Chapitre 4 Conception et caractérisation de l’amplificateur Raman
4.1 Conception et caractérisation de l’amplificateur Raman avec pompe multimode
4.1.3 Amplification Raman
Résultats d’amplification
Nous avons maintenant à notre disposition tous les éléments permettant d’amplifier le signal à 1645 nm jusqu’à 250 W crête (25 µJ) théoriques. Le signal préamplifié dans l’étage R1 atteignant 4 W crête est injecté dans l’étage R2. La pompe à 1545 nm issue de l’étage 2.3 est injectée de façon contra-propagative. La FHNL est enroulée autour du cylindre, répartie sur 6 spires d’un côté et une spire de l’autre. Une élongation longitudinale d’environ 1 % est appliquée. Nous avons alors mesuré le profil suivant pour le signal amplifié (FIGURE 4.11).
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FIGURE 4.11 ‒ Profil temporel de la puissance signal en sortie de l’amplificateur Raman pour la pompe multimode amplifiée. Le profil est moyenné sur 50 impulsions. (Mesure)
La puissance atteint 155 W crête pour une énergie de 11 µJ. Les oscillations, déjà présentes en sortie de l’étage 2.3, sont encore plus marquées à cause du transfert du bruit d’intensité de la pompe vers le signal, et ce malgré le lissage temporel lié à l’amplification contra-propagative.
Saturation de l’amplification
L’amplification Raman ne semble ni limitée par la puissance de pompe disponible, ni par la diffusion Brillouin du signal ou de la pompe. Nous avons cependant constaté que la puissance du signal amplifié augmentait peu pour des puissances de pompe supérieures à 800 W crête. Bien que le profil temporel de la pompe ne reste pas identique avec sa puissance, il est intéressant dans une première approche de regarder l’évolution de l’énergie du signal amplifié en fonction de celle de la pompe (FIGURE 4.12).
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La FIGURE 4.12 semble montrer une saturation supplémentaire de l’amplification Raman par rapport à la saturation due à la déplétion. A nouveau, l’explication est à chercher du côté de l’élargissement spectral de la pompe. La FIGURE 4.13a montre le spectre de la pompe après propagation dans la FHNL (avant le MUX de sortie) en l’absence de signal à 1645 nm, pour différentes énergies.
FIGURE 4.13 ‒ (a) Spectre de la pompe en sortie de la FHNL. (b) Quantité relative d’énergie de pompe comprise dans la bande 1535-1555 nm. (Mesure)
La FIGURE 4.13a témoigne d’un transfert d’énergie très important dans la FHNL. La contribution de la diffusion Raman autour de 1650 nm est très nette et semble être élargie par FWM/XPM. Un deuxième lobe d’ASE Raman semble également être généré vers 1750 nm.
Nous avions pourtant vu dans la partie 2.1.1 que l’ASE Raman devait être négligeable étant donné les gains en jeu. Cette condition a cependant été déterminée dans le cas où l’ASE Raman était amorcée par le bruit de photons dans la FHNL. Or nous avons vu que le spectre de la pompe était déjà large avant de rentrer dans celle-ci (FIGURE 4.9b). Bien que la puissance comprise entre 1555 et 2000 nm soit faible en sortie de l’étage 2.3, celle-ci reste bien supérieure au bruit de photons et favorise ainsi l’élargissement spectral observé dans la FHNL. Cet élargissement est d’autant plus favorisé que la FHNL a un petit cœur, destiné à exalter la diffusion Raman.
Pour se donner une idée de la diminution du gain Raman que cet élargissement induit, on peut tracer à partir de ces spectres la quantité d’énergie comprise entre 1535 et 1565 nm ramenée à la quantité d’énergie totale de la pompe, pour différentes énergies (FIGURE 4.13b). La chute importante de l’énergie utile semble confirmer que la saturation de l’amplification Raman est due à l’élargissement spectral.
Il est toutefois difficile de déterminer précisément l’impact de l’étage R2 sur le gain pour deux raisons. D’une part cet élargissement a lieu progressivement dans la FHNL : en début de fibre la quantité utile d’énergie est a priori de 95 %, comme en sortie de l’étage 2.3. D’autre part parce que ces spectres ont été obtenus en l’absence de signal, alors que celui-ci entraîne une déplétion de la pompe et donc une diminution de l’élargissement spectral dans la FHNL.
(a)
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Variations dues à la polarisation
Cela n’a pas été abordé dans la partie 1.2.6 puisque nous avons supposé que toutes les polarisations sont linéaires et alignées, mais l’amplification Raman est sensible à la polarisation relative de la pompe et du signal [10]. Dans le cas où les polarisations pompe et signal sont alignées, le gain Raman est égal à 𝑔𝑅. Lorsque les polarisations sont croisées, le gain tombe à 0,2 𝑔𝑅.
Les variations de polarisation en sortie de l’étage 2.3 (cf. partie 4.1.2) vont donc avoir un impact sur le gain de l’étage R2. La variation dans le temps de l’énergie du signal amplifié (sans élément polarisant) a été mesurée simultanément à celle de la pompe derrière un élément polarisant (FIGURE 4.14).
On peut voir sur la FIGURE 4.14 que les deux variations sont corrélées. La variation relative de l’énergie du signal amplifié est cependant bien plus importante que celle de la pompe. Le gain Raman étant exponentiel, une petite variation de 𝑔𝑅 peut induire une forte variation du signal
amplifié.
Ces variations importantes ne sont pas rédhibitoires pour le système LIDAR, mais il est préférable de réduire leur amplitude. La version finale de l’étage R2 devra être conçue avec un meilleur contrôle de la polarisation, notamment en retravaillant les soudures de part et d’autre de la fibre amplificatrice de l’étage 2.3.
FIGURE 4.14 ‒ Variation relative de l’énergie du signal amplifié (sans élément polarisant) et de la pompe en sortie de l’étage 2.3 (derrière un élément polarisant). (Mesure)
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