Deuxième étage : amplificateur impulsionnel

Figure 4.13 : Caractéristiques de l’amplificateur. (a) Puissance signal expérimentale et simulée et proportion d’ASE en fonction de la puissance de pompe. (b) Spectre optique au

maximum d’émission.

4.3.3. Deuxième étage : amplificateur impulsionnel

Avec un gain de 20 dB, la puissance crête en sortie du deuxième étage serait de 35 W. Or si on se réfère au travail de Goodno et al. (Goodno, et al., 2009), ils sont limités en puissance à 300 W par la SBS dans une fibre LMA de 25 µm de diamètre de cœur et de 1,7 m de long et un signal monofréquence à 2040 nm. Cette source n’est pas directement comparable à la nôtre car cette source continue est le siège d’un gradient thermique significatif qui augmente le seuil Brillouin, de plus le niveau de saturation est différent en sortie de la fibre, avec une puissance continue de 300 W contre 2 W moyen dans notre cas. Néanmoins en rapportant cette puissance limite à une fibre de 6 µm de diamètre, on trouve un seuil d’effet non-linéaire de 17 W. Cette puissance est trop faible par rapport à nos objectifs de gain.

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Pour éviter d’être limité en puissance par ces effets non linéaires, la fibre dopée utilisée pour le deuxième étage est une fibre de 10 µm (PM 2). Le problème est que cette fibre avec un cœur de plus grand diamètre a un aussi une puissance de saturation supérieur à une fibre de 6 µm de diamètre de cœur, cf. Tableau 4.3. Le seuil équivalent dans cette fibre d’après (Goodno, et al., 2009) est alors de 48 W. La puissance de saturation est de 273 mW, isat = 2,5 10^-5 µm^-2. L’indice de saturation est inférieur à celui de l’étage précédent. La fibre dopée est moins saturée que pour le premier étage d’amplification. L’efficacité de cet amplificateur sera plus faible. Ce qui peut entrainer une forte émission d’ASE, voir des instabilités.

On pourrait envisager une solution à ce problème. Elle consiste à utiliser deux fibres dopées de diamètre de cœur différent, avec une première section de fibre de petit cœur, comme la PM1 6 µm, et une seconde section de fibre à plus gros cœur, comme la PM2 10 µm. LA fibre de plus petit cœur a une puissance de saturation plus faible que la fibre à plus gros cœur. Le problème de ce montage vient de la soudure entre ces deux fibres. Le cœur de ces fibres n’est pas parfaitement concentrique avec la gaine et leur taille de mode n’est pas compatible ce qui entraine des pertes d’environ 3 dB au niveau de la soudure.

Architecture co-propagative

Une première version du deuxième étage d’amplification suit une architecture de pompe co-propagative. Le montage comprend un isolateur en entrée, un coupleur de pompe à deux voies multimodes, deux diodes laser de pompe de 4,5 W chacune, et 8,5 m de fibre dopée.

Figure 4.14 : Caractéristiques du 2ème étage d’amplification pompé co-propagativement. (a) Puissance signal expérimentale fonction de la puissance de pompe. (b) Spectre optique au

maximum d’émission.

Cette fibre dopée est allongée pour permettre une plus grande absorption de l’ASE. Pour favoriser le fonctionnement de l’amplificateur, les impulsions sont élargies à 1 µs à mi-hauteur pour 20 kHz de taux de répétition. La puissance moyenne en entrée est donc de 7 mW. Cette architecture s’est avérée instable, comme on peut le voir Figure 4.14, des pics apparaissent au niveau de maximum d’ASE autour de 1960 nm, l’amplificateur commence à osciller autour de son pic de gain comme un laser. Cela est dû à la trop faible saturation de l’amplificateur par le signal. De plus la puissance crête des impulsions est d’une vingtaine de watt. Avec des

Chapitre 4 - - Conception d'une source laser, à fibre, monofréquence, linéairement polarisée à 2050 nm

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impulsions plus courtes, la puissance crête des impulsions augmente mais l’instabilité augmente aussi. Les expérimentations n’ont pas pu être menées plus loin avec cette architecture car une des diodes de pompe a été endommagée, certainement par les instabilités. Il était nécessaire de changer d’architecture pour corriger ce problème.

Architecture contra-propagative

Une solution pour mieux saturer le montage est de le pomper contra-propagativement comme on a vu au chapitre 3. L’architecture du deuxième étage est la même que précédemment sauf le sens de pompage, voir Figure 4.15.

Figure 4.15 : Schéma du montage du deuxième étage d’amplification pompé contre-propagativement.

Les instabilités ont disparu pour ce montage, comme on peut le voir Figure 4.16 (b), le spectre d’ASE est plus lisse.

Figure 4.16 : Caractéristiques du 2ème étage d’amplification pompé contra-propagativement. (a) Puissance moyenne de signal et proportion d’ASE pour des impulsions de 200 ns à

40 kHz. (b) Spectre optique au maximum d’émission.

Par contre la proportion d’ASE est plus élevée, l’OSNR est de 26 dB soit 43 % d’ASE au maximum de pompe. La puissance moyenne atteint 370 mW, cf. Figure 4.16 (a), ce qui correspond à des impulsions de 46 W crête. Le calcul approximatif de la puissance crête est

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donné équation (4.1), en fonction de la puissance moyenne de signal, la fréquence de répétition et la durée d’impulsions à mi-hauteur.

𝑃_{𝑐𝑟ê𝑡𝑒} = ^𝑃𝑚𝑜𝑦𝑒𝑛

𝐹_{𝑟𝑒𝑝é𝑡𝑖𝑡𝑖𝑜𝑛}𝑇_𝑖𝑚𝑝 (4.1) Il s’agit d’un calcul approximatif. Les mesures de puissance crête présentées dans ce manuscrit utilisent les mesures de la forme d’impulsion, du spectre, de la puissance moyenne en sortie.

Filtre ASE

La proportion d’ASE est trop importante pour que le signal en sortie de cet amplificateur soit amplifié tel quel. L’ASE doit être filtrée. Pour cela nous avons développé un filtre à l’aide d’un circulateur et un réseau de Bragg, comme sur la Figure 4.17 (a). Le signal et l’ASE entrent voie 1, ils ressortent voies 2, le signal est réfléchit à 99,5 % par le réseau de Bragg de 1,4 nm de largeur spectrale. L’ASE est transmise par le réseau de Bragg. Les pertes totales par transmission entre la voie 1 et la voie 3 sont de 3 dB. Le taux de réjection hors bande est d’au moins 40 dB, voir Figure 4.17 (b), le spectre transmis ne présente plus aucune trace d’ASE. La proportion d’ASE restante dans le signal transmis est inférieure à la capacité de détection, à savoir 0,5 %. L’ASE intra bande est très faible, avec une puissance moyenne 50 dB inférieure à celle du signal comme on peut le voir Figure 4.16 (b).

Figure 4.17 : (a) Schéma du filtre ASE. (b) Spectres normalisés en sortie du filtre pour des impulsions de 200 ns à 40 kHz.

Formes d’impulsions

Les impulsions imposées au le MAO sont des trapèzes. Cette forme d’impulsion permet de générer des impulsions qui tendent à se rapprocher d’une gaussienne. En effet le gain de l’amplificateur n’est pas constant dans le temps, il diminue au cours de l’impulsion. Ainsi une impulsion rectangulaire en entrée a tendance à décroitre exponentiellement après amplification. Les trapèzes dépendent de deux paramètres, la largeur d’impulsion et le temps de montée.

Chapitre 4 - - Conception d'une source laser, à fibre, monofréquence, linéairement polarisée à 2050 nm

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Figure 4.18 : Sortie du deuxième étage d’amplification. (a) Puissance crête des différentes durées d’impulsions en fonction de la fréquence de répétition. (b) Exemples d’impulsions en

sortie du deuxième étage.

La puissance crête des impulsions en sortie du deuxième étage après le filtre est de l’ordre d’une trentaine de watt crête, en fonction de la durée d’impulsion et de la fréquence de répétition. La Figure 4.18 (a) montre qu’on atteint la puissance crête maximale de 38 W pour une impulsion de 100 ns à 10 kHz. Les impulsions en sorties du deuxième étage sont régulières et quasiment symétriques comme on peut le voir Figure 4.18 (b). Une fréquence de répétition plus élevée permet d’augmenter la puissance moyenne injectée dans l’amplificateur et augmente la saturation. Par contre cela réduit la puissance crête comme on peut le voir Figure 4.18 (a).