Mise en œuvre de l’oscillateur multimode

Nous avons vu dans la partie 3.2.1 qu’un oscillateur multimode ayant une largeur spectrale de 10 GHz et un FSR de 100 MHz permettait d’obtenir un facteur d’augmentation Brillouin de 100 pour la pompe. Cet oscillateur multimode a été conçu grâce au montage suivant (FIGURE 4.1).

FIGURE 4.1 ‒ Montage retenu pour l’oscillateur multimode.

Un amplificateur optique à semi-conducteur (SOA) apporte du gain dans la bande 1530- 1570 nm. Le circulateur et le réseau de Bragg fibré (FBG) forme un filtre à la longueur d’onde 𝜆𝑃= 1545 𝑛𝑚 de largeur Δ𝜈𝐵𝑟𝑎𝑔𝑔= 10 𝐺𝐻𝑧. Le FSR de 100 MHz est obtenu en fixant la

longueur de la cavité à 2 m.

Le SOA est un milieu à gain basé sur une jonction p-n polarisée en direct [76] . Lorsqu’un courant électrique est injecté, la recombinaison de paires électron-trou produit des photons pouvant générer de l’émission spontanée ou amplifier un faisceau optique incident. Les SOA sont

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Bande de gain 1500-1600 nm

Gain petit signal 25 dB

Temps de basculement 1 ns

Courant d’injection 600 mA

Puissance de saturation 20 mW

Isolation optique 40 dB

TABLEAU 4.1 – Caractéristiques typiques d’un SOA.

FIGURE 4.2 ‒ Courbe de gain typique d’un SOA.

Après un certain nombre de tours effectués dans la cavité, la puissance intra-cavité atteint la puissance de saturation du SOA. Selon la nature du milieu amplificateur, cette saturation peut entraîner un fonctionnement monomode ou multimode de l’oscillateur [50]. Dans le cas d’un élargissement homogène du gain, la saturation provoque une diminution globale du spectre de gain (FIGURE 4.3a) et un seul mode longitudinal oscille dans la cavité. Dans le cas d’un élargissement inhomogène du gain, la saturation ne provoque qu’une diminution localisée du gain (FIGURE 4.3b) et plusieurs modes longitudinaux oscillent simultanément dans la cavité.

FIGURE 4.3 ‒ (a) Elargissement (a) homogène du gain (oscillation monomode) et (b) inhomogène (oscillation multimode) (d’après [50]).

4.1 Conception et caractérisation de l’amplificateur Raman avec pompe multimode

De nombreuses publications décrivent un élargissement essentiellement homogène pour les semi-conducteurs [50], [76], [77], empêchant ainsi l’oscillation multimode. Kim et al. ont pourtant fait état en 2001 d’un oscillateur multimode mettant en œuvre un SOA [78], indiquant un élargissement inhomogène. La nature de l’élargissement des amplificateurs à semi- conducteurs dépend en fait de la disposition des points ou puits quantiques qui les composent [79]. Dans le cas du SOA à notre disposition, nous avons pu observer expérimentalement le fonctionnement multimode.

Lorsque le SOA fonctionne en continu, la puissance de sortie est de 10 mW (correspondant à la puissance de saturation multipliée par la transmission du coupleur de sortie). Pour obtenir une pompe impulsionnelle ayant un profil "porte", nous avons choisi de moduler directement le courant du SOA. Une mesure de profil temporel instantané (en noir) et moyenné 100 fois (en rouge) est donnée sur la FIGURE 4.4a. Cet exemple sert uniquement à illustrer le bruit temporel de l’oscillateur et ne correspond pas au profil utilisé pour l’amplification Raman.

FIGURE 4.4 ‒ (a) Exemple de profil temporel instantané (en noir) et moyenné 100 fois (en rouge) en sortie de l’oscillateur. (Bande passante de mesure : 1 GHz.) (b) Densité spectrale de puissance en sortie de l’oscillateur. (Bande passante de mesure : 10 GHz.) (Mesure)

On peut voir sur la FIGURE 4.4a que le profil instantané varie fortement autour du profil moyen. L’amplitude de modulation mesurée n’est que de 50 % puisque le battement à 10 GHz est filtré par la bande passante de mesure (1 GHz). Nous n’avons donc pas accès à l’amplitude de modulation totale mais on peut supposer que celle-ci est proche de 100 %. Dans la suite de cette partie les profils temporels de pompe donnés seront moyennés 100 fois, mais il faut garder à l’esprit que la modulation est toujours présente.

Nous avons également mesuré le spectre optique en sortie de l’oscillateur (FIGURE 4.4b). La bande passante de l’OSA étant limitée à 10 GHz, la largeur spectrale de l’oscillateur est à peine visible. La longueur d’onde centrale d’émission se situe à 1545,33 nm.

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propagative au signal mono-fréquence, celui-ci est élargi de manière non négligeable comme cela a été remarqué par Dajani et al. [6] (cf. partie 1.1.4). La cause avancée par les auteurs est le mélange à 4 ondes, mais n’est pas confirmée.

Une autre explication est selon moi plutôt à chercher du côté de la modulation de phase croisée. Pour une pompe intrinsèquement large, le battement entre les modes induit une variation d’intensité de la pompe qui elle-même induit une variation de phase pour le signal par XPM. Nous avons d’ailleurs vu que ce principe était utilisé par Mussot et al. pour élargir un oscillateur monomode [59] (cf partie 3.3.2).

Cet élargissement spectral est par ailleurs directement relié au gain, comme le montre l’expression de la phase (Eq.2.42) que nous avons établie dans la partie 2.3.6. Les variations d’intensité de la pompe induisent non seulement des variations de phase mais également des variations d’intensité du signal amplifié. Ces variations sont très rapides et sont probablement filtrées lors de la mesure, mais le signal amplifié n’en demeure pas moins élargi spectralement.

Dajani et al. ont également remarqué que l’amplification Raman contra-propagative n’induisait pas d’élargissement spectral du signal, mais aucune raison n’est donnée. Selon moi, cela est dû à la configuration contra-propagative qui réduit le transfert de RIN de la pompe vers le signal (cf. Eq.1.59). Le bruit d’intensité étant filtré, aucun n’élargissement spectral n’est induit.

Dans le cas de notre amplificateur Raman apportant un gain de 300 (cf. TABLEAU 2.2) et ayant une longueur de 2,5 m (ce qui correspond à un temps d’aller-retour de 25 ns, soit 40 MHz), le transfert de RIN autour de 10 GHz est quasi-nul (0,003 %, déterminé à partir de l’Eq.1.59).

L’amplification Raman contra-propagative présente donc deux avantages importants : d’une part elle filtre les variations de gain rapides, ce qui lisse le profil du signal amplifié et n’induit pas d’élargissement spectral ; d’autre part elle permet d’obtenir le signal amplifié le plus fort avant d’être limité par la diffusion Brillouin (cf. partie 2.1.4). Cela se fait cependant au prix d’une amplification un peu moins efficace car la durée d’impulsion pompe doit être plus grande (+25 %).