Lasers sur fibre dopée erbium

Les tous premiers essais ont été effectués sur la fibre dopée erbium seulement. Nous présentons une première caractérisation des lasers fabriqués sur la figure 3.12. Graphe (a), nous pouvons observer un seuil laser relativement bas de 28,6 mW, mais une efficacité la-ser très faible, à savoir 0,0012 %. Une telle efficacité implique des puissances de sortie très faibles qui dépassent difficilement leµW. Il est à noter cependant que l’efficacité mesurée est effective et moindre que l’efficacité réelle du laser, car les pertes du multiplexeur de sortie affectent directement la pente de la caractéristique. Les deux voies du laser ont des efficacités différentes car nous avons volontairement photo-inscrit un réseau plus fort que l’autre afin de privilégier une sortie du laser. Nous avons représenté sur le graphe (b) l’ac-cordabilité de notre laser par étirement de la fibre : la saturation est due à un glissement de notre fibre, mais nous remarquons une accordabilité possible sur plusieurs nm. La plage d’accordabilité disponible est en fait limitée par la casse de la fibre. Les limites mécaniques de la fibre par étirement sont de l’ordre de 0,5 % alors qu’elles sont de 2,5 % par compres-sion. Ainsi, nous ne pouvons guère accorder le laser par étirement sur plus de 5 nm sans risque de casse, alors que BALL[174] a pu montrer une accordabilité sur plus de 30 nm par compression. Les travaux récents effectués par GOHet MOKHTARmontrent une méthode pour accorder les réseaux deBragg sur plus de 90 nm, ouvrant ainsi la porte à des lasers accordables sur une large plage spectrale. Le graphe (c) présente un spectre optique non

14Les évolutions à très court terme se passent sur un temps inférieur à la seconde.

15Le vieillissement, de dynamique lente, est critique dans la dizaine de minutes suivant la fin de la photo-inscription.

60 Chapitre 3. Lasers à fibre Puissance pompe (mW) Puissance laser (µW ) Étirement du laser (nm) Accordabilité (nm) ^{0 200 400} 0,0 1,0 2,0 Fréquence relative (GHz) Densité spectrale de

puissance optique (u.a.)

-4 -2 0 2 0,6 0,8 1,0 0 200 400 600 -60 -50 -40 -30 Fréquence (MHz) Densité spectrale de puissance électrique (dB)

(a) (b)

(c) (d)

FIG. 3.12 –Caractérisation première desDBRs sur fibre erbium.

(a) : caractéristique en puissance signal versus la puissance pompe pour les deux sorties du laser. (b) : accordabilité par étirement du laser maintenu par deux points séparés d’environ 10 cm.

(c) : spectre optique auFabry-Perot d’analyse d’ISL10GHz moyenné sur 100 points. (d) : battement micro-ondes des deux modes de polarisation préalablement projetés sur un même axe.

Les mesures de puissance du graphe (a) sont effectuées avec un analyseurFabry-Perot.

résolu obtenu avec leFabry-Perot d’analyse d’ISL10GHz. Nous pouvons observer la pré-sence de deux modes lasers séparés de 400MHz environ, qui se sont révélés après étude¹⁶ être des modes de polarisation. L’écart en fréquence est mesuré finement graphe (d) sur le spectre électrique résultant des battements entre ces deux modes projetés via des boucles deLefèvre [175] sur un polariseur. La mesure de la différence de longueur d’onde∆λnous renseigne sur la biréfringence∆nde la fibre exposée d’indicenà la longueur d’ondeλvia l’équation 3.1.

∆λ

λ ⁼

∆n

n (3.1)

Dans une première approximation, pour un indice de 1,5 et une longueur d’onde de 1550 nm, nous obtenons une biréfringence de 3·10⁻⁶. La faible valeur de cette biréfrin-gence nous fait penser qu’elle est intrinsèque à la fibre, et non liée à l’expositionUV.

Un autre point intéressant concerne le sens de pompage. En effet, les lasers peuvent avoir des comportements très différents suivant le sens dans lequel ils sont pompés.

Cer-16L’étude consiste à insérer des boucles deLefèvre [175] et un polariseur entre le laser et leFabry-Perot d’analyse. S’il est possible d’éteindre une seule des deux raies en jouant sur les boucles deLefèvre, c’est que ce sont bien deux modes de polarisations différentes.

3.3. Lasers à réflecteurs deBragg répartis 61

tains par exemple ne lasent que pour un seul sens de pompage. Ces différences dans le comportement peuvent s’expliquer par plusieurs points dont les importances relatives dé-pendent de la structure du laser. Tout d’abord, les longueurs de fibre dopée non exposée avant et après le laser ne sont pas égales. Ainsi, la pompe sera plus ou moins absorbée selon le sens de pompage. D’autre part, les réseaux sont de forces différentes, donc il est préférable d’avoir plus de puissance pompe du côté du réseau le moins fort, car la péné-tration de la lumière dans le réseau se fera d’autant plus qu’il est faible. Enfin, les lasers sont fabriqués avec la pompe allumée, donc avec une certaine distribution de puissance pompe, ou encore une certaine distribution thermique. Ainsi, nous pouvons considérer une fois la pompe éteinte que les réseaux sont tels des réseaux à pas variable. Cette dérive en fréquence est compensée par l’effet thermique lorsque nous pompons le laser du même sens que pendant l’inscription, mais accentuée si nous changeons le sens de pompage.

0 10 20 30 40 50 0 2 4 6 8 Puissance pompe (mW) Puissance signal (µW ) ^{voie 1}_{voie 2}

FIG. 3.13 –Influence du sens de pompage sur la caractéristique en puissance.

Caractéristique en puissance signal versus la puissance pompe pour les deux sorties du laser présenté figure 3.12 pour un pompage dans l’autre sens.

Les mesures de puissance sont effectuées avec un mesureur de puissance.

La figure 3.13 présente la caractérisation du même laser que celui présenté figure 3.12 (a) mais pour un pompage dans l’autre sens, et les mesures sont effectuées directement au mesureur de puissance alors que celles du graphe 3.12 étaient effectuées auFabry-Perot d’analyse. Nous observons trois parties dans cette caractéristique. La première, définie de 0 à 15 mW, présente une augmentation de la puissance optique qui sature rapidement avec le pompage : c’est l’émission spontanée amplifiée dont la mesure est possible du fait de l’utilisation d’un mesureur de puissance qui intègre la puissance optique sur l’ensemble du spectre optique. L’observation de cette forte saturation nous fait penser qu’une très forte inversion de population du milieu actif est nécessaire pour atteindre l’effet laser. En d’autres mots, le milieu amplificateur est utilisé à son maximum. Les deuxième et troi-sième parties de la caractéristique, respectivement de 15 à 30 mW, et au delà de 30 mW, sont elles représentatives de l’effet laser. Nous remarquons une rupture dans la pente de la caractéristique qui doit correspondre à un changement de mode longitudinal du laser :

62 Chapitre 3. Lasers à fibre

nous ne l’avons pas vérifié pour cet échantillon, mais l’avons vérifier avec plusieurs autres lasers. Enfin, nous remarquons que la puissance de sortie du laser est plus importante pour ce sens de pompage, et l’efficacité de 0,029 % beaucoup plus grande, en comparaison à la figure 3.12.

Temps (µs)

(a) (b)

(c) (d)

Intensité optique (u.a.

)

Temps (s)

Intensité optique (u.a.

)

Fréquence (MHz)

Densité spectrale de

puissance électrique (dB) ^{Taux de répétition (kHz)} Puissance pompe (mW)

0 20 40 60 80 100 0 0,4 0,8 1,2 0 10 20 30 40 50 0,16 0,20 0,24 0,28 405,0 405,2 405,4 -50 -40 -30 20 40 60 80 100 120 140 20 40 60 80 100 120

FIG. 3.14 –Caractérisation de l’autopulsation desDBRs sur fibre erbium.

(a) : allure temporelle rapide du laser montrant l’autopulsation. (b) : enveloppe temporelle chaotique lente de l’autopulsation.

(c) : spectre micro-ondes de l’autopulsation acquis à l’ASE. (d) : évolution du taux de répétition avec la puissance de pompage.

Quelques surprises apparaissent à la caractérisation temporelle des lasers. En effet, nous pouvons observer figure 3.14 un fonctionnement pulsé de nos lasers sur une petite échelle temporelle (a), avec une période de l’ordre de la vingtaine de µs. Nous pouvons aussi observer sur une plus grande échelle temporelle (b) une enveloppe chaotique, dont le chaos n’a pas été étudié plus en détails, mais qui doit être d’ordre peu élevé. Le phénomène d’autopulsation a déjà été observé et expliqué dans notre laboratoire [176] - [178] : ce sont des effets d’autopulsation dus à de trop forts dopages en erbium. Les ions erbium ont alors tendance à se regrouper par paires et à fonctionner tels des absorbants saturables, ce qui confère au laser un fonctionnement impulsionnel. On remarquera que le spectre de battement des modes de polarisation en est affecté (c), et noterons l’évolution de la périodicité de ces impulsions avec le taux de pompage¹⁷(d). Le comportement chaotique

3.3. Lasers à réflecteurs deBragg répartis 63

a lui aussi été expliqué dans les articles précédemment cités.