides glasses (HMOG) have been explored. Nevertheless, some of them present a toxicity which can restrict the applications in health for example. Thus the choice of composition was naturally focused on the development of new gallate glass materials with a lower toxicity and superior optical, mechanical and thermal properties for the targeted non-linear optical applications such as amplification and supercontinuum generation. The main limitation of such HMOG promising materials relies on a highly problematic surface crystallization occurring during materials shaping using the classical preform – to – fiber approach. In the present study, based on a detailed structural characterization, it is demonstrated that the introduction of small rare earth ions such as yttrium promotes 5 – fold gallium GaO5 sites instead of 4 – fold GaO4 sites. This glass network reorganization slowers drastically the devitrification tendency and allows the successful fabrication of optical glass fibers. This understanding of the local structure has allowed the introduction of the rare earth elements Er3+ and Yb3+ to obtain gain optical fibers. A second limitation is based on the presence of hydroxyl groups limiting the use of these glasses in the mid – infrared spectral range between ̴ 2.7 and ̴ 4 μm. To overcome this, a purification process combining the elaboration of the materials under an ultra – dry inert atmosphere and the use of fluorinated dehydrating agents allowed the removal of almost all the absorptions related to the presence of hydroxyl in a selected gallate composition doped with Er3+ ions. The elimination of hydroxyl groups has thus allowed in the glass doped with Er3+ ions the significant lengthening emission lifetimes in the infrared spectral range. Finally, the selected gallate compositions led to the fabrication of core – clad optical fibers. The built – in – casting technique allowed the fabrication of large core multimode core – clad optical fiber co – doped with Yb3+/Er3+ ions exhibiting optical losses around ̴ 6 – 7 dB.m-1. The rod – in – tube method allowed the fabrication of a quasi – single mode optical fiber within which the generation of a continuum spanning from ̴ 600 nm to ̴ 2700 nm was successfully demonstrated thanks to the exceptional properties of gallate glasses exhibiting a Raman gain 5 times greater than silica glasses. Our findings pave the way to decisive progress in developing new robust and high optical quality broad-spectrum and gain fibers for manipulating light up to the mid – infrared region, with applications spanning important areas, such as communication technology, metrology or sensing