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Photonique Fibre

 

L'équipe 'Photonique Fibre' est reconnue pour proposer des concepts et réaliser des fibres optiques en dehors de toute norme connue, et ce lorsque repousser les frontières impose de recourir à un développement technologique spécifique.

Nous disposons d’une expertise en divers points stratégiques de la chaîne de valeur dont la conception numérique et la fabrication de fibres optiques microstructurées et de composants associés complexes,

  • Objectifs : Améliorer la sécurité des personnes, la surveillance de l’environnement et soutenir la productivité de nos industries sont autant de vastes défis contemporains pour lesquels la recherche et le développement de transducteurs intelligents et de générateurs lasers à de nouvelles fréquences sont déterminants. L’équipe 'Photonique Fibre' est fédérée autour de compétences reconnues nationalement et internationalement dans le domaine des fibres optiques spéciales que nous proposons d’employer pour répondre à certains de ces besoins.

Notre évolution récente majeure consiste à associer la complexité spatiale des fibres microstructurées à la diversité des matériaux et à la grande précision qu’offrent les méthodes de synthèse chimique de verres.

  • Les projets/thématiques que nous développons sont les suivants :
  1. Fibres et guides d'onde de laser de puissance
  2. Fibres et guides d'onde pour laser femtoseconde
  3. Fibres transductrices / capteurs
  4. Guides d'onde TeraHertz et composants
  • Nos recherches et leurs applications s’appuient sur un socle de compétence constitué par:
  1. La conception numérique et l'étude des mécanismes de propagation
  2. Les procédés de fabrication
  3. Les matériaux innovants pour la photonique

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  1. Fibres et guides d'onde pour laser de puissance

Les travaux de recherche de l’équipe dans ce domaine, contribuent à la montée en puissance des sources lasers fibrées, en particulier en régime impulsionnel, en proposant des architectures de fibres optiques dont la surface du cœur dopé avec des ions de terres rares (Dcœur > 50µm, dopage avec ions Yb3+ ou Tm3+ pour une émission laser respectivement à 1µm ou 2µm) est accrue tout en conservant une excellente qualité du faisceau émis (proche de la limite de diffraction).

Une de nos spécificités est le développement (modélisation, fabrication et intégration dans des systèmes lasers) de fibres optiques dites « rod-type » (diamètre externe proche de 1mm) dont la gaine microstructurée présente une rupture de symétrie (fibres appelées « Fully-Aperiodic Large Pitch Fibres »). Nos développements portent également sur l’intégration de fonctions spécifiques à ce type d’architectures de fibres (fibres PM, PZ…).

 

a : Face d’entrée d’une fibre optique apériodique « rod-type » (Dext = 1mm)

b : Laser à fibre à 1,03µm basé sur une fibre apériodique « rod-type » ayant un diamètre de cœur de 50µm (insert : mode en champ proche mesuré en sortie)

c : Laser à fibre à 1,85µm basé sur une fibre triple gaine

et pour aller plus loin:

[1] R. Dauliat, D. Gaponov, A. Benoit, F. Salin, K. Schuster, R. Jamier and P. Roy, “Inner cladding microstructuration based on symmetry reduction for improvement of singlemode robustness in VLMA fiber”, Optics Express, vol.21, n°16, p.18927, 2013

[2] A. Benoit, R. Dauliat, R. Jamier, G. Humbert, S. Grimm, K. Schuster, F. Salin and P. Roy, “Highly efficient higher-order modes filtering into aperiodic very large mode area fibers for single-mode propagation”, Optics Letters, vol. 39, n°15, pp.4561, 2014

[3] A. Benoit, R. Dauliat, D. Darwich, R. Jamier, S. Grimm, J. Kobelke, K. Schuster and P. Roy, “High-power fiber laser based on a non filamented-core fully-aperiodic large pitch fiber”, proceedings of Photonics West conference, paper n°9728-18, session 4, San Francisco (California, USA), 13-18 February 2016

  1. Fibres et guides d'onde pour laser femtoseconde

These research activities deal with the design and fabrication of specialty optical fibres for application to ultrafast all-fibre lasers either to scale the peak power or to operate at wavelengths not covered by conventional systems. This project has been funded by a number of research grants from the French National Research Agency (ANR) and from industrial partners. XLIM is a coordinator for the ANR-funded research program UBRIS2 (ANR-13-BS09-0018) whose fundamental goal is to propose innovative ways towards all-fiber ultrashort pulse lasers at long wavelengths (above 1.55 µm) through accurate fibre design. These all-fibre lasers find direct applications in micro-processing of soft materials, for example. Collaborative research with French and foreign laboratories is also conducted in order to apply this technology in various fields such as microscopy or spectroscopy. From 2017 onwards, XLIM is a partner of the ANR-funded research program BISCOT (ANR-16-BS09-0018) which aims at developing ultra-broaband mid-infrared supercontinuum sources by merging two hot scientific topics: the ultrafast all-fibre laser technology and the semi-conductor (AsGa) technology.

1700 nm femtosecond all-fibre format laser for deep bio-imaging. Left: measured optical spectrum. Right: autocorrelation trace.

 
Snapshots of time-lapse three-photon-excited fluorescence (3PEF) and third-harmonic generation (THG) movies of developing Drosophila embryos with RFP labeling of cell nuclei. Left: THG and 3PEF overlay images of the embryo before the onset of gastrulation. Right: same embryo 84 minutes later. Anterior pole to the left, dorsal side up. Scale bar 60 µm. Pixel dwell time 27 µs.  
   
   
  1. Fibres transductrices / capteurs

La modification du guide optique, du matériau le constituant ou l'ajout de nanoparticules permet de réaliser des fibres optiques transductrices, fibre guidant à la fois la lumière et étant sensible sur leur longueur au paramètre à mesurer.

Fibre à coeur suspendu micrométrique :

Application à la détection de gaz sur des terrils de charbons en décomposition - projet SUDOE ECOAL-MGT

Fibre microstructurée à large surface d'interaction :

Application au comptage de cellule biologique - collaboration avec CINTRA Singapour

Fibre incluant des nanoparticules de Palladium :

Application à la détection d'hydrogène - collaboration ANDRA - projet Européen Modern2020

et pour aller plus loin :

1. Highly Sensitive SERS Detection and Quantification of Sialic Acid on Single Cell Using Photonic-Crystal Fiber with Gold Nanoparticles
Tianxun Gonga, Ying Cuia, Douglas Goh, Kong Kien Voon, Perry Ping Shuma, Georges Humbert, Jean-Louis Auguste, Xuan-Quyen Dinh, Ken-Tye Yong, Malini Olivo – Biosensors and Bioelectronics – Sept 2014 -  DOI: 10.1016/j.bios.2014.08.077
2. Palladium particles embedded into silica optical fibers for hydrogen gas detection - Stéphanie LEPARMENTIER, Jean-Louis AUGUSTE, Georges HUMBERT, Gaelle DELAIZIR, Sylvie DELEPINE-LESOILLE, Johan BERTRAND, Stéphane BUSCHAERT, Jocelyn PERISSE, Jean-Reynald MACE SPIE Photonics Europe Bruxelles 2014 Paper 9128-16
  1. Guides d'onde teraHertz et composants

 

 

 

1. La conception numérique et les mécanismes de propagation

La modélisation de fibre hors-norme via :

  1. Logiciels commerciaux (COMSOL)
  2. logiciels développés en interne - simulation du gain dans les amplificateurs optiques, dispersion chromatique, optique non-linéaire ...

2. Les procédés de fabrication

En complément des méthodes classiques de fabrication de préformes (Stack and Draw présent au laboratoire depuis plus de 15 ans) et de réalisation de fibres optiques (tours de fibrage basse et haute température couvrant le spectre 150°C-2000°C), l'équipe Photonique Fibre a développé le procédé de fabrication de préforme basé sur l'utilisation de matériaux sous forme de poudre. Ce procédé hérité des années 70, et récemment utilisé par les équipes de Clemson University (J.Ballato) et de l'entreprise Silitec en Suisse, a été adapté à nos besoins et vient en complément des autres techniques existantes. Ce banc de vitrification développé en collaboration avec Silitec, permet de consolider les matériaux pulvérulants, sous atmosphère, avant l'étape de fibrage.

Cette méthode se décompose en deux phases :

a. Synthèse de matériaux:

L'équipe possède un laboratoire de synthèse de verre, via un four à ascenseur 1800°C, équipement qui vient compléter ceux du SPCTS avec lequel l'équipe travaille en étroite collaboration sur l'ensemble de ces sujets matériaux.

 

b. Consolidation de la préforme et tirage:

La préforme constituée de tubes et capillaires de silice est remplie dans les zones choisies du matériau (verre, metal, céramique ...) sous forme de poudre. Cette préforme est ensuite consolidée - vitrification partielle ou totale des poudres - et étirée sous forme d'une fibre optique.

 

et pour aller plus loin :

Modified Powder-in-Tube Technique Based on the Consolidation Processing of Powder Materials for Fabricating Specialty Optical Fibers
Jean-Louis Auguste, Georges Humbert, Stéphanie Leparmentier, Maryna Kudinova, Pierre-Olivier Martin, Gaëlle Delaizir, Kay Schuster and Doris Litzkendorf, Materials 2014, 7(8), 6045-6063; doi:10.3390/ma7086045

 

 

3. Les matériaux innovants pour la photonique

Nos équipements de synthèse de verre associés aux compétences et moyens du SPCTS nous permettent de travailler de nombreuse matrices verrières :

  • Silice pure, dopée ou non
  • Tellurite
  • Verre de silice ...

et ce associés au moyens d'étirage du laboratoire (Tour basse température et haute température - 150°C - 2000°C)