Principe de fonctionnement d’un laser utilisant un décaleur de fréquence

III.2 Principe de fonctionnement d’un laser utilisant un décaleur

de fréquence

Tout au long de ce document nous aurons à débattre des particularités liées à l’utilisation d’un décaleur de fréquence dans une cavité laser. Nous pensons notamment aux chapitres traitant des régimes continus, de modes déclenchés et de modes bloqués. Cependant il nous paraît important à ce stade du manuscrit de présenter quelques principes fondamentaux de ce type de lasers, afin de rendre la compréhension de la problématique exposée au cours de ce chapitre plus aisée pour le lecteur. À cette fin, nous décrivons dans un premier temps, la cavité laser, puis dans un second temps, nous exposons les principes de bases du fonctionnement de ce laser.

III.2.1 Description de la cavité

Comme nous l’avons vu au cours du chapitre I, les cavités laser utilisant un décaleur de fréquence dans la boucle de contre-réaction ont été étudiées avec de nombreux milieux de gain. Cependant, au cours de ces travaux de doctorat, ce sont les lasers multi-longueurs d’onde que nous nous proposons d’étudier pour des applications de télécommunications optiques. Ces cavités sont majoritairement réalisées en utilisant la technologie fibrée et un milieu de gain dopé avec des ions erbium. Un montage expérimental typique d’un laser à fibre optique utilisant un décaleur de fréquence dans sa boucle de contre réaction est présenté à la figure 3.1 (A). La figure 3.1 (B) donne quelques exemples non-exhaustifs de dispositifs de sélection spectrale.

La cavité est basée sur l’utilisation d’une structure en anneau dans laquelle la propagation unidirectionnelle de la lumière est obtenue en utilisant des isolateurs optiques qui atténuent fortement (> 40 dB) l’onde électromagnétique contra-propagative. De plus, l’isolateur permet de réduire le niveau d’émission spontanée amplifiée (ESA) en atténuant celle circulant en contra propagation. Un niveau plus faible d’ESA dans une cavité permet de limiter le bruit d’intensité du laser.

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Le milieu de gain est donc une fibre dopée erbium. Comme nous l’avons vu dans le chapitre précédent, celles-ci sont de deux types. L’une provient de la compagnie Lucent technologies (HP 980), l’autre de la compagnie Coractive (EDF-C 1400). Ce milieu de gain est pompé à l’aide de diodes laser semi-conductrices. Nous avons encore une fois plusieurs modèles à notre disposition.

Figure 3.1 : Dispositif expérimental. (A) Cavité classique, (B) différents types de filtres pouvant être utilisant afin d’obtenir le régime multi-longueur d’onde.

Nous pourrons utiliser soit une diode laser délivrant une puissance de 120 mW à une longueur d’onde de 980 nm ou bien une diode pouvant fournir 250 mW à une longueur d’onde de 1480 nm. La puissance de pompe est injectée dans la fibre dopée par l’intermédiaire d’un coupleur WDM. L’injection est ainsi réalisée avec de faibles pertes et la compacité du système est considérablement améliorée, comparativement aux techniques de couplage en espace libre.

L’isolateur situé avant le coupleur 99/1 et le dispositif de sélection spectrale sert à bloquer la lumière parasite provenant de réflexion de certains types de filtres notamment celle du filtre passe

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bande lorsque la configuration de filtre Fabry-Perot ou de réseaux de Bragg échantillonnés est utilisée. La cavité contient également un contrôleur de polarisation qui permet de maîtriser la polarisation du signal circulant dans la cavité.

Nous arrivons maintenant au cœur du dispositif à savoir le décaleur de fréquence. Les études passées sur les lasers intégrant des décaleurs de fréquence ont été faites avec diverses valeurs du décalage de fréquence. Dans notre expérience, le composant acousto-optique à deux ports induit un décalage de 80 MHz. Les ports d’entrée et de sortie sont reliés à des fibres optiques ce qui permet de l’intégrer facilement au reste de la cavité. Le port de sortie du dispositif est couplé à l’ordre +1 du cristal acousto-optique. La lumière qui n’est pas diffractée et qui se propage dans l’ordre zéro est perdue car elle n’est pas couplée vers la sortie du modulateur. Il existe cependant des modulateurs acousto-optique trois ports où l’ordre zéro est couplé. Dans ces configurations, l’ordre zéro est souvent utilisé comme coupleur de sortie de la cavité laser.

Enfin, pour obtenir le régime multi-longueurs d’onde, on doit sélectionner des bandes spectrales. Cette sélection est effectuée en utilisant différents types de filtres. Nous en utiliserons majoritairement deux. Tout d’abord la technologie des Fabry-Perots qui peut être fibrée ou sous la forme d’étalons massifs et dont le principal avantage est de fournir un très grand nombre de longueurs d’onde dans une plage spectrale donnée. Nous utiliserons également des cascades de réseaux de Bragg qui permettent, par un design approprié, de contrôler la forme des bandes spectrales sélectionnées. Ces filtres autorisent aussi un contrôle du nombre de bandes spectrales ainsi que de leur espacement. Toutefois, la nécessité d’utiliser ce dispositif avec un circulateur optique augmente les pertes de la cavité. La mention à la figure 3.1 (B) de l’utilisation des réseaux de Bragg échantillonnés fait référence à mes prédécesseurs[2]_.

Des cavités plus évoluées peuvent intégrer un double pompage ou des composants comme des atténuateurs variables. Le double pompage sera essentiellement utilisé pour augmenter la puissance de sortie des lignes laser. Pour des cavités comportant plusieurs composants et ayant des pertes d’insertion relativement importantes, le double pompage est alors choisi afin d'extraire le maximum d’énergie du milieu de gain. L’atténuateur variable permet de fixer finement les pertes de la cavité et

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par là-même la platitude du spectre de sortie. Si nous avons vu, au cours du chapitre précédent, qu’il était possible de contrôler cette platitude en ajustant la longueur de la fibre, on peut aussi obtenir un contrôle plus fin en ajustant les pertes de la cavité.

III.2.2 Spécificités de l’utilisation d’un décaleur de fréquence

L’utilisation d’un décaleur de fréquence dans une cavité laser en change complètement la physique. Pour avoir une idée à quel point ces changements sont radicaux, suivons le raisonnement suivant : La description classique de l’émission laser repose sur une condition de phase (cf chapitre II), c’est à dire qu’après un aller-retour dans la cavité, la phase du champ doit être égale à un multiple de 2π. Cette condition de phase est à l’origine de l’apparition des modes de cavité du laser. Nous pouvons alors faire le constat suivant : un décaleur de fréquence, décale la fréquence d’un signal d’entrée d’une valeur constante. Ceci veut dire que la phase du champ est modifiée au cours de la propagation à l’intérieur du cristal acousto-optique. Si le décaleur de fréquence est utilisé au sein d’une cavité laser ceci implique que la phase du champ laser subit un décalage à chaque tour de cavité. Ce principe de fonctionnement est donc en opposition avec la condition de stationnarité essentielle à l’obtention de modes de cavité. On pourrait conclure que cette cavité laser n’admet pas de modes et donc cette source lumineuse ne peut pas être considérée comme étant un laser.

Le concept de modes de cavité pour les lasers utilisant un décaleur de fréquence dans la boucle de contre réaction est un sujet de controverse dans la littérature scientifique[11]-[12]_{. En effet, deux}

positions diamétralement opposées tentent de définir le concept de modes de cavité pour un laser utilisant un décaleur de fréquence. La première théorie considère que ces sources ne peuvent pas entretenir des modes. On parle alors de laser sans modes (modeless lasers)[12]_{. Plusieurs autres groupes}

de recherche sont convaincus qu’une source lumineuse ne présentant pas de structure modale ne peut pas être considérée comme un laser. Ils ont donc démontré que les lasers utilisant un décaleur de fréquence admettent des modes de cavité, cependant la fréquence instantanée de cette structure est chirpée dans le temps[11]_{. Au cours de ce chapitre nous ne nous aventurons pas à prendre position pour}

l’une ou l’autre de ces théories, la définition de modes sera étudiée avec plus de précision au cours du chapitre V.

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Malgré les incertitudes quant à la nature de l’émission lumineuse délivrée par ce type de laser, les deux sous paragraphes suivants discutent des particularités qu’engendre l’utilisation d’un décaleur de fréquence dans une cavité laser.