Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de microtechnique, Institut d'imagerie et optique appliquée IOA

Doped sol-gel materials for the production of optical fibers

Pedrazza, Urs ; Salathé, René-Paul (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3442.

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    Summary
    The sol-gel technology offers highly interesting prospects for fiber fabrication. The main advantage is the possibility to incorporate any dopants and co-dopants soluble in a suitable solvent. Generally, these dopants are homogeneously dissolved in the matrix. The objective of this work is to produce fiber cores with the sol-gel technique, to fabricate ytterbium doped sol-gel fiber lasers, and to investigate their properties. The sol-gel route was adapted to successfully build ytterbium doped sol-gel fiber lasers. This wet chemistry process involves water and alcohol, but the hydroxyl groups of these liquids highly attenuate guided light. The fiber core deposition was therefore extended with thermal annealing at 1800 °C for vitrification and to minimize the hydroxyl group content in the fiber core. In case of a mono-mode fiber laser the core was built with three 2.7 µm layers. These layers were deposited with this intermediate vitrification applied between subsequent layers. In the case of multi-mode fibers six layers were applied similarly. After collapsing, the preforms were drawn to fibers. The produced fibers were investigated in view of structural and optical properties. The sol-gel fibers show cores with a radial structure in their cross sections. This structure is also known from the modified chemical vapor deposition (MCVD) technique. The stress distribution within sol-gel fibers is in the same range as in MCVD fibers. The fibers show losses of 31 dB/km at 1100 nm. Laser action has been demonstrated. With thresholds between 32 mW and 90 mW a slope efficiency of up to 73 % has been reached. The maximum output of 44 mW was limited by the available pump power.
    Résumé
    La technologie sol-gel offre d'intéressantes perspectives d'avenir pour la fabrication de fibres optiques, avec la possibilité d'incorporer dans un solvant approprié des dopants et co-dopants solubles. Les dopants sont ensuite homogénéisés dans la matrice. Le sujet de ce travail a été de produire le coeur des fibres par la méthode sol-gel, afin de fabriquer des lasers à fibres optiques dopés au ytterbium, et de rechercher leurs propriétés. La démarche sol-gel de ce travail a été adaptée pour produire, avec succès, des lasers à fibres optiques dopé au ytterbium par la méthode sol-gel. Ce procédé chimique comporte de l'eau et de l'alcool, dont les groupes hydroxyles atténuent fortement la lumière. La méthode de déposition du coeur de la fibre a été étendue par un traitement complémentaire thermique à 1800°C. Cette vitrification intermédiaire, entre la déposition de couches successives, a été appliquée pour minimiser la concentration du groupe hydroxyle dans le coeur et pour homogénéiser les couches déposées avant de collapser le tube dans une préforme et ensuite de tirer des fibres. Dans le cas d'une fibre mono-mode, le coeur a été assemblé avec trois couches épaisse de 2.7 µm chacune. Pour les fibres multi-mode, six couches ont été déposées. Après les avoir collapsées, les préformes ont été tirées en fibres. Les fibres sol-gel obtenues ont été étudiées par rapport à leurs propriétés structurelles et optiques. Les fibres présentent un coeur avec une section de forme radiale. Cette structure est connue de certaines fibres produites par déposition chimique de vapeurs modifiées (MCVD). La distribution des tensions mécaniques dans les fibres sol-gel étudiées sont dans le même ordre de grandeurs que les fibres MCVD. Les fibres présentent des pertes de 31 dB/km à 1100 nm. L'activité laser a été démontrée avec un seuil compris entre 32 mW et 90 mW, et une efficacité d'émission laser allant jusqu'à 73%. La puissance de sortie maximale de 44 mW a été limitée par la pompe.