Suppression de la diffusion Brillouin stimul´ee

La suppression de la SBS se comprend facilement au vu de l’expression 1.14 (page 15). Pour augmenter la puissance seuil Brillouin, soit on augmente la largeur du gain Brillouin

Chapitre 3 : ´Etude th´eorique des amplificateurs param´etriques `a fibre optique pour des applications en t´el´ecommunications `a haut d´ebit

POMPE Fréquence ∆ν_Bint. ν_B POMPE Fréquence ∆ν_B Décalage en z=0 Décalage en z=L

(a) Fibre homogène Fibre inhomogène

P u iss a nce Pompe mono.

Seuil Brillouin mono. Pompe modulée en phase (b)

∆ν_{L 0}

∆ν_L qq GHz

Fréquence Fig. 3.1 – Sch´emas illustrant la suppression de la SBS dans une fibre optique. (a) En augmentant

la largeur spectrale du gain Brillouin et (b) en augmentant la largeur spectrale de la pompe.

accumul´e au cours de la propagation1 _(∆ν

B), soit on augmente celle du laser (∆νL). Les

figures 3.1-(a) et (b) illustrent ces deux techniques. En jouant sur l’homog´en´eit´e longitudinale

des caract´eristiques opto-g´eom´etriques de la fibre, on modifie le d´ecalage Brillouin (νB(z))

au cours de la propagation, ce qui revient `a r´eduire l’amplification de l’onde Stokes Brillouin r´etrodiffus´ee (fig. 3.1-(a)). L’´energie issue du processus Brillouin est alors r´epartie sur une

plus grande plage spectrale (∆νB > ∆νBint) diminuant ainsi la valeur de la puissance crˆete de

l’onde Stokes associ´ee, et donc la puissance seuil. Par contre, en modulant en phase la pompe le shift Brillouin est fixe et cette fois on modifie la r´epartition spectrale de la puissance de pompe. Comme l’illustre la figure 3.1-(b), dans le cas d’une pompe monochromatique dont la puissance est sup´erieur au seuil Brillouin, la modulation de phase r´eduit la densit´e spectrale de puissance de la pompe et lorsque la fr´equence de modulation est suffisante (i.e.

la largeur spectrale de la pompe, ∆νL), on est alors insensible `a la SBS puisque toutes les

composantes spectrales de la pompe sont inf´erieures `a la valeur de seuil Brillouin d’une

pompe monochromatique2_.

3.1.1.1 En augmentant la largeur spectrale du gain Brillouin

Diff´erentes m´ethodes, toutes bas´ees sur le mˆeme principe, sont rapport´ees dans la litt´erature pour ´elargir le spectre du gain Brillouin [7–10] de largeur intrins`eque de l’ordre de 50 MHz dans une fibre optique classique. Si on modifie la r´epartition longitudinale du dopage [7], du rayon de coeur de la fibre [8], de la temp´erature [10], ou si l’on applique une distribution de contraintes sur la fibre [9], on modifie la valeur du d´ecalage Brillouin. La largeur spec- trale globale du gain est accrue grˆace `a cette accumulation de d´ecalages fr´equentiels. Ces m´ethodes offrent des r´esultats satisfaisants mais sont `a priori mal adapt´ees pour r´ealiser de l’amplification param´etrique dans ces fibres parce qu’elles induisent in´evitablement des varia- tions longitudinales des caract´eristiques de dispersion chromatique de la fibre, en particulier sa longueur d’onde de dispersion nulle. Remarquons toutefois que dans la Ref. [10], il est d´emontr´e exp´erimentalement que le processus de m´elange `a quatre ondes n’est quasiment pas

1. Si la fibre est homog`ene ∆νB= ∆νBint.

2. On peut ´egalement le comprendre avec une approche temporelle du ph´enom`ene. La modulation de phase temporelle de la pompe se r´epercute sur la phase des ondes hypersonores qui ne peuvent alors interf´erer efficacement pour g´en´erer le r´eseau d’indice de diffraction. La r´etro-diffusion de l’onde Stokes est donc peu efficace.

affect´e pour une modification de la r´epartition longitudinale de la temp´erature (∆T'100o_C). Par ailleurs, Kovalev [11] a r´ecemment d´emontr´e que la largeur spectrale du gain Brillouin augmente avec l’ouverture num´erique des fibres optiques. Ainsi, les fibres photoniques, qui peuvent poss`eder des cœfficients non-lin´eaires 10 `a 100 fois plus importants que ceux des fibres classiques sont tr`es int´eressantes, car elles seraient moins sensibles `a la SBS que les fibres classiques ou que les fibres fortement non-lin´eaires en raison de leur grande ouverture num´erique. Peu d’´etude existent actuellement sur la SBS dans les fibres photoniques [12, 13] et des travaux sont actuellement en cours au sein de notre ´equipe afin de mieux quantifier les couplages photons-phonons dans une fibre photonique [14].

3.1.1.2 En augmentant la largeur spectrale de la pompe

Ce type de proc´edure est de loin le plus r´epandu pour ´eliminer la SBS lorsque l’on veut par la suite r´ealiser une amplification param´etrique efficace [15–17], c’est `a dire, conser- ver une onde pompe de puissance importante et continue. L’´elargissement du spectre de la pompe initialement tr`es fine spectralement `a des valeurs de quelques gigahertz typique- ment, est r´ealis´e en modulant la pompe en fr´equence ou en phase. L’efficacit´e de ces deux m´ethodes est compar´ee dans les Refs. [18, 19]. Il est montr´e que la modulation de phase par une s´equence binaire ”p´eriodique” g´en`ere des spectres discrets tandis qu’avec une s´equence pseudo-al´eatoire (PRBS), le spectre d’une onde modul´ee en phase est continu. C’est pour- quoi une simple modulation de phase ou de fr´equence par une s´equence binaire ”p´eriodique” permet d’augmenter la puissance seuil Brillouin jusqu’`a des valeurs finies (×4 pour la modu- lation de fr´equence, ×2,5 pour la modulation de phase) tandis que la modulation de phase par des s´equences PRBS, de fait la plus utilis´ee actuellement dans les exp´eriences, permet un accroissement de ce seuil proportionnellement `a la fr´equence de modulation. On peut alors

appliquer la relation 1.14 (page 15) pour des fr´equences de modulation sup´erieures `a ∆νB.

Par ailleurs, Hansryd et al. [16] optent pour un format de modulation original en combinant quatre g´en´erateurs sinuso¨ıdaux (100, 310, 910 et 2700 MHz) pour obtenir un spectre discret

compos´e de 34 _{raies s´epar´ees de 100 MHz [20]. Une autre m´ethode originale a ´et´e r´ecemment}

propos´ee par Blows et al. [17] : elle consiste `a moduler en fr´equence directement le courant de commande de la diode laser de pompe par des signaux cr´eneaux de 333 kHz, pour obtenir une largeur spectrale de 6 GHz. Notons que Marhic a souvent utilis´e la modulation d’amplitude `a la fois pour obtenir de fortes puissances crˆetes et pour supprimer la SBS. On comprend facilement dans ce cas que si la dur´ee de l’impulsion pompe est inf´erieure `a la dur´ee de vie du phonon acoustique (de 10 `a 20 ns), la SBS n’est pas g´en´er´ee mais ce type de modulation n’est pas applicable dans un contexte syst`emes pour l’amplification param´etrique.