Elaboration de fibres optiques multimatériaux aux fonctionnalités électro-optiques

Elaboration of multimaterial optical fibers with electro-optical functionalities

• Auteur / Autrice : Anthony Maldonado
• Direction : Frédéric Smektala, Younés Messaddeq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 12/07/2022
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté en cotutelle avec Université Laval (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Grelu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrea Piarristeguy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gaëlle Delaizir, Réal Vallée

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique

Kerr, Effet

Polymères

Photonique

Gyroscopes optiques

Mots clés libres

Fibre optique

Multimatériaux

Tellurite

Chalcogénure

Effet Kerr

Propriétés électro-Optiques

Optical fiber

Multimaterial

Tellurite

Chalcogenide

Kerr effect

Electro-Optical properties

Résumé

L’émergence des fibres optiques multimatériaux présente un intérêt technologique considérable en photonique pour combiner les propriétés remarquables des verres avec celles d’autres matériaux tels que les métaux ou les polymères afin de former un système fibré tout intégré avec de multiples fonctionnalités. Parmi ces fibres hybrides, le développement de fibres combinant simultanément une fonction de propagation d’un signal optique et une fonction de transport électrique pourrait apporter une solution alternative intéressante dans de nombreux domaines tels que les télécommunications, la médecine ou la détection. Une fibre avec une architecture conjuguant des caractéristiques électriques et optiques dans une structure de guidage d’onde unique et étirée permettra de développer des fonctionnalités électro-optiques de manière indépendantes ou simultanées afin de modifier les propriétés de l’onde optique.Nous rapportons, ici, la conception de deux fibres hybrides verre-métal différentes : une première à base de verre de tellurite TeO2 – ZnO – La2O3 et une deuxième à partir de verre de chalcogénure Ge – Se – Te avec une approche Rod-in-Tube et co-fibrage. Les verres de tellurite et les verres de chalcogénure ont été choisis pour leur large fenêtre de transmission dans le domaine de l’infrarouge moyen, leurs fortes propriétés d’optique non-linéaire et leur faible température de transition vitreuse (Tg) compatible avec de nombreux métaux et polymères par rapport aux verres de silice. Dans cette thèse, nous nous sommes focalisés sur la qualité de l’interface verre-métal, la continuité des électrodes le long de la fibre et le développement de techniques afin de connecter les électrodes à un circuit électrique externe.De plus, des simulations par éléments finis ont également été réalisées afin de déterminer les meilleurs paramètres pour la fibre : tension appliquée, distances électrode-électrode et cœur-électrode. En effet, il est important de trouver un compromis entre une proximité des deux électrodes pour maximiser le champ électrique vu par le cœur de la fibre optique et une distance cœur-électrode suffisamment grande pour ne pas induire des pertes optiques supplémentaires.Enfin, nous avons également mis en place un montage pour mesurer l’effet Kerr électro-optique qui correspond à une rotation de la polarisation de la lumière induite par un matériau diélectrique transparent soumis à un champ électrique externe. La constante Kerr de chaque composition tellurite a été mesurée afin de comprendre son évolution en fonction de la concentration de chaque composé.

The emergence of multimaterials optical fibers is of tremendous technological interest in photonics to combine the remarkable properties of glasses with those of other materials such as metals or polymers in order to form a fully integrated fiber optical system with multiple functionalities. Among these hybrid fibers, the development of fibers combining both optical signal and simultaneous electrical transport function could bring alternative interesting solution in many fields such as telecommunications, medicine or sensing. The drawing of architectures merging electrical and optical features in a unique elongated wave-guiding structure will enable to develop electro-optical functionalities independently or simultaneously by modifying the optic wave properties.Here, we report the engineering of two different glass-metal hybrid fibers based on tellurite glasses (TeO2 – ZnO – La2O3) then chalcogenide glasses (Ge – Se – Te) with a Rod-in-Tube and co-drawing approach. Tellurite glasses and chalcogenide glasses have been chosen for their wide transmission window in the mid-infrared range, their strong non-linear optical properties and their low glass transition temperature (Tg) compatible with many metals and polymers compared to silica glasses. In this PhD, we focused on the quality of the glass-metal interface, the continuity of the electrodes along the fiber and the development of techniques in order to connect the electrodes to an external electrical circuit.In addition, finite element simulations were also performed to determine the best parameters for the fiber: applied voltage, electrode-electrode and core-electrode distances. Indeed, it is important to find a compromise between a proximity of the two electrodes to maximize the electric field seen by the core of the optical fiber and a core-distance large enough to avoid inducing additional optical losses.Finally, we also implemented a setup to measure the electro-optical Kerr effect which corresponds to a light polarization rotation induced by a transparent dielectric material under an external field. The Kerr constant of each tellurite composition was measured in order to understand its evolution as a function of the concentration of each compound.