Inuence de l'amplication

Il peut être utile lors de transmission de données sur des distances relativement longues de devoir augmenter la puissance du signal an qu'il puisse être détecté de façon conve- nable. En effet, si la puissance optique est insufsante, le signal électrique produit est alors noyé dans le bruit thermique et devient inutilisable. Il existe deux grandes catégories de dispositifs permettant une telle opération.

Les premiers sont appelés "répéteurs". Le signal optique, numérique généralement, est tout d'abord détecté puis réémis par un nouveau laser. L'inconvénient de ce dispositif est qu'une prise de décision existe entre la détection et la réémission. Des erreurs peuvent alors se glisser dans le signal et le détériorer. En utilisant plusieurs de ces dispositifs, les erreurs successives s'ajoutent et dégradent l'information. Le signal en sortie d'un répéteur a donc les caractéristiques de son laser.

La seconde famille regroupe les régénérateurs. Leur rôle est d'apporter de la puissance au signal lors de sa propagation. La phase de prise de décision est conservée jusqu'au dernier moment, là ou l'information est nécessaire. Cependant, là aussi, il existe des dé- gradations. Un régénérateur comprend au moins une phase d'amplication qui diminue le rapport signal à bruit, en augmentant la contribution de l'émission spontanée présente avec le signal. Ainsi dans ce cas, on ne peut pas parler d'erreurs introduites, bien qu'une dégradation existe : on parle de modications du rapport signal à bruit, ou encore de pé- nalités.

Les mesures qui vont suivre ont été réalisées sur le régénérateur le plus simple qui soit, à savoir un amplicateur optique. Certaines structures à base de semi-conducteur per- mettent l'intégration du module d'amplication pour obtenir une structure monolithique laser+Amplicateur. Des simulations du bruit de ces structures ont été menées par MOR-

THIER[124]. Les résultats présentés ici concernent des mesures expérimentales réalisés sur

des lasers "régénérer" par un amplicateur à bre.

La gure 6.41 montre les mesures sur un laser à bre DFB ainsi que la simulation is-

sue de l'interpolation. Le même signal a ensuite été détecté après amplication optique dans un amplicateur à bre dopée Erbium. L'étude du bruit a été réalisée pour des puis- sances optiques reçues identiques. La simulation pour le laser amplié utilise les mêmes

0,1 1 10 100 1000 10000 -180 -170 -160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 Laser Simulation Laser Laser amplifié Simulation Laser amplifié

R IN (d B /H z) Fréquence (MHz)

FIG. 6.41 – Modication du bruit d'amplitude par un amplicateur optique.

paramètres que pour le laser seul à l'exception d'un terme constant qui à été ajouté à l'ex- pression 1.55 pour donner l'expression du bruit d'amplitude :

RIN(ω) = |δφ| φ2₀

= A+Bω

2

(ω_r2+Γ2−ω2)2+4ω2Γ2 +RINsp (6.7)

RINspcorrespond au terme d'émission spontanée ajouté par l'amplicateur optique. Il

s'agit du terme de battement spontanée-spontanée induit par l'amplicateur. Un ltrage permet de réduire le niveau de bruit blanc ajouté, ici égal à -153 dB.Hz−1_{. On a bien une}

addition des deux termes que sont le bruit d'amplitude du laser et celui de l'amplicateur, ce qui exclut toute contribution du terme de battement signal-spontanée lors de l'ampli- cation.

Conclusion

Le banc de mesure de bruit d'amplitude est un outil qui a permis de caractériser dif- férents types de sources. Les plus classiques tels les lasers monomode DFBdonnent des

résultats tout à fait en accord avec les prédictions théoriques. La large gamme de fréquence utilisable permet aussi bien l'étude de laser solide, mais aussi les dispositifs à base de ma- tériaux semi-conducteurs.

Nous avons aussi utilisé ce banc de caractérisation pour l'étude de sources un peu plus exotiques telles que les lasers multi-fréquences à bre, ainsi que les lasers mode-locked à cavité externe. La présence de plusieurs modes lasers a pu être détectée. Il a été démontré que la mesure du RINpermettait une très bonne estimation de la fréquence de relaxation,

de l'amortissement alors que les techniques usuelles par modulation de la pompe peuvent conduire à des valeurs très éloignées et moins précises. Pour le premier type de lasers, les caractéristiques telles que les fréquences de relaxation ont pu être mesurées simulta- nément sur l'ensemble des modes, et en accord avec la modélisation petit signaux. Dans le seconde catégorie de lasers, la fréquence de battement correspondant à l'écart en fré- quence entre deux modes longitudinaux successifs à été mise en évidence. Elle a permis de connaître facilement l'intervalle spectral libre de la cavité, ce qui est un excellent indica- teur de la fréquence à laquelle la pompe doit être modulée an d'obtenir le fonctionnement impulsionnel.

Le banc de caractérisation à aussi permis de révéler la présence de modes secondaires de très faibles puissances, indécelables par d'autres techniques de mesure moins sensible, ou de résolution en fréquence plus faible.

Enn, l'inuence de l'émission spontanée lors de l'amplication des sources lasers so- lides a pu être modélisée en terme de bruit d'amplitude. La mesure expérimentale à permis de négliger tout terme de battement entre le champ spontanée et celui issu du laser.

Application à l'étude du transfert de

bruit par injection optique

Évolution de la largeur de raie d'un

laser injecté

Les premières observations de la synchronisation de deux oscillateurs remontent à plu- sieurs siècles. Déjà en 1665, HUYGENSnotait la désormais célèbre remarque à propos de

deux horloges dont les balanciers oscillaient à l'unisson. L'apparition d'oscillateurs autres que mécaniques a toujours suscité la curiosité vis-à-vis de ce phénomène. Ainsi, au cours du vingtième siècle, les études des systèmes électriques oscillant ont mené VANDERPOL

et ADLERà mener des recherches identiques appliquées à ces nouveaux systèmes.

L'apparition du laser n'a pas échappé à cet engouement. PANTEL et STOVERse sont

intéressés au sujet dès 1965. L'injection optique telle qu'elle est désormais pratiquée est basée sur les premières expériences de STOVERqui fut le premier à réellement s'intéres-

ser au couplage unidirectionnel des oscillateurs optiques. En effet, il utilisa un isolateur entre le premier laser et le second. Ainsi, un des deux lasers fonctionne librement (le laser maître), sans perturbation, tandis que le second (l'esclave) subit l'inuence du champ du maître.

Le cas d'absence d'isolation entre le maître et l'esclave est plus souvent caractérisé d'os- cillateurs couplés que de véritable injection. En effet, le fonctionnement d'un des deux os- cillateurs ne peut pas être étudié indépendamment de l'autre. Une autre technique consis- tant à perturber un laser est de réinjecter le champ optique émis par un laser dans sa propre cavité. On parle alors de contre réaction (Feedback). Ces expériences, plus simples à réa- liser que l'injection optique ont permis d'étudier le comportement de ces lasers [125, 126], mais aussi le bruit d'amplitude [127–129], le bruit en 1/f [130] ainsi que le bruit de fré- quence [131]. La contre réaction a aussi été étudiée pour des cas courants de réexion de Rayleigh lors de la propagation dans les bres [132], mais aussi dans des systèmes plus complexes dans le but de supprimer des modes secondaires [133].

Les parties précédentes étaient consacrées à la détermination théorique et expérimen- tale du bruit d'amplitude de sources lasers utilisées dans les systèmes de télécommunica- tions optiques. Le modèle développé permet de simuler le spectre de bruit d'amplitude de

laser monomode. Les mesures réalisées sur de telles structures, qu'elle soit à base de lasers solides ou de semi-conducteurs, ont permis de le valider.

Nous avons aussi vu qu'un amplicateur pouvait ajouter du bruit au signal issu d'un laser. Dans la section qui va suivre, nous allons étendre le modèle an d'étudier le transfert de bruit par injection optique. Pour cela, nous allons l'adapter an de tenir compte des modications liées à l'expérience.

Dans un premier, temps, les équations permettant de représenter le système global vont être détaillées. Ensuite, elles permettront de simuler le RINd'un laser perturbé par

l'injection d'un signal optique. Ces simulations seront comparées à des mesures expéri- mentales de bruit d'amplitude. Enn, en dernière partie, l'étude du prol de raie du laser injecté nous donnera quelques indications sur le transfert de bruit.

Nous allons présenter ici la modélisation de la réponse d'un laser soumis à l'injection. Divers études ont déjà été réalisées [88, 134, 135]. Nous nous intéresserons ici principale- ment à la modication du bruit d'amplitude du laser esclave lorsque ce dernier est per- turbé par la présence d'un champ extérieur. Pour cela, nous utiliserons, après quelques rappels, les résultats déjà présentés sur le bruit d'un laser monomode seul. Le modèle sera adapté puis complété par des simulations. An de valider les résultats, diverses expéri- mentations ont été menées. L'étude de la forme de la raie laser a aussi été menée de façon a compléter l'étude du transfert de bruit.

7.1 Présentation de l'injection optique

Bien que le principe général soit assez simple, de nombreux phénomènes différents peuvent être observés grâce à l'injection optique. Les photons "sources" d'un laser seul me- nant à l'émission stimulée sont émis par émission spontanée. Le but de l'injection optique est d'introduire une quantité non négligeable de photons qui ne sont pas issus uniquement de l'émission spontanée. La réponse du laser injecté va donc dépendre des propriétés de la lumière issue du laser maître. La diversité des phénomènes observés expliquent l'en- thousiasme lié à l'étude de l'injection dans différents domaines.

Il est possible par exemple de réduire la largeur de raie du laser esclave en injectant un ux optique sufsamment important et ayant une largeur de raie plus faible. Dans le même esprit, la lumière issue du laser esclave vient osciller à la fréquence du laser maître. Tout se passe comme si le champ optique injecté devenait le nouveau terme source du laser esclave, en concurrence avec l'émission spontanée toujours présente. Le fonctionne- ment pour lequel le laser esclave oscille à la longueur d'onde du maître et possède aussi sa largeur de raie est appelé accrochage total. Il existe bien entendu des états intermédiaires entre le fonctionnement libre où la puissance injectée est tellement faible que le laser fonc- tionne comme s'il n'était pas injecté et l'accrochage total.1

Les paramètres permettant de modier l'état du système sont principalement la puis- sance injectée, l'écart en longueur d'onde entre le laser maitre et le laser esclave libre et enn le taux de pompage du laser esclave. En modiant leur valeur, il est alors possible de générer des fréquences micro-ondes ou encore du chaos. En ce qui concerne le bruit d'am- plitude, diverses études ont déjà montré que l'injection optique permettait de réduire les oscillations de relaxation en modulation directe, ainsi que de modier la bande passante de modulation fmà -3 dB. Cette dernière est directement relié à la fréquence de modulation

frpar la relation [136] :

fm =

q

1+√2 f_r (7.1)

La réduction de la dérive en fréquence et du bruit de fréquence indique que l'injection optique peut modier de façon non négligeable la stabilité du laser. il est donc intéressant, dans le cadre du transfert de bruit de voir s'il est possible de modier les propriétés du bruit d'amplitude d'un laser par injection optique.

Différentes études ont déjà été réalisées au laboratoire à propos de l'injection optique et ont permis d'étudier les différents régimes. Des cartographies complètes ont ainsi pu être dressées. Un modèle basé sur la fonction d'Airy généralisée a aussi été développé et permet d'exprimer simplement ce phénomène.

Dans la suite de ce chapitre, nous allons principalement nous intéresser au transfert de bruit d'amplitude pour un désaccord nul entre le laser maître et l'esclave. Pour arriver à

1_{Les différents régimes possibles lors de l'injection optique ainsi qu'un exemple de cartographie représen-}

tant ces états en fonction de la puissance injecté et du désaccord entre le maître et l'esclave sont présentés en annexe

notre but, nous utiliserons les équations d'évolution du laser auxquelles nous apporterons quelques modications an de tenir compte du nouveau terme source. Nous verrons en- suite comment le bruit d'amplitude du laser maître peut inuencer celui du laser esclave. Une fois les équations obtenues, nous ferons diverses simulations en fonction de la puissance injectée, mais aussi en fonction de la gure de bruit du laser maitre.