Lasers à bre

Les lasers à bre sont des sources où le milieu amplicateur est constitué d'une bre dopée et pompée par des diodes lasers [150]. Pour la bande C des Télécoms, la bre est dopée à l'Erbium3, et pompée par des diodes lasers à 980 nm. La pompe est injectée dans la bre à l'aide d'un multiplexeur, c'est-à-dire un composant séparant dans des bres distinctes les faisceaux aux diérentes longueurs d'onde. Les principaux avantages de ce type de laser sont les suivants [151] :

 Une forte intensité de pompe : la puissance de pompe est connée dans le c÷ur de la bre de quelques microns de diamètre, ce qui permet des intensités bien plus impor-tantes que dans un cristal massif.

 Le signal et la pompe sont tous deux guidés, ce qui permet un excellent recouvrement des deux champs lumineux, donc une conversion ecace.

 Le diamètre du faisceau de pompe est indépendant de la longueur du milieu à gain, ce qui n'est pas le cas pour un milieu massif pompé par un faisceau gaussien, comme nous le verrons dans le paragraphe 3.3.2. Le milieu à gain peut donc être arbitrairement long.

 Bien qu'arbitrairement long, le milieu à gain peut être également très compact, puisque la bre peut être enroulée.

 Le faible diamètre de la bre permet une bonne dissipation thermique, ce qui limite de nombreux problèmes, tels que les eets de lentille thermique, ou les contraintes thermiquement induites.

 Pour obtenir faisceau de bonne qualité, il sut d'utiliser une bre monomode.

 La cavité entièrement brée est bien plus robuste aux vibrations mécaniques qu'une cavité à l'air libre. Elle est notamment plus facilement isolable des vibrations qu'une cavité étendue.

Comme pour les diodes lasers, le laser à bre peut être à contre-réaction répartie (DFB) si un réseau de Bragg est inscrit sur la bre. Le pas du réseau xe alors la fréquence de la source. La structure périodique peut être gravée près du c÷ur ou, si la bre est photosensible, 3On parle alors de laser à bre dopé à l'Erbium, ou de Erbium Doped Fiber Laser en anglais, EDFL. La bre est parfois codopée Erbium-Ytterbium an d'accroître l'eet du pompage.

être inscrite à l'aide d'un laser ultra-violet.

Le laser peut être accordé en fréquence grâce à trois paramètres. On peut tout d'abord faire varier la température de la bre, ce qui va modier le pas du réseau. De plus, le réseau de Bragg peut être monté sur un substrat piézo-électrique. En modulant la tension à ses bornes, on peut alors moduler la fréquence du laser jusqu'à environ 10 kHz. Enn, le courant dans les diodes de pompe permet de faire varier la fréquence du laser. Le tableau 3.1 précise l'accordabilité du laser à bre que nous avons testé. Ces valeurs ont été déterminées en se repérant sur l'absorption saturée du Rubidium après doublage de fréquence de la source. Le tableau présente donc également les valeurs pour la fréquence doublée.

1560 nm 780 nm

Température −2, 7 ± 0, 3 M Hz.m◦C⁻¹ −5, 3 ± 0, 5 M Hz.m◦C⁻¹ Piézoélectrique 10, 4 ± 0, 3 M Hz.V⁻¹ 20, 8 ± 0, 5 M Hz.V⁻¹

Courant −0, 66 ± 0, 08 M Hz.mA−1 −1, 33 ± 0, 15 M Hz.mA−1

Tableau 3.1 - Accordabilité du laser à bre.

Nous possédons deux lasers à bre dopée Erbium de la marque IDIL-Kohéras, de largeur de raie spéciée inférieure à 2 kHz, de puissance 10 mW pour l'un et 50 mW pour l'autre. Même si une telle nesse n'est pas nécessaire dans le cadre de nos applications, elle peut être utile pour des expériences de télémétrie laser, réalisées au sein de l'unité Diagnostics Optiques et Plasmas de l'ONERA. An de mesurer la largeur de raie de ces lasers, nous avons réalisé une simple expérience de battements optiques : les deux lasers brés sont mélangés à l'aide d'un coupleur bré, et le signal de battement est détecté par une photodiode rapide. Le signal électrique est alors envoyé vers un analyseur de spectre.

La gure 3.6 montre les spectres de battement, pour une résolution de 1 kHz et de 10 kHz. Précisons tout d'abord comment déduire la largeur de raie à partir du signal de battement. Nous travaillerons avec la largeur à mi-hauteur (Full Width at Half Maximum en anglais, FWHM). Le prol du signal de battement étant souvent plus proche d'une Lorentzienne que d'une gaussienne (voir annexe A.3), nous considérerons que le spectre est bien décrit par une Lorentzienne. Comme le battement correspond au produit des deux ondes, les spectres de ces ondes sont convolués. La largeur spectrale du signal de battement est alors de 2Γ, où Γ est la largeur à mi-hauteur de la raie. La photodiode renvoie un courant proportionnel à ce signal de battement, mais l'analyseur de spectre présente le spectre de puissance, il est donc proportionnel au carré du courant. Ainsi, pour remonter à la largeur à mi-hauteur du signal de battement, il faut prendre la largeur du spectre à −6 dB. La largeur de raie du laser est alors déduite en prenant la moitié de la valeur mesurée.

Pour une résolution de 10 kHz la largeur de raie mesurée est de 10 kHz. Cette mesure est donc limitée par l'instrument. On peut donc seulement armer que la largeur de raie de

Fig. 3.6 - Battement de deux lasers à bre dopée Erbium de la marque IDIL.

chaque laser est inférieure à 5 kHz. Le spectre à 1 kHz montre plusieurs pics de quelques kHz de largeur à mi-hauteur, ce qui laisse supposer que les lasers ont bien la nesse < 2 kHz annoncée par le constructeur. En revanche, la fréquence de battement présente des oscillations rapides de l'ordre de quelques kHz en 500 ms. En résumé, les laser à bres IDIL présentent eectivement une largeur spectrale de quelques kHz, mais leur stabilité à court terme élargit la raie.

La stabilité à long terme des lasers libres a été caractérisée en asservissant en fréquence une des deux sources. La gure 3.7 présente l'évolution de cette fréquence de battement pour des temps longs. Un laser à bre et une diode laser ont successivement été comparés au laser à bre asservi : alors que la dérive maximale de la diode laser est de 6 MHz.h−1, le laser à bre présente une dérive bien plus forte (25 MHz.h−1). Ceci peut être imputé au fait que la zone à thermostater dans le laser à bre est nettement plus importante. Aussi, il n'est pas étonnant que, malgré la régulation thermique, la bre ait localement certaines inhomogénéités de température. Cette importante dérive risque de poser problème pour asservir le laser sur de très longues durées : en eet, d'après le tableau 3.1, une électronique de contrôle de 15 V ne permettrait de corriger qu'une variation de fréquence d'environ 150 MHz. Ce problème sera adressé en n de chapitre.

Fig. 3.7 - Stabilité en fréquence d'un laser à bre et d'une diode laser. Chaque laser est mélangé à un laser de référence asservi en fréquence.