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.