Nanoparticules de silicium pour l’amplification dans les fibres dopées erbium

1. Nanoparticules de silicium pour l’amplification dans les fibres dopées 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.

2. Erbium Thulium Praséodyme Introduction: fenêtres de télécommunication et ions de terre rare 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.

3. 4I11/2 4I13/2 lpompe=980nm lsignal=1540nm lémission=1540nm lpompe=1480nm 4I15/2 Er3+ Introduction Principe de fonctionnement d’un amplificateur optique (EDFA) • Pompage à l’aide d’une diode laser; • Section efficace d’absorption des ions Er3+ de l’ordre de 10-21cm2 .

4. Comparaison de la position des bandes d’émission et d’absorption des nc-Si 1 Énergie (eV) • Section efficace d’absorption des Nc-Si est très intense; • Dépendance de la largueur de la bande interdite des Nc-Si; 4I9/2 1.55eV 0.80mm 1.27eV 0.98mm 4I11/2 0.8eV 1.54mm 4I13/2 1.54mm 4I15/2 Nc Si Er3+ Nc-Si Sensibilisateur pour l’erbium Mise en évidence de l’efficacité du transfert d’énergie entre les nc-Si et les ions Er3+ en 1998 2 . Augmentation de la seff 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. 1 L. Dal Negro et al., Optical gain in PECVD grown silicon nanocrystals, Proceedings SPIE vol. 4808 (2002), 13-17 2 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), 4525-4531 3 J. Lee et al., Optical gain at 1.5mm in nanocrystal Si sensitized, Er-doped silica waveguide using top-pumping 470nm LED, PD, OFC (2004)

5. Échantillons • Couche minces SiOx : Er • x < 2  excès de Si  formation d’agrégats de Si • 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

6. Transfert d’énergie entre les Nc-Si et les ions Er3+ • 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+.

7. Détermination de la section efficace effective d’absorption (seff) des ions Er3+ • L’intensité de la fluorescence des ions Er3+ à 1540nm est donnée par : Méthode 1 Méthode 2

8. Détermination de seff des ions Er3+:Montage expérimental

9. Section effective efficace d’absorption (seff) Durée de vie (t) de 4I13/2 des Er3+ • lexcaugmenteseffdiminue ; • Durée de vie du niveau 4I13/2 de l’ordre de 2ms. Méthode 1 : Inverse du temps de montée en fonction du flux des photons

10. Isat intensité à la saturation seff (deuxième méthode) seff (première méthode) 1.9x10-17cm2 16x10-17cm2 Méthode 2 : Variation de l’intensité à 1540nm des Er3+ en fonction du flux des photons

11. Conclusions 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; • Étudier l’effet des dimensions des nc-Si et de la concentration des ions Er3+ sur le transfert d’énergie, l’environnement des ions erbium.