Hybridation de fibres optiques et de nanoparticules semiconductrices : application aux sources lumineuses

par Ali Hreibi

Thèse de doctorat en Electronique des Hautes Fréquences et Optoélectronique. Photonique

Sous la direction de Jean-Marc Blondy et de Frédéric Gérôme.

Soutenue en 2012

à Limoges , en partenariat avec Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques (autre partenaire) .

mots clés

• Ions terre rare
• Fibres optiques
• Points quantiques
• Nanoparticules
• Faisceaux laser

Résumé

Les lasers fibrés sont actuellement en passe de remplacer leurs homologues en raison de performances élevées liées à une architecture guidée, ayant pour impact direct une multitude d’application dans des domaines variés allant des télécommunications, au médical en passant par la sécurité ou encore les capteurs. Cependant cette technologie basée sur le dopage aux ions terres rares présente un inconvénient majeur qui ne permet pas de répondre au besoin croissant des nouvelles sources dites non conventionnelles en raison de la limitation de leur émission à quelques longueurs d'onde prédéfinies. Pour contourner cet obstacle, nous proposons dans le cadre de cette thèse d’utiliser un autre type de matériaux actifs que sont les nanoparticules semiconductrices connues sous le nom de quantum dots (QDs). Leurs propriétés optiques singulières sont fortement liées à leur taille et peuvent être contrôlées avec une grande précision pour couvrir une bande d’émission qui s’étend de l’ultraviolet à l’infrarouge moyen. Dans ce contexte, des nanoparticules ont été synthétisées par voie colloïdale dans le cadre de collaborations nationales et internationales et leurs propriétés ont été étudiées avant et après insertion dans les fibres optiques. Ainsi, l’émission de particules PbSe et CdSe/CdS a pu être observée puis guidée dans le coeur liquide des fibres par le mécanisme de réflexion totale interne. Fort de ces résultats, la simulation puis la réalisation expérimentale d’une cavité laser basée sur de telles fibres a été menée. Un effet laser a pu être déterminé théoriquement avec une efficacité proche de la limite quantique, associé à une démonstration expérimentale. En parallèle, des travaux complémentaires ont été entrepris afin de trouver de nouvelles voies d’incorporation des QDs dans les fibres optiques avec pour objectif à plus long terme d’améliorer la stabilité et la tenue au flux tout en réduisant les pertes du milieu hôte. Dans ce contexte, une étude importante a été consacrée à la réalisation de matériaux composites qui, après une phase de traitement thermique, ont montrés la formation de nanoparticules PbS de bonnes qualités constituant l’état de l’art du domaine. Enfin, des voies d’incorporation plus exotiques ont aussi été amorcées notamment avec l’idée de réaliser des structures actives guidantes dans l’air non disponibles actuellement. On peut citer le dépôt de mono-couches de nanoparticules dans les fibres creuses à cristal photonique ou encore la fonctionnalisation de l’aérogel.

Titre traduit

Hybridization of optical fibers and semiconductor nanoparticles : application to light sources

Résumé

The fiber lasers are currently in the process of replacing their counterparts because of their high performance linked to a guided architecture, having direct impact for a multitude of applications in various fields ranging from telecommunications, to medical via security through sensors. However, the rare earth ions technology has a major drawback that can not meet the growing need for new optical sources with unconventional wavelengths, due to the limitation of the emission to a few predefined wavelengths. To overcome this obstacle, we propose in this thesis to use another type of active materials that are semiconductor nanoparticles known as quantum dots (QDs). Their optical properties are strongly related to their size and can be controlled with high accuracy to cover an emission band extending from ultraviolet to mid-infrared. In this context, colloidal nanoparticles were synthesized through national and international collaborations and their properties were studied before and after insertion into optical fibers. Thereby, the particulate emission PbSe and CdSe / CdS was observed and then guided in the liquid core of the fibers by the mechanism of total internal reflection. With these results, the simulation and experimental realization of a laser cavity based on such fibers was conducted. A lasing effect has been determined theoretically with efficiency close to the quantum limit, associated to an experimental demonstration. In parallel, further work has been undertaken to find new ways of incorporating QDs in optical fibers with the aim to improve long-term stability and resistance to luminous flow while reducing the losses of the host material. In this context, a major study has been devoted to the production of composite materials which, after a period of heat treatment, have shown the formation of PbS nanoparticles of good qualities constituting the state of the art in the field. Finally, more exotic ways of incorporating were also initiated in particular with the idea of making active structures waveguides in the air which are unavailable currently. Examples include the deposition of mono-layers of nanoparticles in the hollow-core photonic crystal fibers or even the functionalization of the aerogel.