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Développement d’un verre à base d'oxydes de métaux lourds pour applications dans l'infrarouge

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Date
2020
Auteurs
Dubuis, Simon
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Résumé
Les télécommunications optiques requièrent le développement de nouveaux matériaux pour augmenter les échanges d’information. Parmi les matériaux régulièrement utilisés, le verre occupe une place importante. Sa transparence permet l’envoi de signaux sur de longues distances. Son faible coût et sa fabrication simple le rendent utilisable à grande échelle. Les verres d’oxyde courants comme les phosphates (1200 cm⁻¹), les silicates (1100 cm⁻¹) ou les borates (1400 cm⁻¹) possèdent une transmission limitée dans la région mid-IR en raison de leur énergie de phonon élevée. D’autre part, des verres sans oxyde à basse énergie de phonon et à haute transparence dans le mid-IR sont caractérisés par une stabilité thermique faible. Pour combler ces lacunes, le verre à base d’oxyde de baryum, de germanium et de gallium (BGG) est étudié, caractérisé par une énergie de phonon faible, une large fenêtre de transmission, une grande stabilité thermique et de bonnes propriétés chimiques et mécaniques. Le projet de maîtrise explore ses propriétés thermiques, optiques et structurelles dans le but de développer une nouvelle fibre optique pour des applications dans l’infrarouge. La première partie de ce mémoire détermine une composition vitreuse optimale. La fenêtre de transmission est maximisée, la stabilité thermique est élevée et la composition doit soutenir une purification. Parmi les différentes compositions, la composition 40GeO₂ - 20Ga₂O₃ - 40BaO a été sélectionnée pour mener l’étude du dopage au bismuth et au thulium. La deuxième partie étudie le verre 40GeO₂ - 20Ga₂O₃ - 40BaO comme matrice hôte pour le dopage de ces deux ions. Le dopage avec le bismuth présente une bande de photoluminescence remarquablement large dans la gamme spectrale de 1000-1600 nm. L’analyse XPS montre que le Bi³⁺ est responsable de cette émission. Enfin, les premiers essais de fibrage réalisés avec des échantillons de BGG montrent son potentiel pour la fabrication de fibres optiques.
Optical telecommunications require the development of new materials to increase information exchange. Among the materials regularly used, glass occupies an important place. Its transparency allows signals to be sent over long distances. Its low cost and simple manufacture make it usable on a large scale. Common oxide glasses such as phosphates (1200 cm⁻¹), silicates (1100 cm⁻¹) or borates (1400 cm⁻¹) have a limited transmission in the mid-IR region due to their high phonon energy. On the other hand, oxide-free glasses with low phonon energy and high transparency in the mid-IR are characterized by low thermal stability. To fill these gaps, glass based on barium, germanium and gallium oxide (BGG) is studied, characterized by low phonon energy, wide transmission window, high thermal stability, and good chemical and mechanical properties. The master’s project explores its thermal, optical and structural properties with the aim of developing a new optical fiber for infrared applications. The first part of this master’s thesis determines an optimal glass composition. The transmission window is maximized, the thermal stability is high, and the composition must support purification. Among the various compositions, the composition 40GeO₂ - 20Ga₂O₃ - 40BaO was selected to carry out the study of bismuth and thulium doping. The second part studies 40GeO₂ - 20Ga₂O₃ - 40BaO glass as a host matrix for the doping of these two ions. Doping with bismuth exhibits a remarkably wide photoluminescence band in the spectral range of 1000-1600 nm. XPS analysis shows that the Bi³⁺ is responsible for this issue. Finally, the first optical fiber tests carried out with samples of BGG show its potential for the manufacture of optical fibers.
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mémoire de maîtrise