Les lasers accordables

Une source accordable est un laser dont on peut sélectionner la longueur d’onde d’émission dans une plage spectrale donnée. Les applications de ces sources sont nombreuses comme par exemple la spectroscopie et la caractérisation de composants optiques tels que des filtres. Ainsi, à l'aide de sources accordables, on peut aisément obtenir la réponse spectrale d'un dispositif en mesurant simplement la puissance de sortie en fonction de la longueur d'onde.

Afin d’obtenir une émission laser ayant une fréquence accordable, plusieurs technologies ont été développées. La technique la plus courante, car utilisée dans des systèmes commerciaux[2]_{, est}

l’emploi d’un réseau de diffraction placé sur un étage de rotation. En permettant au réseau d’effectuer une rotation, il est alors possible de sélectionner la longueur d’onde suivant les lois de diffraction d'un réseau optique. La théorie de la diffraction prévoit que l'angle du (des) faisceau(x) diffracté(s) (en sortie du réseau) est relié à l'angle d'incidence ainsi qu'à la longueur d'onde du champ optique. Cependant, cette technologie souffre d’un manque de précision et de reproductibilité, car elle utilise

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un élément mécanique : l’étage de rotation. Une alternative intéressante est l’utilisation d’éléments acousto-optiques et notamment de filtres accordables acousto-optiques. L’angle de Bragg étant fixé, la variation du pas du réseau par l’intermédiaire de la fréquence de l’onde acoustique permet d’obtenir une accordabilité sur une plage de longueur d’onde conséquente. On peut formaliser ce principe en réécrivant l’équation (1.9) s B s

v

λ=2

sinθ .

f

L’accordabilité a été démontrée à l’aide de plusieurs technologies lasers. Le premier laser de ce type a été réalisé en utilisant un laser à colorant en 1971 par Taylor[3]_{, qui utilisait un filtre accordable}

développé en 1969 par Harris[4]_{. La plage d’accordabilité était de 78 nm pour une variation de la}

fréquence acoustique comprise entre 58.2 et 45 MHz. De nos jours, les principales technologies utilisées pour la réalisation de sources accordables aux longueurs d’onde de l’industrie des télécommunications optiques sont celles du semi-conducteur et des fibres dopées aux terres rares.

Un exemple de réalisation d’une source accordable utilisant des lasers à semi-conducteurs et un modulateur acousto-optique est présenté à la figure 1.5. La cavité, proposée par Coquin et al[5]_{, est}

composée d’un laser à semi-conducteurs dont l’une des facettes est recouverte d’un traitement anti- reflet. La nature accordable du laser est obtenue à l’aide d’une cavité externe utilisant un filtre accordable acousto-optique.

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On notera la présence d'un second élément acousto-optique dont le rôle, comme nous le verrons au chapitre V, est d’annuler le décalage en fréquence induit par le filtre accordable et de permettre l’établissement d’une condition de résonance dans la cavité. Pour se faire, ce second modulateur introduit un décalage en fréquence de valeur opposée à celui créé par le filtre accordable. La cavité est enfin fermée par un miroir externe. Les auteurs ont ainsi pu obtenir une accordabilité entre 846.5 et 866.5 nm sur une plage de 20 nm.

Ce dispositif a aussi été utilisé avec la technologie des lasers à fibre, notamment avec un milieu de gain constitué de silice dopée à l’erbium erbium[6]-[8]_{. Comme nous le verrons dans la suite de ce}

document, l’erbium est le dopant idéal pour la réalisation de sources laser à fibre optique dans les télécommunications optiques.

Figure 1.6 : Schéma expérimental de la cavité proposée par Smith et al[8]_.

(A)Dispositif expérimental, (B) Résultats expérimentaux.

En 1991, Smith et al[8] _{ont inséré un filtre acousto-optique dans la cavité d’un laser à fibre optique}

dopée à l'erbium. La cavité était une configuration en anneau de 15 mètres de long et était pompée à l’aide d’un laser titane saphir (puissance 300 mW) de longueur d’onde égale à 980 nm. Le filtre acousto-optique avait une largeur à mi-hauteur de 1.5 nm, la fréquence du signal de commande variait entre 170.9 et 172.1 MHz. Le facteur d’accordabilité était de 8.8 nn/MHz. À l’aide de ce dispositif, les auteurs ont démontré une accordabilité sur plus de 40 nm. La longueur des cavités des lasers à fibre induit le plus souvent un spectre d’émission multimode, très sensible aux perturbations provenant de

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l’environnement extérieur. Pour la configuration proposée à la figure 1.6, le laser demeure monomode et possède une largeur de raie égale à 10kHz.

Nous terminons la description des lasers accordables utilisant des filtres acousto-optiques par la présentation d’une configuration utilisant les semi-conducteurs comme milieu de gain. Leurs performances sont satisfaisantes, cependant il s’agit souvent de cavités en espace libre donc assujetties aux perturbations extérieures. Pour palier à ces problèmes de stabilité et pour miniaturiser au maximum ces sources, Takabayashi et al[9] _{ont utilisé un amplificateur optique à semi-conducteurs}

placé en cascade avec un filtre accordable acousto-optique, le tout intégré dans un guide. La structure proposée dans la référence [9] est la suivante :

Figure 1.7 : Schéma expérimental de la cavité proposée par Takabayashi et al[9]_.

(A) Dispositif expérimental. (B) Résultats expérimentaux.

La cavité est composée d’un amplificateur optique à semi-conducteur (AOS) ayant un gain maximum à la longueur d’onde de 1550 nm. La bande d’accordabilité du filtre acousto-optique s’étend de 1510 à 1610 nm. La longueur de la cavité est égale à 50 mm donnant un ISL de 2 GHz. Un micro-étalon Fabry-Perot de finesse suffisante pour assurer le caractère monomodal de la source est intégré au dispositif. À l’aide de cette cavité, il est possible d’obtenir une accordabilité sur plus de 90 nm entre 1512 et 1604 nm. La puissance de la source était de 10 dBm avec un rapport signal à bruit de 55 dB pour tous les canaux.

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