Étude de nouveaux verres de tellurite du système TeO2-ZnO-La2O3 (TZL) pour la fabrication de fibres optiques multimatériaux et de guides d’ondes spéciaux pour le moyen-infrarouge

Study of new tellurite glasses in the TeO2-ZnO-La2O3 (TZL) system for the manufacturing of mid-infrared multimaterial optical fibers and specialty optical waveguides

• Auteur / Autrice : Marianne Evrard
• Direction : Frédéric Smektala
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 02/02/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• 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 : Bernard Dussardier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Chenu, Thierry Cardinal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-René Duclere, Andrea Piarristeguy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie Raman

Imagerie infrarouge

Fibres optiques

Tellurites

Mots clés libres

Tellurites

Fibres Optiques

Infrarouge

Guides d'ondes multimatériaux

Imagerie Multimodale

Tellurites

Optical Fibers

Infrared

Multimaterial waveguides

Multimodal imagery

Résumé

Ces travaux de thèse ont été réalisés à partir de verres de tellurite issus du diagramme ternaire TeO2-ZnO-La2O3 (TZL) pour la fabrication de fibres optiques. Le choix de travailler avec ce système est motivé par la volonté d’améliorer la transmission de signaux optiques au sein de verres d’oxydes pour lesquels des bandes d’absorption liées aux groupements OH sont présentes dans la fenêtre de transparence. Une étude structurale par spectroscopie Raman est d’abord menée sur ces verres afin de comprendre l’influence de la composition sur les différentes propriétés physico-chimiques, en particulier optiques et thermiques, mais également afin d’estimer l’aptitude d’une matrice vitreuse à se réorganiser face à une contrainte thermique telle que celle observée lors de l’étirage d’une préforme en fibre optique. Par ailleurs, bien que moins sensibles aux OH que d’autres verres de tellurite, les compositions TZL doivent néanmoins être purifiées afin de permettre la transmission sur fibre jusqu’à 4,5 µm. L’impact des agents fluorés introduits à cet effet dans la matrice vitreuse est notamment évalué et l’atténuation optique mesurée sur fibres met en évidence une amélioration des résultats par rapport aux travaux antérieurs. De plus, la facilité de mise en forme des TZL a permis d’envisager au cours de ces travaux diverses applications. Parmi elles, figurent la fabrication par usinage mécanique de haute précision de guides d’ondes pour l’optique intégrée, le co-étirage de plusieurs matériaux dans une fibre « hybride » combinant simultanément diverses fonctionnalités, ou encore la fabrication d’une fibre multimode à saut d’indice de section rectangulaire pour réaliser de l’imagerie de cellules animales, ouvrant ainsi la voie à des applications d’ordre biomédical.

This thesis work was carried out using tellurite glasses from the TeO2-ZnO-La2O3 (TZL) ternary diagram for optical fibers manufacturing. The choice to use this system is motivated by the ambition to improve the transmission of optical signals within oxide glasses for which absorption bands related to OH groups are present in the transparency window. A structural study is first carried out on these glasses by Raman spectroscopy in order to understand the influence of the composition on physicochemical properties (especially on optical and thermal properties) but also to estimate the ability of a vitreous matrix to reorganize when subjected to a thermal solicitation such as the preform-to-fiber drawing process. Then, although TZL are less sensitive to OH than other tellurite glasses, their purification has to be considered to extend fiber transmission up to 4.5 µm. The impact of fluorinated agents introduced for this purpose into the vitreous matrix is evaluated and the optical attenuation measured on fibers is improved in comparison to previous works. In addition, the good shaping ability of TZL glasses makes it possible to envisage several applications for those compositions. Among them, we describe in this work the manufacturing of waveguides for integrated optics by high-precision mechanical machining, the co-drawing of different materials into a single "hybrid" fiber combining several functionalities, as well as the fabrication of step-index multimode fibers with a rectangular cross-section used to perform animal cell imaging, thus opening the way to biomedical applications.