104 103 102 100 Optical power, mW Random walk, o/√h 10–1 Detection limits (theoretical) Detection limits (experimental) Air-core FOG (experimental) Excess Shot Thermal 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 −90 −80 −70 −60 −50 −40 Frequency, MHz
Power spectral density, dBm
SFS
Laser Properfrequency f
0
FM laser (6.4 kHz)
10–2
FIGURE5.6 – Gyroscope à fibre optique à cœur creux à bande-passante pho-tonique.
À gauche :Marche aléatoire du gyroscope expérimental comparé aux limites
fon-damentales attendues en photo-détection (bruit thermique du détecteur, bruit de grenaille, bruit d’excès ou bruit de battement spontané-spontané). L’encart montre une coupe de la fibre photonique, le noir représentant l’air.
À droite :Spectre du signal détecté en sortie de gyroscope pour différentes sources optiques d’excitation : source super-fluorescente traditionnelle (SFS), source laser, source laser à modulation de fréquence.
liés aux réflexions parasites ainsi qu’aux effets non linéaires (Kerr). Enfin, l’utilisation d’une source spectralement étroite mais à balayage de fréquence a été proposée pour le gyroscope dans une configuration originale qui permettrait de dépasser les limites fondamentales de détection actuelles de ce capteur, un brevet a été déposé (B-10) et le principe démontré expérimentalement (CI:35).
5.5 Lasers à fibre de puissance
Au cours de mes deux années en tant qu’ingénieur de recherche au laboratoire Fo-ton, j’ai pu travailler sur la réalisation d’un laser à fibre de puissance pour des ap-plications de marquage, dans le cadre d’un projet financé par la région Bretagne et faisant intervenir trois partenaires industriels (Quantel, iXFiber, Perfos). Les lasers de marquage sont typiquement des lasers déclenchés émettant des impulsions de durées allant de 10 à 100 ns, avec une puissance crête de l’ordre de plusieurs dizaines de kW. Le challenge scientifique est la minimisation des effets non linéaires par l’élaboration de fibres optiques innovantes. L’effet le plus délétère étant l’effet Raman, j’ai étudié nu-mériquement quelles types de fibres optiques pourraient permettre une propagation 40
Chapitre 5. Lasers et métrologie optique
de ces impulsions sans déformation significative sur plusieurs mètres de fibre optique. De ces études, une fibre à bande-passante photonique a été réalisée par la plateforme Perfos (Lannion). La démonstration de ses capacités à limiter les effets non linéaires a été démontrée expérimentalement et numériquement (CI:34).
1000 1100 1140
10 30 40
Wavelength, nm
Power spectral density, dBm/nm
0 1180 Output of PBGF Input Output of standard fiber 20
FIGURE5.7 – Lasers à fibre de puissance à fibre quasi-monomode transverse.
À gauche : Déformation du spectre optique expérimental au cours de la
propaga-tion dans une fibre standard versus une fibre à bande-passante photonique (PBGF). Le spectre laser perd en cohérence longitudinale par amplification Raman stimulée sauf pour la PBGF. L’encart montre une photo de la fibre à bande-passante photo-nique réalisée par Perfos (Lannion).
À droite :Méthode de décomposition des modes transverses appliquée à une fibre
à photonique à petit cœur. La figure du haut montre les modes transverses calculés pour la fibre, la figure du bas montre les modes extraits par la méthode de décompo-sition proposée, ainsi que les puissances optiques correspondantes.
Afin d’étudier la déformation du spectre optique au cours de la propagation, j’ai dé-veloppé un modèle original permettant de calculer numériquement et avec une grande efficacité l’évolution du spectre optique en présence d’effet Raman. En écrivant les équations d’évolution de l’intensité pour chaque fréquence du spectre incident, alors qu’habituellement nous ne considérons qu’une seule longueur d’onde dite de pompe, j’ai pu montrer qu’un spectre Iz+dz(n)à une position z+dz pouvait s’exprimer en fonc-tion du spectre à la posifonc-tion z selon la formule :
Iz+dz(n) = Iz(n)
⇢ 1+ dz
n0 [gr0⇤P] (n) dz n2
n0 [gr0⌦Q](n) dz a(n) , (5.1) où n0est la fréquence centrale de la pompe, gr0le spectre du coefficient de gain Raman,
a le spectre du coefficient linéique de pertes, ⇤ la fonction de convolution,⌦ la fonc-tion de corrélafonc-tion, et P et Q deux foncfonc-tions mathématiques définies respectivement 41
5.5. Lasers à fibre de puissance
par P : x 7! x I(x)et Q : x 7! I(x)/x. Compte tenu de la grande efficacité du calcul numérique pour les opérations de convolution et de corrélation, il est ainsi facile de si-muler la propagation d’un spectre optique le long d’une fibre optique. En introduisant un spectre de pertes a(n)lié au filtrage par la fibre à bande passante photonique, nous avons pu évaluer par simulation les bénéfices d’un tel filtrage, et ainsi guider le design de la fibre photonique.
Outre le filtrage spectral, l’effet Raman peut être réduit en réduisant l’intensité par élargissement du mode transverse. La fibre optique a donc été désignée de sorte que son mode transverse fondamental soit de grande aire effective (413 µm2 pour la fibre réalisée). Avec une telle aire effective, la fibre peut cependant supporter plusieurs modes transverses, il a donc été nécessaire de mesurer expérimentalement le contenu modal de la fibre réalisée. J’ai ainsi développé une méthode expérimentale permettant d’imager les modes transverses injectés dans la fibre et de quantifier leur puissance optique. Le principe physique de cette méthode est celui proposé par Nicholson [8], j’ai cependant proposé une mise en œuvre alternative (R:13) permettant une mesure beaucoup plus rapide, plus simple, et non limitée aux fibres à grand cœur. Le prin-cipe de la mesure repose en l’analyse de l’état d’interférence local, dans le plan trans-verse, dû à la superposition des modes transverses. Cet état d’interférence dépend de la différence de chemin optique parcouru par les deux modes dans la fibre, donc de leur différence d’indice effectif. S’il y a plusieurs modes transverses, il est possible de les distinguer en faisant varier la fréquence du signal injecté dans la fibre, l’interféro-gramme observé sera alors la superposition des interférol’interféro-grammes de chaque couple de mode, avec une période correspondante à la différence d’indice effectif entre les deux modes, et une amplitude associée au produit des amplitudes des deux modes associés. L’analyse spectrale de ces interférogrammes permet donc de distinguer les couples de modes existants, dans un premier temps par la méthode proposée par Ni-cholson [8], ou par une méthode plus précise tel que nous avons pu le démontrer au cours de la thèse de D. Minh Nguyen [9]. Nous observons Fig. 5.7 les résultats issus de cette méthode pour une fibre microstructurée à petit cœur développée dans le cadre de la thèse de N. Nguyen [10], montrant les modes propagés dans la fibre en accord avec les modes prédits par simulation, et quantifiant l’amplitude relative de ces modes par rapport au mode le plus fort (le fondamental ici).
Chapitre 5. Lasers et métrologie optique