Évolution des défauts dans les fibres optiques irradiées

Abstract

L'utilisation de fibres optiques à réseaux de Bragg (FBG) comme thermomètres dans des véhicules spatiaux et autres environnements sous rayonnement requiert une caractérisation des défauts créés par les rayons cosmiques, ainsi que leur évolution sous recuit.

Les irradiations des fibres par des protons de 5 MeV ont été faites à des fluences entre 109 cm--2 et 1015 cm--2 afin de reproduire les effets des rayons cosmiques à l'orbite géodésique tel que prévu par la littérature et le programme SPENVIS. L'absorption optique des fibres mesurée par spectrométrie met en lumière la présence de nouveaux défauts optiquement actifs à partir d'une fluence de 109 cm--2. Les défauts principaux qui modifient la transmission dans les fibres sont E, D0, D et POR. À une énergie de 3.5 eV, une bande de photoluminescence est créée à partir d'une fluence de 109 cm--2. Grâce à une filtre passe-haut, il a été possible de déterminer que cette bande provenait d'une photoluminescence excitée d'un défaut produisant une bande d'absorption à des longueurs d'onde supérieures à 420 nm.

Les mesures ToF-SIMS ont mis en évidence la présence de chlore dans les fibres, créant une bande d'absorption à 3.8 eV. Ceci confirme la méthode de fabrication de la silice utilisée pour les fibres optiques de cette recherche. La présence de germanium implique aussi la présence d'une bande à 5.14 eV, trop faible pour être observée par nos appareils de mesure.

Les recuits sous atmosphère contrôlée effectués à différentes températures de 300°C, 500°C, 700°C et 900°C montrent que l'annihilation des défauts n'est pas caractérisée par un processus activé thermiquement avec une seule barrière d'énergie importante. Elle se produit plutôt graduellement, de manière semblable à la relaxation dans les matériaux amorphes. Les défauts de chlore, D0 et POR sont encore observables à une température de 900 °C.

The use of fiber Bragg grating as thermometers in space and radioactive environments requires a characterization of the optical defects created by cosmic rays, as well as their evolution under annealing.

The irradiation of the fibers by protons of 5 MeV have been carried out at different fluences between 109 cm--2 and 1015 cm--2 to reproduce the effect of cosmic rays predicted by the SPENVIS program. The fibers absorption measured by spectrometry showed the creation of new optical defects after a fluence of 109 cm--2. The main defects modifying the transmission in the fibers are E, D0, D and POR. At 3.5 eV, a photoluminescence band is created after a fluence of 109 cm--2. With a high-pass filter, it was possible to determine that this band was made by excited photoluminescence by a defect located at wavelenghts higher than 420 nm.

Tof-SIMS measurements confirmed the presence of chlorine in fibers, which creates an absorption band at 3.8 eV. This enables us to confirm the silica manufacturing method, which is used to make the optical fibers. The presence of germanium implies that there should be an absorption band ad 5.14 eV, but it is too weak to be observed by our measuring methods.

The annealing under nitrogen atmosphere carried out at 300°C, 500°C, 700°C and 900°C shows that the defect annealing is not characterized by a thermally activated process featuring a single activation energy, but occurs gradually over a wide temperature span, similar to what is observed during the relaxation of amorphous materials. Chlorine, POR and D0 defects have been observed at 900 °C.