Mesure des pertes

La détermination des différentes sources de pertes dans les guides hybrides réalisés est essentielle pour qualifier leur procédé de fabrication. Or, pour mesurer celles-ci, il est nécessaire de s’affranchir de l’interaction des modes guidés à la longueur de pompe λp = 976 nm et de signal λs = 1534 nm avec les ions Er3+et Yb3+contenus dans le superstrat actif. On se sert alors de deux longueurs d’onde auxiliaires qui se situent en dehors des spectres d’absorption de l’erbium et de l’ytterbium, mais qui sont néanmoins suffisamment proches deλpetλs. Les longueurs d’onde auxiliaires choisies sont λ′

p = 1059 nm, pour la pompe, etλ′

s = 1310 nm, pour le signal.

Pour déterminer les différentes types des pertes du dispositif, il est nécessaire de connaître ses pertes totales, qui sont appelées pertes d’insertionαins. Elles sont habituellement mesurées sur les guides monomodes en utilisant le banc de mesure schématisé en figure 3.15. Ces pertes

diode laser HI1060 detecteur calibr´e pertes de pertes de Fresnel propagation couplage pertes par HI1060 Pm

fibre d’injection fibre de collection

P0 (a) diode laser HI1060 detecteur calibr´e HI1060 Pref soudure

fibre d’injection fibre de collection

P0

(b)

Figure3.15 –Banc de mesure de pertes d’insertionαins.

sont définies comme le rapport de la puissancePm, récoltée par une fibre optique placée à la sortie du guide d’onde, sur la puissance Pref mesurée à la sortie de la fibre d’injection. Les pertes d’insertion sont habituellement exprimées en décibels par l’équation

αins= 10 log

Pm

Pref

(3.26) La puissancePm est mesurée, comme illustré en figure 3.15(a), en plaçant l’échantillon entre la fibre d’injection, reliée à la source laser, et la fibre de collection, connectée à un détecteur calibré. Les fibres optiques HI1060, monomodes aux longueurs d’onde de travail, sont déplacées, à l’aide des micropositionneurs, afin d’optimiser la puissance couplée dans le guide et récoltée par la fibre de collection. La puissance de référencePref est mesurée sur le détecteur calibré en soudant les bouts des fibres d’injection et de collection, comme le montre la figure 3.15(b). La figure 3.15(a) met en évidence que les pertes d’insertionαinsregroupent différents types

Chapitre 3. Réalisation et caractérisation de l’amplificateur hybride

des pertes : pertes de FresnelαF, pertes de couplageαCet pertes par propagationαL. Les pertes de FresnelαFsont dues à la réflexion de la lumière quand, lors de la propagation, elle passe d’un premier milieu avec un indice de réfractionn1à un deuxième caractérisé par un indice de réfractionn2. Le coefficient de réflexion de Fresnel est donné par la formule classique suivante [50] : RF= n1−n2 n1+n2 2 (3.27) et comme on peut déduire de la figure 3.15(a) cette réflexion est présente à chaque interface air/verre et vice-versa. Les pertesαF, en décibels, induites par la réflexion à chaque interface valent :

αF= 10 log(1−RF) (3.28)

De ce fait, si l’on imposen1 = 1,5 etn2 = 1,0, respectivement l’indice de réfraction du verre et celui de l’air, les pertes de FresnelαF montent à 0,17 dB par interface.

Les pertes par couplage αC sont dues à la différence entre le profil du mode guidé par la fibre optique et celui guidé par le guide d’onde. En conséquence, on retrouve ces pertes à chaque transition fibre/composant et vice-versa. Elle sont définies par les équations (2.24) et (2.25), introduites au chapitre précédent.

Les pertes par propagationαL sont causées par tout défaut rencontré par la lumière lors-qu’elle se propage dans le dispositif. Les principales causes des pertes par propagation sont : la rugosité du substrats, les défauts de lithographie, la dégradation de la surface des substrat pendant l’échange d’ions, aussi bien que la formation des précipités d’argent lors de l’échange. On peut alors écrire les pertes d’insertionαins, en décibel, du guide hybride comme :

αins= 4αF+ 2αC+αLL (3.29)

oùLest la longueur du guide. Dans ce cas particulierL= (1,50±0,05)cm.

Étant données les différentes origines de chaque type de pertes il est fondamental de dis-tinguer chacune des contributions aux pertes d’insertion αins pour caractériser de manière exhaustive les propriétés de guidage de l’amplificateur hybride. Le tableau 3.2 reporte la va-leurs des pertes d’insertion mesurées àλ′

p = 1059 nm et àλ′ s = 1310 nm. w= 2µm w= 3µm w= 4µm w= 5µm w= 6µm λ′ p= 1059nm (4,9±0,2) dB (4,3±0,2) dB (4,2±0,2) dB (4,3±0,2) dB (4,0±0,2) dB λ′ s= 1310nm (4,4±0,2) dB (4,0±0,2) dB (3,6±0,2) dB (3,8±0,2) dB (3,7±0,2) dB

Tableau 3.2 –Pertes d’insertionαinsdu guide amplificateur hybride mesurées àλ′ petλ′

s.

Les pertes par couplageαCpeuvent être extraites en injectant dans les équations (2.24) et (2.25) les profils d’amplitude des modes guidés par les guides d’onde et par la fibre optique HI1060. L’amplitude des modes guidés par la structure hybride est dérivée des profils acquis avec le banc de mesure des profils d’intensité présenté précédemment. En utilisant le même

3.3. Réalisation et caractérisation du guide amplificateur hybride

banc, on mesure les profils des modes guidés par la fibre optique et on les approxime avec des fonctions gaussiennes de largeur w1/e2. Les résultats de ces mesures sont regroupés dans le tableau 3.3.

λp λ′

p λ′

s λs

w1/e2 (µm) 6,0±0,6 6,2±0,6 7,2±0,6 8,3±0,6

Tableau3.3 –Largeur à 1/e2du maximum d’intensité de la fibre HI1060 en fonction de la longueur d’onde.

Nous remarquons que les pertes par couplage peuvent ainsi être obtenues en employant uniquement les images des profils d’intensités des modes, ce qui permet de les mesurer aux longueurs d’onde auxiliairesλ′

p,λ′

s, aussi bien que àλpetλs. Le tableau 3.4 montre les valeurs des pertes par couplageαC des différents guides en fonction de la fenêtre d’échange w pour les longueurs d’ondeλp, λ′

p, λ′ s et λs, respectivement égales à 976 nm, 1059 nm, 1310 nm et 1534 nm. w= 2µm w= 3µm w= 4µm w= 5µm w= 6µm λp (1,3±0,4) dB (1,1±0,4) dB (1,1±0,4) dB (0,8±0,4) dB (0,8±0,4) dB λ′ p (1,2±0,4) dB (1,1±0,4) dB (1,2±0,4) dB (1,0±0,4) dB (1,0±0,4) dB λ′ s (1,6±0,4) dB (1,3±0,4) dB (1,0±0,4) dB (1,0±0,4) dB (1,3±0,4) dB λs (2,6±0,4) dB (1,8±0,4) dB (1,3±0,4) dB (1,2±0,4) dB (1,2±0,4) dB Tableau3.4 –Pertes de couplageαcdu guide amplificateur hybride àλp,λ′

p,λ′

setλsévaluées à partir des profils d’intensité imagés sur le banc de la figure 3.12.

La mesure des pertes d’insertion et de couplage, unie à l’estimation faite pour les pertes de Fresnel, permet d’extraire les pertes de propagationαL, aux longueurs d’onde auxiliaires

λ′ p et λ′

s, utilisant l’équation (3.29). Le tableau 3.5 résume ces pertes pour les guides issues des différentes ouvertures du masquew.

w= 2µm w= 3µm w= 4µm w= 5µm w= 6µm

λ′

p (1,2±0,7) dB/cm (0,9±0,7) dB/cm (0,9±0,7) dB/cm (1,0±0,7) dB/cm (0,9±0,7) dB/cm

λ′

s < 0,7 dB/cm < 0,7 dB/cm < 0,7 dB/cm (0,7±0,7) dB/cm < 0,7 dB/cm

Tableau3.5 –Pertes de propagationαLdu guide amplificateur hybride àλ′ p etλ′

s.

Par la suite, nous faisons l’hypothèse que les pertes par propagation αL extraites à λ′ p

et λ′

s sont respectivement égales à celles à λp et λs. On constates ainsi que à la longueur d’onde de pompe elles atteignent, dans le guide définie parw= 2µm, une valeur maximale de (1,2±0,7)dB/cm, lorsque à la longueur d’onde de signal, pour toutes largeurswde la fenêtre d’échange, elle sont inférieures ou égales à l’incertitude de la mesure, qui est de 0,7 dB/cm.

Ces valeurs de pertes par propagations sont comparables à celles de l’amplificateur hybride réalisé par Florent Gardillou et prises en compte dans les simulations de gain faites

précédem-Chapitre 3. Réalisation et caractérisation de l’amplificateur hybride

ment. En conséquence, elles devraient être compatibles avec l’amplification du mode guidé à la longueur d’onde de signal.