Brevet FR2942571A1 — publié le 20100827

FIBRE OPTIQUE AMPLIFICATRICE COMPRENANT DES NANOSTRUCTURES La présente invention concerne le domaine des fibres optiques et plus spécifiquement une fibre optique amplificatrice adaptée à amplifier les signaux optiques transmis. Les fibres amplificatrices peuvent être utilisées notamment comme amplificateur de ligne de transmission haut débit. Les fibres amplificatrices peuvent être des fibres dopées avec des éléments de terre rare tel que de l'erbium. De telles fibres sont utilisée dans les EDFA, acronyme anglo-saxon pour � Erbium Doped Fiber Amplifier � et présentent un coeur central composée d'une matrice de silice comprenant des éléments dopants d'Erbium éventuellement associés à des éléments dopants complémentaires permettant d'améliorer l'amplification. De manière connue en soi, l'amplification optique dans une fibre de type EDFA fonctionne en injectant dans la fibre un signal de pompe qui excite les ions (Er3+) de l'élément dopant. Lorsqu'un signal lumineux passe à travers cette portion de fibre optique, il désexcite les ions par effet laser en produisant un photon en tout point identique au photon incident. Le signal lumineux a donc été doublé. Les fibres amplificatrices peuvent aussi utiliser l'effet Raman. L'amplification 20 Raman n'utilise pas les transitions atomiques d'ions dopés terre rare dans les fibres mais se base sur un échange d'énergie par diffusion Raman. La diffusion Raman est un processus de diffusion inélastique de la lumière incidente dans le matériau qui met en jeu des interactions avec des vibrations atomiques de la matrice. Chaque matériau présente un spectre d'émission Raman 25 spontanée à des longueurs d'onde données, c'est-à-dire se comporte comme un réseau d'oscillateurs vibrant à une fréquence donnée. Le spectre Raman d'un verre, comme d'un matériau amorphe désordonné, est caractérisé par un grand nombre de longueurs d'onde formant un spectre continu sur une large bande de fréquences. L'intensité de l'émission Raman augmente avec la puissance d'entrée appliquée au 30 matériau et devient significative à une puissance donnée. Ce phénomène est connu sous le terme de diffusion Raman stimulée (SRS pour � Stimulated Raman Scattering � en anglais). I1 est ainsi possible, en exploitant l'émission Raman d'un I 'eve11. 284.20 2841 5--090217-texte depol doc - 2009 02-18 - 1:00 -2 matériau, d'amplifier fortement un signal optique en le faisant traverser le matériau préalablement stimulé par un signal optique de pompe. Dans ce type d'amplification, un photon de pompe est transformé en un autre photon d'énergie moindre à la même longueur d'onde que le signal. Pour assurer l'amplification d'un signal optique par SRS on utilise un signal de pompe ayant une fréquence plus faible que le signal à amplifier, la différence de fréquence entre le signal pompe et le signal transmis étant sensiblement égal à la fréquence de vibration du milieu (typiquement 13.2 THz pour la silice). Ainsi, pour une amplification Raman stimulée d'un signal à 1550 nm, un signal de pompe à 1450 I O nm est injecté dans la fibre silice. Le gain d'amplification Raman G exprimé en dB peut être exprimé comme suit : G= CRI PLef avec CR, le coefficient Raman de fibre : CR = gR /le Où gR le gain Raman intrinsèque du matériau, Aeff. la surface effective de la fibre à la longueur d'onde de la pompe (en km2), Pi,, la puissance du signal de pompe (en Watt), Leff, la longueur effective de la fibre à la longueur d'onde de la pompe (en km) Ainsi, pour augmenter l'efficacité de l'amplification Raman, il est possible soit d'augmenter le gain Raman intrinsèque du matériau gR, soit de réduire la surface effective de la fibre Aeff, soit de réduire les pertes optiques à la longueur d'onde de pompe a p, soit d'augmenter la puissance de la pompe Pp. Augmenter la puissance de la pompe implique l'utilisation de laser coûteux ; cette solution est écartée lorsque l'on souhaite réaliser des systèmes tout optique bas coû:. Une augmentation du gain Raman intrinsèque gR peut être réalisée par optimisation de la composition du coeur de la fibre, par exemple par l'ajout de dopant de Germanium dans un coeur en silice ou en réalisant des fibres à coeur en tellurite R,ri^eel, 28400y284 1 5--0902 1,'-textedepotdoc-22009-02-18-1:00 1n10 -3 par exemple plutôt qu'en silice. Cette solution entraîne cependant une augmentation des pertes optiques de transmission et présente un problème de compatibilité avec d'autres fibres d'un système optique utilisant des fibres standard. De même, réduire la surface effective de la fibre pour améliorer le gain d'amplification Raman conduit à des problèmes de compatibilité avec des normes existantes de systèmes de transmission optique et provoque une augmentation des pertes optiques de transmission. Il a également été proposé d'améliorer le gain d'amplification Raman en ajoutant des dopants de terre rare dans le coeur de la fibre, mais cette solution ne conduit pas à des résultats satisfaisants du fait de l'absorption du signal par les ions de terre rare. Finalement, la réalisation d'une fibre amplificatrice Raman est basée sur un compromis entre d'une part le coefficient Raman et d'autre part les pertes optiques de la fibre. Dans la littérature, ce compromis est souvent estimé par le Facteur de I\Ierite (FOM pour � Figure Of Merite � en anglais) exprimé en qui représente le rapport entre le coefficient Raman de la fibre (CR) exprimé en et les pertes dans la fibre (ap) exprimé en dB. km-' à la longueur d'onde de la pompe. Typiquement, pour des fibres monomodes standard (ayant un coeur en silice contenant moins de 5%wt Ge avec une surface effective de 80 1.im2) destinées à l'amplification Raman, le FOM Raman est limité à 3.2 W'.dB'. Il existe donc un besoin pour une fibre amplificatrice qui présente un FOM Raman amélioré et qui reste compatible avec d'autres fibres standard. A cet effet, l'invention propose d'exploiter, pour les fibres optiques amplificatrices, le phénomène de résonance des plasmons de surface, connu sous l'acronyme anglo-saxon de SPR pour � Surface Plasmon Resonance � de nanostructures métalliques disposées dans un diélectrique. En effet, une onde électromagnétique comme la lumière se propageant dans la fibre peut polariser le nuage électronique entourant des nanostructures présentes dans le coeur de la fibre en créant une oscillation collective cohérente (nommée � plasmon de surface �). Ainsi, lorsqu'on injecte une longueur d'onde en conditions de résonance avec la longueur d'onde d'oscillation de ce nuage polarisé on peut transférer de l'énergie vers cette longueur d'onde. La longueur d'onde de résonance y[ re.etsv28400\284 1 5-0902 1'-texte depotdoc - 2009-02-I8- I:00 des nanostructures peut être adaptée et dépend de leur forme, de leur taille et de la nature du métal de la nanostructure. Le phénomène de résonance des plasmons de surface SPR a déjà été observé. Par exemple, la publication � Optical Properties of Gold Nanorings � de J. Aizpurua et al. Physical Review Letters, Vol 90, N° 5, 7 février 2003, décrit la réponse optique de nanoparticules d'or en forme d'anneaux disposées dans une mat -ice de verre. Les publications � Nanoengineering of optical resonances � de S.J. Oldenburg et al. Chemical Physics Letters, 22 mai 1998, pp 243-247, et � A Hybridation Model for the Plasmon Response of Complex Nanostructures � de E. Prodan et al. Science, Vol 302, 17 octobre 2003 décrivent différentes formes et compositions de nanoparticules et la résonance optique qui en découle. La publication � Symmetry breaking in individual plasmonic nanoparticles � de Hui Wang et al. PNAS, Vol 103, No 29, 18 juillet 2006 décrit des nanoparticules composées d'un coeur diélectrique et d'une coquille métallique. Cette publication décrit plus spécifiquement l'impact de la taille de la coquille métallique des nanoparticules sur le décalage de la résonance des plasmons de surface. La publication de R.L. Garell, � Surface-Enhanced Plasmon Raman Spectroscopy �, parue dans Analytical Chemistry, 1989, 61, pp 401-411 décrit une '20 technique de caractérisation de molécules en utilisant l'amplification SRS avec des nanoparticules d'argent en solution. Par ailleurs, les publications � Surface plasmon polariton modified emission of erbium in a metallodielectric grating � de J. Kalkman et al, Applied Physics Letters, Vol 83, N° 1, 7 juillet 2003, � Coupling of Er ions to surface plasmons on Ag � de J. 25 Kalkman et al, Applied Physics Letters, Vol 86, 2005, 041113-1-3, et � Plasmonenhanced erbium luminescence � de H. Mertens et al., Applied Physics Letters, Vol 89, 2006, 211107-1-3, décrivent une augmentation de l'intensité lumineuse émise par les ions d'erbium disposés à proximité de nanoparticules d'argent. Il est ainsi possible de limiter les effets thermiques dans un guide planaire. 30 Les nanoparticules métalliques ont aussi été utilisées pour des capteurs optiques. Par exemple, les documents US-A-6 608 716 et US-A-7 123 359 décrivent des capteurs optiques comprenant des microcavités constituées d'un milieu R ets~28400,284I5-090217-textedepotdec-2J 5-d2-18- 00 -5 diélectrique dopé avec des atomes de métal, semi-métal, et/ou semi-conducteur et comprenant une pluralité de nanoparticules agrégées pour former une structure fractale. Le document US-A-6 807 323 décrit un capteur optique utilisant le phénomène de résonance des plasmons de surface SPR entre un film mince conducteur et un film mince diélectrique dopé avec des éléments de terre rare ou des métaux de transition. Le phénomène de résonance des plasmons de surface SPR n'a cependant jamais été utilisé pour améliorer le gain Raman dans une fibre amplificatrice. Les contraintes de fabrication des fibres optiques imposent des choix sur la nature, la taille et la forme des nanostructures incorporées. Les fibres optiques comprenant des nanoparticules sont par ailleurs connues de l'art antérieur. Par exemple, les documents EP-A-I 347 545 ou WO-A-2007/020362 décrivent des fibres optiques comprenant des nanoparticules dans le coeur de la fibre. Les nanoparticules décrites dans ces documents comprennent un élément dopant de terre rare et au moins un élément améliorant l'amplification du signal, tel que de l'aluminium, du lanthane, de l'antimoine, du bismuth ou autre. Ces documents ne décrivent cependant pas des nanoparticules métalliques permettant de créer un phénomène de résonance des plasmons de surface SPR dans le coeur d'une fibre. Ainsi, aucun document de l'art antérieur ne décrit une fibre optique comprenant des nanostructures métalliques permettant de créer un phénomène de résonance des plasmons de surface SPR dans le coeur de la fibre afin de permettre une augmentation du gain Raman dans la fibre. L'invention concerne une fibre optique amplificatrice par effet Raman stimulé comprenant un coeur adapté à assurer la transmission d'un signal optique et une gaine entourant le coeur et adaptée à confiner le signal optique transmis dans le coeur, le coeur étant composé d'une matrice diélectrique adaptée à entrer en vibration avec une fréquence donnée sous l'effet d'un signal de pompe tel que le signal optique transmis est amplifié par effet Raman. caractérisée en ce que la fibre comprend au moins un type de nanostructures métalliques adaptées à engendrer une résonance de plasmons de surface dans la fibre, les nanostructures métalliques présentant une forme et composition telles que la fréquence de leur résonance de plasmons de surface R,Breve's\2840C\2841 --09C217 texte depotdoc- 2009-02-18- 100 2942571 -6 correspond à la fréquence du signal de pompe et/ou à la fréquence du signal optique transmis dans la fibre, lesdites nanostructures métalliques présentant au moins une de leurs dimensions comprise entre 1 nm et 20 nm et le volume total des nanostructures métalliques étant inférieur à 2 % du volume total du coeur de la fibre. 5 Selon un mode de réalisation, les nanostructures métalliques sont disposées dans le coeur de la fibre. Les nanostructures métalliques peuvent alors présenter une forme et une composition telles que la largeur de bande de leur résonance de plasmons de surface est supérieure à la fréquence de vibration de la matrice diélectrique du coeur de la fibre. 10 Selon un mode de réalisation, les nanostructures métalliques sont disposées dans un anneau de la gaine entourant le coeur de la fibre ; le signal optique est alors transmis dans le coeur de la fibre et le signal de pompe est transmis dans l'anneau. Selon un mode de réalisation, la matrice diélectrique du coeur est à base de silice ; la matrice diélectrique du coeur peut être dopée avec un élément choisi parmi 15 du germanium (Ge), du phosphore (P), du fluor (F), du bore (B), de l'aluminium (A 1), du tantale (Ta), du tellure (Te) ou une combinaison de ceux-ci. Selon un mode de réalisation, les nanostructures métalliques comprennent un métal choisi parmi de l'or (Au), de l'argent (Ag), du cuivre (Cu), de l'aluminium (Al), du tungstène (W), du nickel (Ni), du palladium (Pd), du rhodium (Rh), de 20 l'iridium (Ir). du ruthénium (Ru), du molybdène (Mo), de l'osmium (Os), du platine (Pt) ou une combinaison de ceux-ci. Selon un mode de réalisation, les nanostructures métalliques présentent une température de fusion supérieure ou égale à 950°C ; et peuvent présenter une température d'évaporation supérieure ou égale à 2100°C. 25 Selon un mode de réalisation, les nanostructures métalliques présentent une forme sphérique avec un diamètre compris entre 1 nm et 10 nm. Selon un autre mode de réalisation, les nanostructures métalliques présentent une forme ovale, le petit diamètre étant compris entre 1 nm et l0 nm et le rapport du grand diamètre sur le petit diamètre étant compris entre 1 et 2000. 30 Selon un autre mode de réalisation, les nanostructures métalliques présentent un coeur diélectrique entouré d'une coquille externe métallique avec un diamètre extérieur compris entre l nm et 20 nm et une épaisseur de la coquille métallique e, ers' _ 8402'".284 ' 5--090217-texte depot.doc - 2009-02-18 - 1:00 inférieure à 5 nm, le rapport entre le diamètre du coeur diélectrique et le diamètre extérieur étant compris entre 0.5 et 1. Selon un autre mode de réalisation, les nariostructures métalliques présentent un coeur métallique, une coquille interne diélectrique et une coquille externe métallique, avec un diamètre extérieur compris entre 1 nm et 20 nm et une épaisseur de la coquille externe métallique inférieure à 5 nm. Selon un mode de réalisation, la fibre de l'invention présente un Facteur de Mérite (FOM) Raman supérieur à 10 W'.dB ' pour une longueur de fibre inférieure à 500 m, le Facteur de Mérite Raman étant défini comme le rapport entre le coefficient Raman de la fibre et les pertes dans la fibre, le coefficient Raman de la fibre étant défini comme le rapport du gain Raman intrinsèque du matériau du coeur sur la surface effective de la fibre à la longueur d'onde de la pompe. Selon un mode de réalisation, le Facteur de Mérite (FOM) Raman est supérieur à 20 W"'.dB-' pour une longueur de fibre inférieure à 500 m. L'invention concerne un amplificateur optique ou un laser comprenant au moins une portion de fibre selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 illustre schématiquement le phénomène de résonance des plasmons de surface ; - la figure 2 illustre schématiquement une fibre optique amplificatrice classique utilisant l'effet Raman ; - la figure 3 illustre schématiquement un mode de réalisation d'une fibre optique 25 amplificatrice Raman selon l'invention ; - la figure 4 illustre schématiquement un premier exemple de nanostructure dans une fibre optique selon l'invention ; - la figure 5 illustre schématiquement un deuxième exemple de nanostructure dans une fibre optique selon l'invention ; 30 la figure 6 illustre schématiquement un troisième exemple de nanostructure dans une fibre optique selon l'invention ; F 8,eets•.?8400\284 1 5--0902 1 7-texte depot.doc - 2009-02-I8- 1.00 -8 la figure 7 illustre schématiquement un exemple de fabrication d'une fibre optique selon l'invention. L'invention va être décrite par la suite en référence à une fibre amplificatrice par effet Raman stimulé SRS. Une fibre optique est classiquement composée d'un coeur optique, ayant pour fonction de transmettre et éventuellement d'amplifier un signal optique, et d'une gaine optique, ayant pour fonction de confiner le signal optique dans le coeur. A cet effet, les indices de réfraction du coeur n~ et de la gaine ng sont tels que ne>ng. Dans le cas d'une fibre amplificatrice par effet Raman, le coeur est typiquement en silice dopé Germanium et la gaine est typiquement en silice non dopée. Il est cependant entendu que d'autres dopants peuvent être utilisés en fonction des propriétés optiques recherchées tant que les fonctions de transmission et de confinement sont assurées. L'invention propose d'incorporer dans la fibre des nanostructures métalliques afin de générer une résonance des plasmons de surface SPR dans la fibre. On entend par � nanostructure � un assemblage de quelques centaines à quelques milliers atomes et/ou molécules, conduisant à un objet dont au moins l'une de ses dimensions est de taille nanométrique entre 1 et 100 nanomètres et qui possède des propriétés physicochimiques particulières. Par �nanostructure métalliques �, on entend des nanostructures comprenant au moins un assemblage d'atomes métalliques. Par � type de nanostructures �, on entend des nanostructures présentant une forme, une taille et une composition telles que la fréquence de leur résonance des plasmons de surface ((apiasmon) est définie et contrôlée. Le phénomène de résonance des plasmons de surface SPR est schématiquement illustré sur la figure 1. Dans un métal, les électrons sont sensiblement libres de leurs mouvements avec peu d'interactions avec leurs noyaux respectifs dû à un effet blindage de Coulomb. Au niveau nanoscopique, le champ électrique d'une onde lumineuse incidente va induire, au niveau de l'interface métal/diélectrique, une polarisation des électrons par rapport aux noyaux ioniques des atomes de métal. Une charge nette est ainsi produite et les électrons peuvent osciller de manière cohérente à une fréquence OpIasmon qui dépend de la nature du métal, de la forme et de la taille de la nanostructure. Lorsque la nanostructure est R \ Br xvets\28400\28415ù090217-texte depot.doc - 2009-02-18 - 1:00 -9 bien choisie (géométrie, forme, taille, composition), la surface électronique ainsi polarisée peut concentrer de l'énergie et amplifier des champs électriques locaux autour de la nanostructure. La figure 2 illustre le cas d'une fibre pour amplification Raman classique. La 5 fibre optique amplificatrice classique comprend un coeur composé d'une matrice diélectrique adaptée à transmettre un signal se propageant à une fréquence donnée ((signal) et à amplifier ce signal par effet Raman sous l'effet d'un signal de pompe émis à une fréquence donnée (wommpe). Ainsi, la fréquence de vibration ((Raman) de la matrice du coeur est déterminée par sa composition et choisie de telle manière qu'une 10 partie de l'énergie de la pompe est transmise par effet Raman (Ps) à la fréquence du signal ((signal). Cette énergie transmise au signal est proportionnelle à: PS (0s) 0C N0Raman'P (0 pompe ) où N est le nombre de vibrations de la matrice actives en Raman; 15 YRaman est la section efficace du Raman de la matrice (elle est proportionnelle au coefficient Raman gR); Ip(wpompe) est l'intensité incidente du signal de la pompe. La figure 3 illustre le cas d'une fibre selon l'invention. La fibre optique amplificatrice de l'invention comprend un coeur composé d'une matrice diélectrique 20 adaptée à transmettre un signal se propageant à une fréquence donnée ((signal) et à amplifier ce signal par effet Raman sous l'effet d'un signal de pompe émis à une fréquence donnée ((pompe). Ainsi, la fréquence de vibration ((Raman) de la matrice du coeur est déterminée par sa composition et choisie de telle manière qu'une partie de l'énergie de la pompe est transmise par effet Raman (Ps) à la fréquence du signal 25 (wsig)al). Le signal optique amplifié par effet Raman selon l'invention est intensifié par l'introduction de nanostructures métalliques dans la fibre. Cet effet est dû à deux phénomènes : - l'augmentation de la section efficace Raman de la matrice (6Raman) d'un facteur d'environ 100 due au changement de l'environnement des liaisons 30 dans la matrice (OSPR>6Raman)22942571 R6revets\28400\284 1 5-0902 1 7-texte depol.doc - 2009-02-18 - 1:00 -10- la concentration du champ électromagnétique dans le voisinage de la nanostructure métallique. Dans ce cas, la partie de l'énergie de la pompe transmise par effet Raman (Ps) à la fréquence du signal ((�signai) est proportionnelle à: PS ((fis) °c NîSPRF2 (Wsignal )F2 (Wpompe )1 P (°pompe ) où N est le nombre de vibrations de la matrice actives en Raman; 6sPR est la section efficace du Raman de la matrice modifiée par la présence des nanostructures IP(wpompe) est l'intensité incidente du signal de la pompe; F(wpompe) est le facteur de l'augmentation de l'amplitude du champ électromagnétique local dans le voisinage d'une nanostructure métallique à la fréquence de la pompe; F(wsigäai) est le facteur de l'augmentation de l'amplitude du champ 15 électromagnétique local dans le voisinage d'une nanostructure métallique à la fréquence du signal. En théorie, les facteurs F peuvent être supérieurs à 1000 et dépendent du matériau du coeur de la fibre, c'est-à-dire des propriétés diélectriques de la matrice, de la forme et de la taille des nanostructures métalliques, et de la nature du métal (Ag, 20 Au .. ou autres). Ainsi, l'augmentation totale de l'amplification Raman liée à l'introduction des nanostructures métalliques selon l'invention résulte de la multiplication des effets suivants : augmentation de la section efficace du Raman GSPR, augmentation de l'amplitude du champ électromagnétique local dans le voisinage des nanostructures 25 métallique aux fréquences de la pompe F(wpompe) et/ou du signal F(wsignal)• Selon l'application visée, la taille, la forme et la nature des nanostructures métalliques introduites dans la matrice du coeur de la fibre selon l'invention peuvent être adaptées pour entrer en résonance (wpiasmon) soit avec la pompe ((Oppmpe), soit avec le signal transmis (ws;gnai), soit avec les deux. Pour obtenir une résonance 30 simaltanée avec la pompe et le signal, les nanostructures introduites dans le coeur de R:\ are ,et \28400'\28415ù090217- tex 1 e depot_doc - 2009-02-18 - I:00 2942571 -11- la fibre selon l'invention devront présenter une condition supplémentaire : la largeur de la bande de résonance des nanostructures devra être supérieure à la fréquence de vibration Raman de la matrice du coeur de la fibre (cwRan,an). Ce mode de réalisation est avantageux car il permet une augmentation maximale ( -F4) de l'effet Raman. 5 Les nanostructures sont donc choisies de par leur taille, leur géométrie, leur forme, leur nature et leur concentration, d'une part pour que l'effet maximal de résonance des plasmons de surface SPR se produise à une fréquence choisie et contrôlée, et d'autre part pour ne pas perturber la transmission du signal optique dans la fibre. Ainsi, une fibre selon l'invention peut présenter un FOM Raman supérieur à 10 10 W-1.dB-', voire même supérieur à 20 W-'.dB-I. Selon les modes de réalisation, les nanostructures métalliques peuvent être introduites dans le coeur de la fibre et/ou dans la gaine, notamment dans un anneau de la gaine entourant le coeur. Si des nanostructures métalliques sont introduites à la fois dans le coeur et dans la gaine de la fibre, il est possible de choisir des nanostructures de type différent, c'est-à-dire que la taille, composition, géométrie, forme des nanostructures introduites dans le coeur peuvent être différentes de la taille, composition, géométrie, forme des nanostructures introduites dans la gaine. Si des nanostructures métalliques sont introduites dans un anneau entourant le coeur de la fibre, le signal de pompe peut être transmis dans l'anneau et les nanostructures seront spécifiquement choisies pour entrer en résonance (0)Plasmon) avec la pompe (co). po,,,peLe signal optique à amplifier est toujours transmis dans le coeur. La présence de nanostructures métalliques dans le coeur de la fibre et/ou dans un anneau entourant le coeur a un impact sur les conditions opto-géométriques de la 2.5 fibre et modifie les conditions de transmission du signal. Il est tout d'abord nécessaire de limiter les pertes optiques induites par les nanostructures métalliques, liées à leur taille et à leur concentration dans la fibre. L'introduction de nanostructures métalliques dans le coeur de la fibre ou à proximité du coeur û anneau entourant directement le coeur -- modifie en effet l'indice effectif 30 de réfraction du coeur et peut entraîner une augmentation des pertes optiques par diffusion De plus, les nanostructures métalliques intégrées dans la fibre peuvent R .1 Bre vets`,284GC\284 1 5--09021 7 texte deocr doc 2009-02-18 - 1:00 2942571 -12- modifier les caractéristiques physico-chimiques de la matrice du coeur et de la gaine, notamment sa viscosité, ce qui peut rendre le matériau incompatible avec les contraintes de fabrication des fibres, notamment les températures de fibrage. Le demandeur a ainsi établi que, pour garder un matériau qui puisse être fibré dans des 5 conditions industrielles classiques et obtenir une fibre optique présentant des pertes limitées, les conditions principales sont que : - l'une des dimensions nanoscopiques des nanostructures métalliques soit inférieure à 20 nm ; - la concentration des nanostructures métalliques dans la fibre soit inférieure à 2% 10 en volume du coeur. Si des nanostructures métalliques sont introduites uniquement dans un anneau de la gaine et non dans le coeur de la fibre, les pertes optiques seront réduites mais la résonance des plasmons de surface SPR ne pourra se produire qu'avec le signal de pompe et non avec le signal transmis. 15 Selon l'invention, des nanostructures métalliques comprenant un métal choisi parmi de l'or (Au), de l'argent (Ag), du cuivre (Cu), de l'aluminium (Al), du tungstène (W), du nickel (Ni), du palladium (Pd), du rhodium (Rh), de l'iridium (Ir), du ruthénium (Ru), du molybdène (Mo), de l'osmium (Os), du platine (Pt) ou une combinaison de ceux-ci sont bien adaptées. De telles nanostructures présentent une 20 température de fusion élevée, de préférence supérieure à 950°C et à tout le moins une température d'évaporation supérieure ou égale à 2100°C, permettant un fibrage tout en conservant les nanostructures dans la matrice à base de silice de la fibre. Ces dernières peuvent se liquéfier lors du fibrage mais ne s'évaporent pas. Les nanostructures utilisées présentent également une bonne stabilité chimique à l'oxydation et une densité électronique importante, garantissant la présence d'un nuage d'électrons suffisamment important pour une apparition du phénomène de résonance des plasmons de surface sous l'effet d'un signal lumineux. La matrice diélectrique du coeur central de la fibre peut être à base de silice qui peut être dopée avec un élément choisi parmi du germanium (Ge), du phosphore (P), du fluor (F), du bore (B), de l'aluminium (Al), du tantale (Ta), du tellure (Te) ou une combinaison de ceux-ci. Rv.8ree e'\:8400V25 4 1 5-0902I7-texte depot.doc - 2009-02-18 - 1:00 2942571 -13- Le tableau 1 ci-dessous indique les températures de fusion et d'évaporation des métaux pouvant être utilisés pour les nanostructures introduites dans une fibre selon l'invention. Tableau 1 Metal T fusion, °C T évaporation, °C Au 1065 3054 Ag 961 2162 Cu 1085 2554 Al 660 2519 W 3407 5658 Ni 1453 2913 Pd 1550 2963 Rh 1966 3695 Ir 2443 4428 1 Ru 2250 4150 ~ Nl 2617 4639 Os '3027 5009 Pt 1772 3825 5 Selon l'invention, la forme des nanostructures métalliques peut varier, afin d'adapter leur fréquence de résonance SPR (%las ,°°), selon leur taille, leur nature et l'application envisagée; elles peuvent être sensiblement sphériques ou présenter une for-ne ovale ou une structure de type coeur-coquille(s) (pour � core-shell � en 10 anglais). Une forme ovalisée ou coeur-coquille(s) permettra d'augmenter la surface de contact avec la matrice diélectrique du matériau de la fibre et entraînera une augmentation de la densité électronique autour des nanostructures. L'intensité, la longueur d'onde et la portée de la résonance des plasmons de surface des nanostructures sont essentiellement liées aux choix des paramètres 15 (nature du métal, géométrie, concentration) des nanostructures introduites. Par exemple, les nanostructures métalliques doivent présenter au moins une dimension qui soit nettement plus petite que la longueur d'onde du signal lumineux d'excitation. R'..&e, ets\28400',28415--090217-texte depot.doc 2009-02-18 - 1:00 - 14- Pour des nanostructures sphériques, le diamètre peut être compris entre 1 nm et 10 nm ; et pour des nanostructures ovalisées, le petit diamètre peut être compris entre 1 nm et 10 nm. Pour des nanostructures de type coeur-coquille(s), le diamètre extérieur est inférieur à 20 nm et l'épaisseur d'une coquille métallique peut être limitée à 5 nm. Le diamètre des nanostructures de type coeur-coquille(s) peut être plus grand que celui des nanostructures sphériques ou ovales car les nanostructures de type coeurcoquille(s) sont partiellement constituées de diélectrique et par conséquent absorbent moins le signal lumineux que les nanostructures sphériques ou ovales entièrement constituées de métal. Les pertes optiques induites par des nanostructures de type coeur-coquille(s) sont donc du même ordre que les pertes optiques induites par des nanostructures sphériques ou ovales malgré un diamètre extérieur plus grand. La figure 4 illustre un premier exemple de nanostructures utilisables dans une fibre optique selon l'invention. Dans le cas de nanostructures métalliques de forme sphérique (a=b), le signal lumineux se propageant dans la fibre provoque un phénomène de résonance des plasmons de surface SPR qui induit une augmentation de l'amplitude du champ électrique de l'onde lumineuse à une longueur d'onde donnée dépendant de la composition métallique. Si la nanostructure est ovalisée (a�b), la fréquence de la résonance des plasmons de surface ((Oplasmon) sera décalée vers les plus basses fréquences et élargie comme illustré sur le graphe de la figure 4. Par exemple, dans le cas de nanostructures métalliques en or, l'ovalisation de la nanostructure avec un rapport du grand diamètre sur le petit diamètre (b/a) inférieur à 2000, de préférence inférieur à 1000, permettra de décaler la fréquence de résonance des plasmons de surface vers la bande utilisée en télécommunication (bande C notamment). Les nanostructures ovalisées présentent donc de préférence un petit diamètre a compris entre 1 mn et 10 nm et un grand diamètre b compris de préférence entre 10 nm et 1500 nm (longueur comparable à la longueur d'onde d'un signal optique en télécoms). L'ovalisation des nanostructures métalliques peut être contrôlée par ajustement des paramètres de fabrication de la fibre, notamment durant l'étape de fibrage. Par exemple, dans le cas de l'or., la température de fusion de l'or est cle 1064°C alors que le fibrage se déroule à une température comprise entre 1700°C et 2200°C. En conséquence, durant le fibrage, les nanostructures en or auront R.\&evets\28400V28415-090217-texte depot.doc - 2009-02-18- 1.00 -15- un comportement visqueux et pourront être facilement déformées lors de la transformation homothétique de la préforme de la fibre. L'ovalisation des nanostructures métalliques permet, outre le décalage de fréquence de la résonance SPR, d'élargir la bande de résonance des plasmons de surface. On peut alors assurer une amplification par effet Raman efficace sur une bande passante plus large, notamment pour des applications de type WDM (� Vvavelength Division Multiplexing � pour multiplexage en longueur d'onde), en assurant un effet Raman maximum par amplification simultanée de la pompe et du signal. La figure 5 illustre un deuxième exemple de nanostructures utilisables dans une fibre optique selon l'invention. Cet exemple propose des nanostructures de type coeur-coquille avec un coeur diélectrique et une coquille externe métallique présentant un diamètre extérieur D et une épaisseur de coquille t. Le cas où le diamètre D est égal à l'épaisseur t 1 5 correspond au cas d'une nanostructure métallique sphérique. Lorsque la nanostructure présente une forme coeur-coquille, la fréquence de la résonance des plasmons de surface (0)piasmon) est décalée vers les plus basses fréquences et étalée par rapport à une nanostructure métallique sphérique, comme cela est illustré sur le graphe de la figure 5. 20 Par exemple, des nanostructures présentant un coeur de silice et une couche en or peuvent être utilisées. Il est cependant entendu que le diélectrique du coeur de la nanoparticule peut être différent de celui de la matrice diélectrique de la fibre. L'optimisation du diamètre D et de l'épaisseur de la coquille t permet de contrôler la fréquence de résonance des plasmons de surface SPR. Un rapport de diamètre sur 25 l'épaisseur (D/t) de l'ordre de 10 permet d'atteindre une fréquence SPR comprise dans la bande utilisée en télécommunication. Les nanostructures de type coeur-coquille présentent de préférence un diamètre D compris entre 1 et 20 nm et une épaisseur de coquille t inférieure à 5 nm et choisie de telle manière que le rapport entre le diamètre du coeur non-metallique (D-2t) et le diamètre total de la 30 nanostructure (D) soit compris entre 0.5 et 1, de préférence supérieur à 0.8. Des nanostructures métalliques de type coeur-coquille permettent, outre le décalage de fréquence SPR, d'élargir la bande de résonance des plasmons de surface. On peut R.VBrevetsV284OO\2841 5-090217-texte depotdoc - 2009-02 18 - I:OC - 16- alors assurer une amplification par effet Raman efficace sur une bande passante plus large, notamment pour des applications de type WDM, en assurant un effet Raman maximum par amplification simultanée de la pompe et du signal La figure 6 illustre un troisième exemple de nanostructures utilisables dans une 5 fibre optique selon l'invention. Cet exemple propose des nanostructures complexes présentant un coeur central métallique, une coquille interne diélectrique et une coquille externe métallique. La nanostructure présente un diamètre extérieur D, une épaisseur ti de la coquille interne diélectrique et une épaisseur t2 de la coquille externe métallique. Lorsque la 10 nanostructure présente une telle forme, la fréquence de la résonance des plasmons de surface (0)Plasmon) est décalée vers les plus basses fréquences et étalée par rapport à une nanostructure sphérique, comme cela est illustré sur le graphe de la figure 6. En outre, l'intensité du champ électrique de l'onde lumineuse est augmentée. De telles nanostructures métalliques peuvent être avantageusement utilisées pour des 15 applications de type WDM. Par exemple, des nanostructures présentant un coeur métallique en or, une coquille interne en silice et une coquille externe en or peuvent être utilisées. Le diamètre total D de ces nanostructures est de préférence compris entre 1 et 20 nm et l'épaisseur de la coquille métallique externe t2 est inférieur à 5 nm. L'optimisation du 20 diamètre D et des épaisseurs de chaque coquille tl et t2 permet de contrôler la fréquence SPR (0)piasmoa) et la largeur de la bande de résonance. Il est cependant entendu que le diélectrique de la coquille interne de la nanoparticule peut être différent de celui de la matrice diélectrique de la fibre et que les métaux du coeur et de la coquille externe peuvent être différents. 25 D'autres exemples de nanostructures métalliques pourraient encore être envisagés. Il est notamment possible d'incorporer dans une même fibre plusieurs types de nanostructures métalliques, i.e. des nanostructures sphériques et/ou ovales ainsi que des nanostructures de types coeur-coquille(s) tant que la concentration volumique totale reste inférieure à 2% du volume du coeur de la fibre pour les raisons 3G exposées plus haut. Lorsque différents types de nanostructures métalliques sont introduits dans la fibre, chaque type de nanostructure peut comprendre un métal, une forme et une taille différents des autres types. R , Brevets\28400\28 4 1 5-0902 1 7-texte depot.doc - 200)-02-18 - 1.00 -17- La figure 7 illustre un exemple de fabrication d'une fibre selon l'invention. Les nanostructures métalliques Me NP peuvent être produites par synthèse chimique ou physique, telle qu'une méthode sol-gel connue en soi. Les nanostructures métalliques de type coeur-coquille(s) peuvent être produites en réalisant des nanoparticules par synthèse chimique ou physique conduisant à une poudre de grains nanoscropiques puis en réalisant un ou des dépôts successifs sur la poudre par dépôt chimique ou physique. Les nanostructures sont ensuite dispersées dans une solution aqueuse. On obtient ainsi une suspension stable de nanostructures Un tube de silice 100 présentant un coeur poreux et une gaine formée d'un tube de silice est par ailleurs produit par MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition). La solution de nanostructures en suspension stable est alors utilisée pour imprégner 110 le coeur poreux du tube de silice, par exemple lors d'une opération de MCVD. pour former le coeur de la préforme primaire et éventuellement un anneau. Suivent ensuite une opération de vitrification et de rétreint 120 pour obtenir la préforme primaire, et enfin une opération de recharge pour former une préforme finale utilisable sur une tour de fibrage pour étirer la fibre optique 1 50. On a ainsi réalisé une fibre optique comprenant un coeur et éventuellement un anneau composé d'une matrice diélectrique et comprenant des nanostructures métalliques permettant l'apparition d'un phénomène de résonance des plasmons de surface SPR pour amplifier une longueur d'onde, de pompe et/ou du signal. Selon les applications envisagées, on peut réduire la puissance de pompe et utiliser ainsi des équipements moins coûteux et/ou on peut réduire la longueur de fibre amplificatrice pour une plus grande compacité des équipements. Par exemple, alors qu'une fibre optique pour amplification classique présentant un coeur à base de silice fortement dopé germanium (de l'ordre de 20 à 25%wt de Ge avec une surface effective de 10 �m2) présentera un FOM Raman de 8 W"1.dB-' pour une longueur optimale de 900 m de fibre, la fibre selon l'invention peut présenter, pour une même surface effective, un FOM Raman largement supérieur à 10 W-I.dB-', voire supérieur à 20 W-I.dB-1 pour une longueur de fibre optimale inférieure à 500m. Une telle fibre optique peut être utilisée dans un amplificateur optique avec un gain d'amplification important et une compacité améliorée par rapport à l'état de la R:ABre,esV28400,28415--090217-lexie depotdcc - 2009-02-18 - 1:00 -18- technique. Une telle fibre optique peut également être utilisée dans un laser avec une compacité améliorée. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation ou aux applications décrits à titre d'exemple. En particulier, la matrice diélectrique peut être de la silice ou tout autre composition telle que de l'oxyde de germanium ou de la tellurite par exemple, et peut inclure des dopants tels que du germanium, du phosphore, de l'antimoine, du thallium par exemple. R',,8ns, e ts,284CO\284 15- -09021 7-texte depot.doc - 2009-02-18 - 1:00 REVENDICATIONS1 Fibre optique amplificatrice par effet Raman stimulé (SRS) comprenant un coeur adapté à assurer la transmission d'un signal optique et une gaine entourant le coeur et adaptée à confiner le signal optique transmis dans le coeur, le coeur étant composé d'une matrice diélectrique adaptée à entrer en vibration avec une fréquence donnée (WRaman) sous l'effet d'un signal de pompe tel que le signal optique transmis est amplifié par effet Raman, caractérisée en ce que la fibre comprend au moins un type de nanostructures métalliques adaptées à engendrer une résonance de plasmons de surface (SPR) dans la fibre, les nanostructures métalliques présentant une forme et composition telles que la fréquence de leur résonance de plasmons de surface (wpIasmon) correspond à la fréquence du signal de pompe (copompe) et/ou à la fréquence du signal optique transmis dans la fibre (cosignai). lesdites nanostructures métalliques présentant au moins une de leurs dimensions comprise entre 1 nm et 20 nm et le volume total des nanostructures métalliques étant inférieur à 2 % du volume total du coeur de la fibre. 2. La fibre optique de la revendication 1, dans laquelle les nanostructures métalliques sont disposées dans le coeur de la fibre. 2:) 3. La fibre optique de la revendication 2, dans laquelle les nanostructures métalliques présentent une forme et une composition telles que la largeur de bande de leur résonance de plasmons de surface est supérieure à la fréquence de vibration de la matrice diélectrique (wRaman) du coeur de la fibre. 25 4. La fibre optique de l'une des revendications l à 3, dans laquelle les nanostructures métalliques sont disposées dans un anneau de la gaine entourant le coeur de la fibre, le signal optique étant transmis dans le coeur de la fibre et le signal de pompe étant transmis dans l'anneau. R^Ricvc tsA284C0 2841-090217-fente depct doc - 2009-02-18 1:00-20- 5. La fibre optique de l'une des revendications l à 4, dans laquelle la matrice diélectrique du coeur est à base de silice. 6. La fibre optique selon l'une des revendications l à 4, dans laquelle la matrice diélectrique du coeur est à base de silice dopée avec un élément choisi parmi du germanium (Ge), du phosphore (P), du fluor (F), du bore (B), de l'aluminium (Al), du tantale (Ta), du tellure (Te) ou une combinaison de ceux-ci. 7. La fibre optique de l'une des revendications précédentes, dans laquelle les nanostructures métalliques comprennent un métal choisi parmi de l'or (Au), de l'argent (Ag), du cuivre (Cu), de l'aluminium (Al), du tungstène (W), du nickel (Ni), du palladium (Pd), du rhodium (Rh), de l'iridium (Ir), du ruthénium (Ru), du molybdène (Mo), de l'osmium (Os), du platine (Pt) ou une combinaison de ceux-ci. 8. La fibre optique de l'une des revendications précédentes, dans laquelle les nanostructures métalliques présentent une température de fusion supérieure ou égale à 950°C. 9. La fibre optique de l'une des revendications précédentes, dans laquelle les nanostructures métalliques présentent une température d'évaporation supérieure ou égale à 2100°C. 10. La fibre optique de l'une des revendications 1 à 9, dans laquelle les nanostructures métalliques présentent une forme sphérique avec un diamètre compris entre 1 nm et 10 mn. 11. La fibre optique de l'une des revendications I à 9, dans laquelle les nanostructures métalliques présentent une forme ovale, le petit diamètre (a) 25 étant compris entre 1 nm et 10 nm et le rapport du grand diamètre sur le petit diamètre (b/a) étant compris entre 1 et 2000. RBre.-e s\28400\284 15ù0902 17-tex te depct.doc - 2009-02-18 - 1:00 2942571 -21- 12. La fibre optique de l'une des revendications 1 à Il, dans laquelle les nanostructures métalliques présentent un coeur diélectrique entouré d'une coquille externe métallique avec un diamètre extérieur (D) compris entre 1 nm et 20 nm et une épaisseur (t) de la coquille métallique inférieure à 5 nm, 5 le rapport entre le diamètre du coeur diélectrique et le diamètre extérieur (D-2t)/D étant compris entre 0.5 et 1. 13. La fibre optique de l'une des revendications 1 à 11, dans laquelle les nanostructures métalliques présentent un coeur métallique, une coquille interne diélectrique et une coquille externe métallique, avec un diamètre 10 extérieur (D) compris entre 1 nm et 20 nm et une épaisseur (t2) de la coquille externe métallique inférieure à 5 nm. 14. La fibre optique de l'une des revendications précédentes, présentant un Facteur de Mérite (FOM) Raman supérieur à 10 W '.dB ' pour une longueur de fibre inférieure à 500 m, le Facteur de Mérite Raman étant défini comme 15 le rapport entre le coefficient Raman de la fibre (CR) et les pertes dans la fibre, le coefficient Raman de la fibre (CR, étant défini comme le rapport du gain Raman intrinsèque du matériau (gR) du coeur sur la surface effective (Aer,) de la fibre à la longueur d'onde de la pompe. 15. La fibre optique de la revendication 14, présentant un Facteur de Mérite 20 (FOM) Raman supérieur à 20 pour une longueur de fibre inférieure à 500 m. 16. Amplificateur optique comprenant au moins une portion de fibre selon l'une des revendications 1 à 15. 17. Laser comprenant au moins une portion de fibre selon l'une des revendications 1 à 15. R 'Be n ersV2840C`.28415-09021'-texte depot.doc - 2009-02-18-1:00