Simulations et expérimentations des techniques de pompe

Pour comparer ces trois techniques de pompage nous souhaitons réaliser trois amplificateurs utilisant la même fibre et avec les mêmes objectifs, une puissance de signal à 2050 nm en entrée de 3 mW et un gain de 27 dB. La fibre choisie est une fibre dopée Tm³⁺ de 6 µm de diamètre de cœur (PM 1) de 3,7 m de long. Cette longueur a été choisie par convenance expérimentale, une fibre de ce type et de cette longueur était disponible.

Chapitre 3 - - Modélisation des amplificateurs à fibre dopée Thulium 101

Figure 3.22 : Schéma général des montages.

La Figure 3.22 présente le schéma général des montages pour les trois techniques de pompe sélectionnées. Nous avons commencé par réaliser une simulation de ce montage pour chacune des techniques de pompe sélectionnées.

Puis nous avons reproduit expérimentalement ces trois montages de manière aussi fidèle que possible, à une différence près. En effet la source laser à 1940 nm réalisée expérimentalement n’atteint pas la puissance de pompe simulée nécessaire, elle est limitée à 1,2 W de pompe. Le Tableau 3.4 donne les différents paramètres de pompe et les résultats des simulations et des expérimentations. Nous distinguons dans ce tableau l’efficacité interne et l’efficacité totale. La première est le rapport entre la puissance de signal en sortie et la puissance de pompe, la seconde est l’efficacité optique-optique totale du montage. Par exemple dans le cas du pompage cœur à 1560 nm, l’efficacité totale est le rapport entre la puissance en sortie et la puissance des diodes laser qui pompent le laser à 1560 nm. Le tableau donne aussi le pourcentage d’ASE dans la puissance en sortie de l’amplificateur.

Tableau 3.4 : Résultats de simulation et expérimentaux pour les trois techniques de pompes pour une puissance injectée de 3 mW et un gain de 27 dB.

Simulations Expérimentations Techniqu e de pompe Puissanc e de pompe (W) Efficacit é interne (%) ASE en sorti e (%) Efficacit é totale (%) Puissanc e de pompe (W) Efficacit é interne (%) ASE en sorti e (%) Efficacit é totale (%) Pompage cœur à 1560 nm 2,5 40 10 16 2,5 13 14 5 Pompage gaine à 793 nm 4 25 1 25 4 23 2 23 Pompage cœur à 1940 nm 2 1,2 35 21 0,5 0 18 11 1,2 32 1 16

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Lorsque l’on étudie les résultats des simulations, on s’aperçoit que la population moyenne du niveau 3F4, 𝑛̅̅̅, est proche de 0,05 pour les trois techniques de pompe. Les simulations ₁ obéissent à l’équation 3.25, c’est la population moyenne de l’amplificateur qui définit le gain. Mais si on regarde les répartitions de cette population le long de la fibre, on voit qu’elles sont différentes d’une technique de pompe à l’autre, cf. Figure 3.23. Pour le pompage cœur à 1560 nm, la population est de 0,9 sur une vingtaine de centimètres, décroit et est quasiment nulle sur les trois derniers mètres de la fibre dopée. Pour le pompage cœur à 1940 nm, c’est le contraire la population est quasiment centrée à 0,05 sur 3 m avant de décroitre sur le reste de la fibre dopée. Le pompage gaine à 793 nm se situe entre les deux autres techniques de pompe, sa population est plus élevée au début de la fibre avec un maximum à 0,14 puis elle décroit sur le reste de la fibre.

Figure 3.23 : Répartition de la population normalisée du niveau ³F4 le long de la fibre d’après la simulation.

C’est le pompage cœur à 1560 nm qui génère le plus d’ASE, voir Tableau 3.4. L’ASE d’ailleurs principalement générée contra-propagativement. Cela s’explique par la répartition de la population du niveau 3F4 dans la fibre. En traçant le gain linéique pour le maximum de population de la Figure 3.23, il apparait que le gain du pompage cœur à 1560 nm est centré en 1850 nm, alors que le gain à 2050 nm est 45 dB plus faible, voir Figure 3.24.

Ce montage génère donc une quantité importante d’ASE autour de 1850 nm au début de la fibre. L’ASE co-propagative est en partie absorbée et permet l’amplification du signal ce qui augmente l’efficacité optique-optique. Mais l’ASE contra-propagative est perdue.

Pour le pompage gaine à 793 nm le gain au maximum de population est centré à 1950 nm, mais le gain à 2050 nm n’est que 3 dB plus faible, cela explique la faible proportion d’ASE de ce montage. Pour le pompage cœur à 1940 nm, le maximum de population est de 0,07, le gain est centré à 2040 nm, quasiment à la longueur d’onde du signal. La répartition très uniforme de la population dans ce cas de pompage s’explique par la saturation de la pompe dans la fibre. En effet la puissance de saturation est à 1940 nm est de 80 mW. La comparaison des résultats expérimentaux et simulés montre un fort écart pour le pompage cœur 1560 nm. C’est un autre exemple des limites du modèle dans le cas de simulation d’amplificateur pompés autour de 1550 nm avec une fibre fortement dopée, comme présenté paragraphe 2.3. L’efficacité totale obtenue expérimentalement est la plus faible des trois techniques de pompe.

Chapitre 3 - - Modélisation des amplificateurs à fibre dopée Thulium 103

Figure 3.24 : Gain linéique en fonction de la longueur d’onde au maximum de population de chaque technique de pompe Figure 3.23.

La faible efficacité et le risque de photo-noircissement font du pompage cœur à 1560 nm une technique à éviter pour l’amplification de longueur d’onde à l’extrémité de la bande d’émission des fibres dopée Tm3+. Pour s’assurer que ce résultat n’est pas dû à la fibre dopée utilisée nous avons testé cette technique de pompe avec des fibres moins dopées comme la fibre dopée de 9 µm (SM 2) qui est la plus faiblement dopée dont nous disposons. Nous avons réalisé un amplificateur pompé dans le cœur par 2,7 W à 1560 nm et avec 3 mW de signal à 2050 nm injecté. La fibre dopée mesure 3,3 m. L’efficacité interne de cet amplificateur atteint 18 % et 8 % pour l’efficacité totale. Utiliser une fibre moins dopée permet de réduire les effets de fluorescence et augmente un peu l’efficacité. Mais changer le dopage de la fibre ne change pas la répartition de la population du niveau 3F4, Le maximum de gain généré par cette technique de pompe est autour de 1850 nm. Le pompage cœur à 1560 nm est peu adapté à l’amplification du 2050 nm quel que soit le dopage de la fibre.

Pour les deux autres techniques de pompage simulation et expérimentation s’accordent, avec un écart entre les efficacités inférieur à 10 %. Le pompage cœur à 1940 nm génère deux fois moins d’ASE que le pompage gaine à 793 nm, mais cela reste dans l’absolu des proportions d’ASE faible dans les deux cas. L’efficacité interne du pompage cœur à 1940 nm est supérieur à celle du pompage gaine à 793 nm mais en terme de d’efficacité totale, pomper directement l’amplificateur avec des diodes laser reste plus efficace que le pompage indirect.

La conclusion de cette étude est que le pompage gaine à 793 nm est le plus efficace globalement et la plus simple techniques de pompe. Même si il n’est pas celui qui émet le moins d’ASE, ses autres qualités l’emportent.