Étude du noircissement dans les fibres optiques dopées Ytterbium : interaction entre photo- et radio-noircissement

Study of the darkening in ytterbium doped fibers : interplay between photo- and radio-darkening

• Auteur / Autrice : Jean-Bernard Duchez
• Direction : Mourad Benabdesselam, Franck Mady
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/06/2015
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de la matière condensée (Nice)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Roy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mourad Benabdesselam, Franck Mady, Philippe Roy, Sylvain Girard, Nadège Ollier, Benoît Cadier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Roy, Sylvain Girard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnements ionisants

Ytterbium

Fibres optiques

Mots clés libres

Fibres optiques dopées ytterbium

Radiations

Applications spatiales

Ytterbium doped optical fibers

Radiation

Space based applications

Résumé

Cette thèse traite des dégradations induites par la pompe (photo-noircissement) et les radiations ionisantes externes (radio-noircissement) dans les fibres optiques en silice dopées ytterbium (FDY) utilisées en environnement sévère. Au travers de caractérisations expérimentales et de modélisations inédites, elle analyse leur interaction et en tire les conséquences quant à la tenue des FDY aux radiations sous pompe. La première partie porte sur l’identification des défauts induits (centres colorés) et leurs mécanismes de formation/guérison. Elle s’appuie sur un ensemble de caractérisations post-irradiation (RPE, ARI, TL) réalisées sur des échantillons de préformes et sur leur corrélation originale (guérison thermique, couplage TL et ARI). L’étude systématique en fonction de la composition met en évidence l’influence des co-dopants (Al, Ce) sur la capture des charges libérées lors des processus d’ionisation. La seconde partie analyse le noircissement se développant sous l’effet simultané de la pompe et de l’irradiation ionisante. A partir d’un banc de mesures autorisant le suivi de la dégradation en temps réel, on montre que photo- et radio-noircissements résultent des mêmes centres colorés blanchis par la pompe. Ce résultat, ajouté aux mécanismes préalablement identifiés, permet de proposer un modèle physique local de la dégradation photo-radio-induite. La confrontation des simulations issues de ce modèle à une large variété d’observations originales faites « en ligne » conduit à sa validation. Il est ainsi démontré que, pour des débits de dose inférieurs à une valeur critique, la dégradation des FDY pompées et irradiées ne peut excéder leur niveau de photo-noircissement.

This thesis deals with the degradation induced by the pump (photodarkening, PN) and ionizing radiations (radiodarkening, RN) in ytterbium-doped optical fiber (YDF) used in harsh environments. Through original experimental characterizations and modeling, it analyses the interplay between PN and RN and reveals important and novel properties of the radiation resistance of pumped YDF. The first part investigates induced defects (color centers) together with their creation/recovery mechanisms. It used a set of post-irradiation characterizations (ESR, RIA, TSL) conducted on preform samples and benefited from their original correlation (thermal recovery protocols coupling TSL and RIA). A systematic study as a function of composition reveals the influence of co-dopants (Al, Ce) on the trapping of carrier freed during ionization processes. The second part examines the darkening build-up under the simultaneous action of the pump and an ionizing irradiation. By using a measurement bench that allowed us to follow the real-time “on line” degradation of fiber samples, we showed that photo- and radio-darkening both arise from the same color centers that can be bleached by the pump. On the basis of this finding and of the preceding identified mechanisms, we propose a local physical model of the photo-radio-induced darkening. The latter is thoroughly validated by further successful comparisons of simulated degradation with a wide variety of “on line” original observations. Then, we notably demonstrate that for dose rates lying below a critical value (explicited by our theory), the degradation of pumped and irradiated YDF never exceeds the photo-darkening level.