Caractérisations en puissance, en largeur de raie, et spectrale d’une puce laser à

Courant injecté (mA)

0 50 100 150 200 0 2 4 6 40 80 120 160 Seuil : 14 mA Puissance optique Largeur de raie Efficacité : 4,4 µW/mA

FIG. 2.5 –Caractérisations en puissance, en largeur de raie, et spectrale d’une puce laser à semi-conducteurs utilisée.

Les mesures de largeur de raie sont effectuées avec leFabry-Perot d’analyse d’ISL300MHz pour les largeurs supérieures à 40MHz, les autres sont effectuées avec un autohétérodyneur de résolution 40 kHz.

Nous pouvons observer sur la figure 2.5 (a) l’évolution classique de la puissance op-tique en fonction du courant de polarisation de la diode. Pour de faibles courants, le gain disponible dans la cavité ne peut compenser les pertes et l’effet laser ne peut apparaître.

38 Chapitre 2. Lasers à semi-conducteurs

Spectralement, nous pourrions observer de l’émission spontanée amplifiée dont la largeur spectrale correspond à celle du gain. Le seuil est atteint pour un courant de 14 mA: le gain compense les pertes et l’effet laser apparaît. Une fois le seuil dépassé et au fur et à mesure que le courant augmente, nous voyons la puissance augmenter de manière linéaire avec une efficacité de 4,4µW/mA, et la largeur de raie diminuer⁴: le signal est de plus en plus cohérent puisque sa largeur de raie passe de plus de 150 MHz à moins de 10 MHz. Pour de forts courants de polarisation, nous observons la puissance optique saturer et même diminuer, et la largeur de raie augmenter de nouveau : ces effets sont d’origine thermique comme a pu le montrer GABETdans sa thèse [71]. Sur la figure 2.5 (b), nous observons le spectre optique du laser avec un analyseur de spectre optique de résolution 0,1 nm : nous pouvons remarquer que le rapport de suppression de mode dans le laser augmente avec le courant : plus les énergies mises en jeu sont importantes et plus le mode dominant peut écraser par compétition de mode les autres fréquences résonnantes. Ainsi, le taux de suppression de mode est de 11 dBà 1,5 fois le seuil, de 45 dBà 3,8 fois le seuil, et de 49 dB

à 9,2 fois le seuil.

Une autre grandeur caractéristique importante pour nos lasers est la fréquence de re-laxation. La physique de cette grandeur est explicitée plus en détail dans le cadre des lasers à fibre au paragraphe §3.3.4. En ce qui concerne les puces lasers utilisées, les fréquences de relaxation sont de l’ordre de 5GHz : nous trouverons en détail la mesure de ces fréquences dans la thèse de GABET[71].

Notons enfin les dérives en longueur d’onde, typiquement de l’ordre de -1GHz/mA

avec le courant de polarisation, et de +10 GHz/^◦Kavec la température. Le contrôleur de courant utilisé⁵nous assure une précision (exactitude) en courant de 1µAdonc une préci-sion en fréquence pour nos diodes de 1MHz. Quant au contrôleur de température utilisé⁶, sa précision de 0,01 ^◦K nous permettrait d’obtenir une précision en fréquence nominale de 100 MHz. Ces chiffres sont à comparer aux outils d’analyse que nous avons à disposi-tion, le plus fin étant l’analyseur de spectre optiqueFabry-Perot d’intervalle spectral libre 300MHz et de résolution 2,3MHz. L’imprécision sur le courant ne pose donc pas de pro-blème et sera transparente pour nos outils d’analyse, mais celle due à la température reste un problème. Heureusement pour des mesures inférieures à la dizaine de secondes, nous pouvons atteindre en pratique une stabilité en fréquence effective de l’ordre de±15MHz. Cette instabilité est acceptable pour bon nombre d’expériences d’injection optique, mais restera un problème pour certaines d’entre elles, telle l’étude de l’attraction en fréquence.

4L’évolution de la largeur de raie est fonction du courant de polarisationIet du courant de seuilIth. Elle évolue dans une première approximation en 1/(I−I_th).

5Nous utilisons un contrôleurILX LDC-3900 avec une carte 39020, de chezLightwave.

2.2. Caractérisation des lasers à semi-conducteurs utilisés 39

2.2.2 Source accordable commerciale

Nous verrons par la suite que les expériences d’injection optique nécessitent de pou-voir accorder en fréquence les lasers utilisés. Nous pourrions les accorder en utilisant les dérives en courant et en température des puces laser, mais nous avons choisi une solution plus simple et plus précise, à savoir l’utilisation d’une source accordable commerciale⁷. C’est un laser à semi-conducteur dont l’un des miroirs est annihilé par dépôt d’une couche anti-reflet, pour laisser place à un miroir externe constitué d’un réseau mobile en espace libre. La rotation du réseau permet d’accorder la source en longueur d’onde, en choisis-sant la longueur d’onde qui est réfléchie dans la cavité. Cette source est accordable sur une plage allant de 1500 nm à 1565 nm avec une précision pas à pas de 1 pm, et une puissance de sortie de l’ordre du mW pour une largeur de raie à mi-hauteur de 125 kHz. C’est la précision de la mécanique qui permet la rotation du réseau qui définit la précision spec-trale de la source, mais aussi sa largeur specspec-trale. Il est possible d’appliquer une tension analogique externe nous permettant d’atteindre une précision de l’ordre duMHz. Enfin, la gigue est particulièrement faible car de l’ordre duMHz elle aussi. Notons enfin le rapport de suppression de mode de 30 dBminimum. Cette source est polarisée et fibrée, avec une fibre à maintien polarisation.

7Nous utilisons une TUNICS(modèle 3642CR00) de chezPhotonetics, dont la tête optique est déportée pour plus de stabilité.

Chapitre 3

Lasers à fibre

Les premiers lasers à fibre apparaissent très tôt après l’invention du laser, avec les études de SNITZERen 1961 et 1964 [123] [124]. Cependant, c’est à la fin des années quatre-vingts que la recherche en ce domaine commence réellement à se développer, principale-ment en ce qui concerne les lasers à fibre avec un seul mode longitudinal. Elle se concentre dans un premier temps sur des lasers en anneaux [125], pour lesquels l’aspect monomode est notamment obtenu par élimination de la sélection spatiale du gain, communément ap-peléespatial hole burning. En parallèle, l’évolution des réseaux deBragg photo-inscrits dans les fibres progresse et permet de fabriquer efficacement des miroirs sélectifs en longueur d’onde dans une fibre optique, et en bandeC. Des études commencent ainsi sur des struc-tures à réflecteur deBragg réparti comme les études de JAUNCEY[126] en 1988. L’évolution des fibres optiques photosensibles et dopées ont par la suite permis la fabrication de lasers à fibre à contre-réaction répartie tels ceux fabriqués par KRINGLEBOTN[127] [128] en 1994. Nous verrons par la suite que de nombreuses études se sont poursuivies afin d’obtenir des sources monomodes robustes, accordables, efficaces et puissantes.

De tels lasers sont attrayants pour plusieurs raisons : leur finesse spectrale pouvant descendre à quelques kHz, leur fort rapport signal sur bruit, leur accordabilité sur plu-sieurs dizaines de nm et leur simplicité de fabrication. D’une manière plus générale, ils sont aussi intéressants pour leur compatibilité avec des systèmes à fibre, principalement dans le domaine des télécommunications, que ce soit pour des sources dans le cadre d’un multiplexage en longueur d’onde (WDM), pour un système de type codage à accès mul-tiple par répartition de code (CDMA), ou encore pour des télécommunications cohérentes. Mais de nombreuses applications autres que les télécommunications sont aussi accessibles à de telles sources, à savoir la métrologie, les capteurs, la spectroscopie, la génération de si-gnaux micro-ondes, ou encore comme laser maître pour affiner spectralement la raie d’un

LIDARpar injection laser.

Un des buts de la coopération entre les deux universités Bretonne et Québécoise est la fabrication de sources lasers fibrées monomodes pour l’étude de l’injection optique, en particulier pour les expériences de détection de faibles signaux cohérents. Ainsi, nous

42 Chapitre 3. Lasers à fibre

haitons fabriquer des sources lasers monomodes longitudinales et transversales, avec un seul mode de polarisation. Ces sources sont réalisées par photo-inscription de réseaux de

Bragg sur fibre dopée photosensible : nous commencerons par présenter les fibres utilisées et la méthode d’écriture des réseaux de Bragg dans les fibres avant d’étudier les lasers à réflecteurs deBragg répartis, puis ceux à contre-réaction répartie. Nous présenterons enfin quelques études de bruit sur des lasers multifréquences.

3.1 Fibres optiques utilisées

Trois fibres photosensibles différentes sont évoquées dans ce document. Les deux pre-mières ont été directement utilisées, elles proviennent de l’InstitutNational d’Optique¹: la première est une fibre dopée erbium uniquement, la deuxième est codopée avec de l’ytter-bium. La troisième fibre provient de Southampton, c’est une fibre photosensible codopée erbium-ytterbium utilisée par CASTONGUAY[129] pour la fabrication de lasers à fibre mul-tifréquences. Nous ne décrivons par la suite que les deux premières fibres.

3.1.1 Constitution

Les fibres utilisées sont monomodes pour la fréquence pompe et la fréquence signal des lasers. Le caractère monomode de la fibre nous assure un fonctionnement monomode transverse du laser, et un recouvrement satisfaisant de la pompe avec les ions terres rares. Les fibres sont composées d’alumino-germano-silicate, et dopées avec de l’erbium et éven-tuellement de l’ytterbium. Nous allons décrire dans ce paragraphe le rôle de ces différents constituants.

La fibre est tout d’abord constituée d’une matrice de silice. Le guidage est effectué en augmentant l’indice du cœur par rapport à l’indice de la gaine, par introduction de germanium. L’introduction de germanium est accompagnée de défauts constitués d’oxyde de germanium, qui confèrent à la fibre sa propriété de photosensibilité, dont les origines physiques sont variées et complexes. Plusieurs modèles ont été présentés, notamment ceux de centres de couleur [130], les modèles photoréfractifs, de densification ou les modèles de relaxation de contraintes. Ces modèles ne seront pas étudiés plus en détails, mais le lecteur pourra se référer aux différents articles traitant du sujet [131] [132].

En 1993, LEMAIRE[133] a montré que la photosensibilité de la fibre pouvait être aug-mentée d’un facteur allant de dix à cent en diffusant de l’hydrogène dans la fibre. La mé-thode consiste à placer la fibre dans une bonbonne d’hydrogène sous pression pendant une dizaine de jours à température ambiante avant de l’exposer au faisceau UV. D’autres tels que les industriels pourront aussi augmenter la température lors de la diffusion pour accélérer le processus. L’inconvénient de ce processus d’hydrogénation, couplé à une

3.1. Fibres optiques utilisées 43

positionUV, est qu’il augmente les pertes de la fibre d’environ²0,1 à 0,2 dB/cm à 1550 nm comme a pu le montrer JOHLEN[134] en 1999, et induit aussi des pertes autour de 980 nm comme le décrit LEMAIRE[133]. Le lecteur pourra se référer aux travaux plus récents de CANNING[135] sur ce sujet. Il est donc préférable d’utiliser du deuteriumD=¹₂H, aussi appelé hydrogène lourd, qui n’est autre que de l’hydrogène¹₁H avec un neutron supplé-mentaire. Les fenêtres d’absorption [136] du deuterium sont décalées par rapport à l’hy-drogène, et se retrouvent plus éloignées de la longueur d’onde de travail de 1550 nm. Le traitement au deuterium n’apporte donc pas de pertes significatives supplémentaires, mais est beaucoup plus dispendieux !

La fibre contient aussi de l’erbium : nous expliquerons au paragraphe §3.1.2 que ce

do-pageerbiumpermet de faire de la fibre un milieu amplificateur, l’insertion d’aluminium

dans la matrice permet quant à elle d’éviter les amas d’ions erbium. Notons enfin la pré-sence de phosphore, de grande utilité pour le milieu de gain comme nous le verrons au paragraphe §3.1.2, mais qui tend à diminuer la photosensibilité de la fibre.

Cœur dopé (Er ou Er-Yb)

Anneau photosensible (Ge) Gaine de guidage