Nanoparticules de silicium pour l’amplification dans les fibres dopées erbium
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Nanoparticules de silicium pour Nanoparticules de silicium pour l’amplification dans les fibres l’amplification dans les fibres
dopées erbiumdopées erbium
A. A. Choueiry1, A.-M. Jurdyc1, B. Jacquier1, C.-C. Kao2, B. Gallas2, L. Bigot1
1Laboratoire de Physico Chimie des Matériaux Luminescents (LPCML),CNRS-UMR 5620, Université Lyon1, Domaine Scientifique de La Doua, bât A. Kastler, 10 Rue André Marie Ampère 69622
Villeurbanne cedex, France. 2Laboratoire d’Optique des Solides (LOS),CNRS-UMR 7601, Université P. et M. Curie, case 80, 4 place Jussieu, 75252 Paris Cedex 05, France.
Introduction: Introduction: fenêtres de télécommunication et ions de terre rarefenêtres de télécommunication et ions de terre rare
ErbiumThulium
Praséodyme
L’atténuation d’une fibre optique de silice, même faible, impose l’utilisation d’amplificateurs. Dans ce domaine, ce sont les solutions à base d’ions de terres rares qui sont privilégiées.
IntroductionIntroduction
Pompage à l’aide d’une diode laser;
Section efficace d’absorption des ions Er3+ de l’ordre de 10-21cm2 .
4I15/2
4I13/2
4I11/2
émission=1540nm
pompe=980nm
signal=1540nm
pompe=1480nm
Er3+
Principe de fonctionnement d’un amplificateur optique (EDFA)
LNG ap
Nc-Si Sensibilisateur pour l’erbiumNc-Si Sensibilisateur pour l’erbium
1 L. Dal Negro et al., Optical gain in PECVD grown silicon nanocrystals, Proceedings SPIE vol. 4808 (2002), 13-172 M. Fuji et al., Photoluminescence from SiO2 containing Si nanocrystals and Er: Effects of nanocrystalline size on the photoluminescence efficiency of Er3+, J. Appl. Phys., (1998), 4525-45313 J. Lee et al., Optical gain at 1.5m in nanocrystal Si sensitized, Er-doped silica waveguide using top-pumping 470nm LED, PD, OFC (2004)
Mise en évidence de l’efficacité du transfert d’énergie entre les nc-Si et les ions Er3+ en 1998 2 . Augmentation de la eff des ions Er3+ due au transfert.
Gain de 3dB/cm obtenu en excitant un guide d’onde de silice contenant des nc-Si et dopé par des ions Er3+ à l’aide d’une DEL à 470nm en 2004 3.
Comparaison de la position des bandes d’émission et d’absorption des nc-Si 1
200 400 600 800 1000 12000
1
2
3
4
5
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Si TA°C
1A 46% 1250 3A 42% 1250 5A 39% 1250 5B 39% 1200
I PL (
arb.
uni
ts)
Wavelength (nm)
Abs
orba
nce
(arb
. uni
ts)
Section efficace d’absorption des Nc-Si est très intense;
Dépendance de la largueur de la bande interdite des Nc-Si;
4I15/2
4I13/2
4I11/2
4I9/2
Énergie (eV)
1.54m
0.98m0.80m
Nc Si Er3+
1.54m0.8eV
1.27eV1.55eV
ÉchantillonsÉchantillonsCouche minces SiOx : Er
x < 2 excès de Si formation d’agrégats de Si
ÉchantillonÉchantillon X (SiOX (SiOxx)) [Er] %[Er] % Épaisseur (Épaisseur (m)m)
SiOEr07SiOEr07 1.0341.034 11 0.5020.502
SiOEr10SiOEr10 1.1171.117 0.060.06 0.3780.378
SiOEr08SiOEr08 1.2111.211 0.250.25 0.460.46
SiOEr02SiOEr02 1.2811.281 0.110.11 0.580.58
SiOEr11SiOEr11 1.3441.344 0.020.02 0.5040.504
SiOEr06SiOEr06 1.6471.647 0.040.04 0.170.17
SiOEr09SiOEr09 1.7771.777 0.030.03 0.620.62
1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,00,01
0,1
1
SiOEr09
SiOEr12
SiOEr06
SiOEr11
SiOEr02
SiOEr08
SiOEr10
SiOEr07
[Er]
%
x (SiOx)Concentration des ions Er3+ en fonction de la stoechiométrie x
Deux types de traitement thermique:
8500C (1h sous vide) + 9000C (1h sous vide) +10000C (1h sous N2)
8000C (2h sous vide) +10000C (1h sous N2)
Échantillons élaborés au Laboratoire d’Optique des Solides (LOS) Paris VI
Transfert d’énergie entre les Nc-Si et les Transfert d’énergie entre les Nc-Si et les ions Erions Er3+3+
Longueur d’onde (nm)
Inte
n sit é
de
l a P
L (u
.a. ) 1
2
Longueur d’onde (nm)
Inte
n sit é
de
l a P
L (u
.a. ) 1
2
En absence des nc-Si (courbe2) : faible émission des ions Er3+ à 1540nm;
En présence des nc-Si (courbe1) : émission dans le visible due au nc-Si et augmentation de l’émission des ions Er3+ à 1540nm;
Évidence du transfert d’énergie entre les nc-Si et les ions Er3+.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150,01
0,1
1
det
=1540nm
exc
=980nm
exc=470nm
Inte
nsité
nor
mal
isée
(u.a
)
Temps(ms)
0,0 0,1 0,20,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
det
=1540nm
exc=470nm
Inte
nsité
(u.a
)
Temps(ms)
Détermination de la section efficace effective Détermination de la section efficace effective d’absorption (d’absorption (effeff) des ions Er) des ions Er3+3+
0 2 4 6 8 10 12 140,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Inte
nsité
nor
mal
isée
Temps
P1 P2 P3 I0(1-1/e)
11 on
0 2 4 6 8 10
Imax
Imax
Imax
Temps
P1 P2 P3
1
eff
eff
satII
Méthode 1 Méthode 2
L’intensité de la fluorescence des ions Er3+ à 1540nm est donnée par :
))(exp()( ttI effeff
eff 111
hcSP
Détermination de Détermination de effeff des ions Er des ions Er3+3+::Montage expérimentalMontage expérimental
Lame à face // échantillon
Hacheur de faisceau
Laser
oscilloscopePMMonochromateur
Détecteur Si
LentilleMiroir
Lame à face // échantillon
Hacheur de faisceau
Laser
oscilloscopePMMonochromateur
Détecteur Si
LentilleMiroir
échantillon
Hacheur de faisceau
Laser
oscilloscopePMMonochromateur
Détecteur Si
Lentille
échantillon
Hacheur de faisceau
Laser
oscilloscopePMMonochromateur
Détecteur Si
Lentille
Hacheur de faisceau
LaserLaser
oscilloscopePMMonochromateur
Détecteur Si
LentilleMiroir
420 440 460 480 500 520 540 560 580 600
0
5
10
15
20
25
514nm488nm457nm
Absorption Er3+
2H11/2
4F7/2
4S3/2
4F5/2
4F3/2
Sect
ions
effi
cace
s d'ab
sorp
tion
(*10
-21 c
m2 )
Longueur d'onde (nm)700 750 800 850 900 950 1000 1050 11000
2
4
6
8
10
12
14
980nm770nm720nm
Absorption Er3+
4I9/2
4I11/2
Sect
ions
effi
cace
s d'ab
sorp
tion
(*10
-21 c
m2 )
Longueur d'onde (nm)
Méthode 1 : Inverse du temps de montée en Méthode 1 : Inverse du temps de montée en fonction du flux des photonsfonction du flux des photons
excexc(nm)(nm) effeff (x10 (x10-17-17cmcm22))
457457 2424
488488 1.91.9
514514 1.51.5
725725 0.30.3
770770 0.20.2
exc augmente eff diminue ;
Durée de vie du niveau 4I13/2 de l’ordre de 2ms.
450 500 550 600 650 700 750 800
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Sect
ion
effic
ace
effe
ctiv
e d'
abso
rptio
n no
rmal
isée
longueur d'onde d'excitation (nm)
0 5 10 15 20 25 300
100
200
300
400
500
600
700
1/ on
(s-1)
Flux de photons(x1017/cm2s)
Durée de vie () de 4I13/2 des Er3+
Section effective efficace d’absorption (eff)
11 on
Méthode 2 : Variation de l’intensité à 1540nm Méthode 2 : Variation de l’intensité à 1540nm des Erdes Er3+3+ en fonction du flux des photons en fonction du flux des photons
0 2 4 6 8 100
1000
2000
3000
4000
5000
6000
exc=488nmdet=1540nm
Inte
nsité
(u.
a.)
Flux des photons (x1019photons/cm2s)
Isat intensité à la saturation
16x1016x10-17-17cmcm22
effeff (deuxième méthode) (deuxième méthode)
1.9x101.9x10-17-17cmcm22
effeff (première méthode) (première méthode)
1
eff
eff
satII
Conclusions et PerspectivesConclusions et Perspectives
Vérification de l’efficacité du transfert d’énergie entre les nc-Si et les ions Er3+ ;
Utilisation d’une nouvelle technique de détermination de la section efficace d’absorption (SEA),
Vérification de l’augmentation de la valeur de la section efficace de quatre ou cinq ordres de grandeur;
Déterminer les limites de cette nouvelle technique;Déterminer les limites de cette nouvelle technique;Étudier l’effet des dimensions des nc-Si et de la Étudier l’effet des dimensions des nc-Si et de la concentration des ions Erconcentration des ions Er3+ 3+ sur le transfert d’énergie, sur le transfert d’énergie, l’environnement des ions erbium.l’environnement des ions erbium.