Réalisation de lasers à fibre à contre-réaction répartie pour l’étude … · 2014-10-04 ·...

Stéphane Blin

École Nationale Supérieure de Sciences Appliquées

et de Technologie

Réalisation de lasers à fibre à contre-réaction répartie pour l’étude de l’injection optique :

comparaison à l’injection avec des lasers à semi-conducteurs

3 Décembre 2003

Centre d'Optique, Photonique et Lasers

Soutenance de thèse ~

2 Introduction

•  Propriétés usuelles de l'injection : - accrochage en fréquence - transfert de pureté spectrale du maître à l'esclave

LASER MAÎTRE

LASER ESCLAVE

Détection &

Analyse ISOLATEUR

OPTIQUE

•  Couplage unidirectionnel de deux lasers

•  Une compétition apparaît entre l'émission spontanée du laser esclave et la source externe.

Injection optique

3

•  Puissance injectée Pi Puissance injectée à l'intérieur de la cavité esclave

•  Désaccord Δν Difference de fréquence entre celle du maître νM et celle de l'esclave libre νE libre : Δν = νM - νE libre

•  Taux de pompage de l'esclave r Rapport du courant de pompe du laser esclave I sur le courant de pompe au seuil Iseuil : r = I / Iseuil

Introduction Paramètres de contrôle de l'injection

LASER MAÎTRE

LASER ESCLAVE

Détection &

Analyse ISOLATEUR

OPTIQUE

4

•  Lasers maîtres : - Laser à semi-conducteurs accordable (125 kHz) - Laser à fibre à contre-réaction répartie (20 à 50 kHz)

•  Lasers esclaves : - Laser à semi-conducteurs à contre-réaction répartie (10 à 100 MHz) - Laser à fibre à contre-réaction répartie (20 à 50 kHz)

Introduction Différents lasers utilisés

LASER MAÎTRE

LASER ESCLAVE

Détection &

Analyse ISOLATEUR

OPTIQUE

Principales différences entre ces lasers : cohérence, fréquence des oscillations de relaxation,

facteur de couplage phase-amplitude, force du réseau du laser esclave DFB*

*DFB : Distributed FeedBack, i.e. à contre-réaction répartie

5

I. Vue générale de l'injection : laser esclave à semi-conducteurs

II. Vers une définition de l'accrochage

III. Modèle théorique

IV. Injection d'un laser à fibre

V. Influence de la cohérence du maître

Plan de l'exposé

6 I. Vue générale de l'injection Laser

esclave

Coupleur

Isolateur

Point de fonctionnement de l'injection : (Pi , Δν)

Lambdamètre

Coupleur

Mesureur de puissance

Isolateur Oscilloscope

Analyseur de spectre électrique

Détecteur 15 GHz

Caractérisation du laser injecté

Coupleur

Analyseur Fabry-Perot

135 GHz

Amplificateur optique

Laser maître accordable

isolateur optique intégré

Atténuateur variable

Maintien de polarisation

Montage expérimental

7

A : accrochage ; 1, 2, 4 : mélanges d'ondes ; R : relaxation ; C: Chaos.

A 1

C

2 R

Transition abrupte Limites de la zone bistable

+20 -20

-20

-40

A 1

C 2

4 R

I. Vue générale de l'injection

Désaccord (GHz)

Puissance injectée (dBm)

-80 -60 -40 -20 0 +20

0

-20

-40

Cartographie à 4 fois le seuil (1)

8 I. Vue générale de l'injection

-80 -60 -40 -20 0 +20

Puissance injectée (dBm

)

0

-20

-40

Désaccord (GHz)

A 1

C 2

R

-80 -60 -40 -20 0 +20


)

0

-20

-40

Désaccord (GHz)

A 1

C 2

R

Désaccords décroissants

Désaccords croissants

-40 -20 0 20 40

Den

sité

spe

ctra

le de

pui

ssan

ce (u

. a.)

Fréquence relative (GHz)

0,0

0,5

1,0

Fréquence maître

1

-30 -20 -10 0 10 20

0,0

0,5

1,0

Esclave injecté

Den

sité

spe

ctra

le de

pui

ssan

ce (u

. a.)


Esclave libre

Fréquence maître A


9 I. Vue générale de l'injection

-40 -20 0 20 40

Den

sité

spe

ctra

le de

pui

ssan

ce (u

. a.)


0,0

0,5

1,0 Fréquence maître R

-40 -20 0 20 40

Den

sité

spe

ctra

le de

pui

ssan

ce (u

. a.)


0,0

0,5

1,0 C


-80 -60 -40 -20 0 +20


)

0

-20

-40

Désaccord (GHz)

A 1

C 2

R

-80 -60 -40 -20 0 +20


)

0

-20

-40

Désaccord (GHz)

A 1

C 2

R

Désaccords décroissants

Désaccords croissants

10 I. Vue générale de l'injection Cartographie à 1,2 fois le seuil

Désaccord (GHz)

Puis

sanc

e in

ject

ée (d

Bm

)

0 -200 -30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Cartographie près du seuil :

- moins de régimes - accrochage plus étendu

0

-20

-40

0 -100 -200 -300

0 -100 -200 -300

0

-20

-40

r = 4

r = 1,2

A 1

C 2

R

A

11 Plan de l'exposé






12 II. Vers une définition de l'accrochage Montage expérimental Amplificateur

optique Laser maître accordable

Isolateur optique intégré

Atténuateur variable

Paramètres de contrôle de l'injection : (Pi , Δν)

Lambdamètre

Mesureur de puissance

Isolateur

Isolateur

Laser esclave

Isolateur

Analyseur Fabry-Perot

300 MHz

Oscilloscope

Analyse du laser esclave

injecté

Coupleur

Coupleur

13

Signal maître amplifié

II. Vers une définition de l'accrochage Esclave injecté par un faible signal cohérent

-100 0 100 0,0

0,2

0,4 D

ensi

té s

pect

rale

de

puis

sanc

e (u

. a.)

Fréquence relative (MHz)

Injection d'un signal faible cohérent : - Maître : 125 kHz - Esclave : 80 MHz

(Pleines largeurs spectrales à mi-hauteur)

Piédestal esclave

14 II. Vers une définition de l'accrochage Transfert de pureté spectrale

-100 0

+100 -90

-65

-40

Densité spectrale de puissance (u. a.)

Fréquence relative (MHz) -100 0 +100

Den

sité

spe

ctra

le

de p

uiss

ance

opt

ique

Piédestal r = 1,4

Saturation

Am

plifi

catio

n

L'accrochage total correspond à la saturation de l'amplification

15

-60 -50 -40 -30 10

20 30

40

50

Gai

n (d

B)

Puissance injectée (dBm)

2,0 1,6 1,1 1,8 1,4 1,2

Taux de pompage :

Largeur maître

II. Vers une définition de l'accrochage Gain

esclave dans la bande maître

i

P Gain

P =

Den

sité

sp

ectr

ale

de

puis

sanc

e

Fréquence relative

• Fort gain : gain de 40 à 50 dB 30 dB pour un SOA* usuel

• Faible puissance de saturation : environ -50 dBm -25 dBm pour un SOA usuel

*SOA : Semiconductor Optical Amplifier, i.e. amplificateur optique à semi-conducteurs

Gain petit

signal

Saturation du gain : accrochage total

16 II. Vers une définition de l'accrochage Désaccord non nul

Den

sité

spe

ctra

le

de p

uiss

ance

(u. a

.)

Fréquence relative (MHz) 0 100 200

-45 -40

-35 -30

attraction

saturation

-100 0 100 200 300 0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

Fréquence (u. a.)

Den

sité

spe

ctra

le

de p

uiss

ance

(u. a

.)

0,01

0 100 200 0,00

Taux d'injection (u. a.) : 1,00 / 0,10 / 0,05 / 0,02 / 0,01 / 0,00

attraction

Modèle

18 III. Modèle théorique Contexte

• Modèle simple

• Repose sur la fonction de transfert de la cavité

• Description du laser pompé au-dessus, au-dessous ou à travers le seuil

• Modèle pour un laser à semi-conducteurs de type Fabry-Perot tout laser dont la fonction de transfert est connue peut être simulé de manière numérique

• Étude principalement qualitative, quantitative facilement accessible

19 III. Modèle théorique Fonction de transfert du laser

• Cavité Fabry-Perot :

R R A

• Laser :

y : densité spectrale du champ laser S : puissance spontanée L : pertes

G : gain saturé sur un aller-retour φ : phase cumulée sur un aller-retour Y : intensité totale

Prise en compte des trois fondamentaux du laser : émission spontanée, émission stimulée, filtrage

d

20 III. Modèle théorique Fonction de transfert du laser injecté

• Esclave libre :

• Laser injecté : η : taux d'injection ym : densité spectrale maître

Fréquence relative (MHz) +100 -100 0

Expérience

-90 -70

-50

Den

sité

spe

ctra

le d

e pu

issa

nce

(u. a

.)

Fréquence relative (u. a.) -40 -20 0 20 40

-90 -70

-50

Modèle

Den

sité

spe

ctra

le d

e pu

issa

nce

(u. a

.)

22

~ 30 à 50 mm

IV. Injection d'un laser à fibre Principe du lasers à fibre DFB (1)

Pompe à 980 nm

Multiplexeur 980 / 1550 nm

Signal laser

Signal laser

Fibre codopée erbium - ytterbium Isolateur

Réseau de Bragg : modulation spatiale périodique de l'indice effectif de la fibre

- miroir sélectif en fréquence - cavité répartie 1547,11 1547,15 1547,19

0,2

0,4

0,6

0,8

Longueur d'onde (nm)

Réf

lect

ivité

no

rmal

isée

λB

23

Cœur codopé Er-Yb

Anneau photo-

sensible dopé Ge

Gaine de guidage

IV. Injection d'un laser à fibre Principe du lasers à fibre DFB (2)

Propriétés générales des lasers obtenus : - continu - monomode (SMSR* > 28 dB)

longitudinal, transverse, polarisation - accordable (plusieurs nm) - stable en fréquence (gigue < 10 MHz)

*SMSR : Single Mode Suppression Ratio, i. e. rapport de suppression de mode

ΔΦ @ λB = 2.π λB = 2 . neff . Λ Λ

n1 > n2 Indices de réfraction :

(2p+1).π

π 0

λB anti-résonante ⇒ effet laser à 2 fréquences symétriques autour de λB

Insertion d'un saut de phase de π/2 rad pour fonctionnement monomode

24 IV. Injection d'un laser à fibre Cartographie à 1,7 fois le seuil

-5 0 5 10 15 20 25

-16

-12

-8

-4

0

Puis

sanc

e in

ject

ée (d

Bm

)

Désaccord (MHz)

A

A

Comparaison à un laser à semi-conducteurs injecté :

La plage d'accrochage est :

- étroite (2000 fois moindre) ⇒ force du réseau, cavité Fabry-Perot pour les lasers à semi-conducteurs

- étendue pour des désaccords croissants seulement

- dissymétrique ⇒ facteur de couplage phase-amplitude ?

Désaccords décroissants Désaccords croissants Zone bistable

25

20 40 60 80

0,0

0,1

0,2

Inte

nsité

(u. a

.)

Période : 4,4 µs

Décroissance : 7,3 µs

Temps (µs)

4,4 µs ⇔ 230 kHz Relaxation

IV. Injection d'un laser à fibre Réponse temporelle

Évolution temporelle pour un désaccord négatif proche de la zone d'accrochage :

r = 2 & Pi = -1,7 dBm

0 50 100 150 200 0,0

0,1

0,2

Inte

nsité

(u. a

.) Période : 87 µs

Temps (µs)

87 µs ⇔ 11,5 kHz Origine physique ?

26

12 14 16 18 20 0,0

0,1

0,2

Temps (µs) In

tens

ité (u

. a.) Période :

0,28 µs

0,28 µs ⇔ 3,6 MHz Désaccord ?

IV. Injection d'un laser à fibre Réponse temporelle

Évolution temporelle pour un désaccord négatif proche de la zone d'accrochage :

r = 2 & Pi = -1,7 dBm

20 40 60 80

0,0

0,1

0,2

Inte

nsité

(u. a

.)

Temps (µs)

27 IV. Injection d'un laser à fibre Réponse temporelle

Évolution temporelle pour des désaccords négatifs croissants

0 50 100 150 200 0,0

0,1

0,2

Inte

nsité

(u. a

.)

Temps (µs) 0 50 100 150 200

0,0

0,1

0,2

Inte

nsité

(u. a

.) Temps (µs)

0 50 100 150 200 0,0

0,1

0,2

Inte

nsité

(u. a

.)

Temps (µs)

Avant accrochage :

- la période générale décroît - le nombre de picots décroît

⇒ comportements stables et répétables à étudier plus en détails Pu

issa

nce

inje

ctée

(dB

m)

Désacord (MHz) -5 0 5 10 15 20 25

-16

-12

-8

-4

0

Décroissant

Croissant r = 2 Pi = -1,7 dBm

29 V. Influence de la cohérence maître Expériences

Nouvelle méthode de mesure de largeurs de raie pour des lasers très cohérents (< Hz ?)

Puissance injectée (dB)

Max

imum

du

spec

tre

escl

ave

inje

cté

(u. a

.)

-30 -20 -10 0

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 Pleine-largeur à mi-hauteur :

Maître 2 : 50 kHz Maître 1 : 125 kHz

3,4 dB ⇔ x 2,2

Rapport : 2,5

-100 0

+100 -90

-65

-40

Rappel : spectres optiques du laser injecté

30 V. Influence de la cohérence maître Modélisation et influence du Fabry-Perot

20

30

40

50

60

70

-140 -120 -100 -80 -60 -40

Max

imum

du

spec

tre

escl

ave

inje

cté

(dB

)

Puissance injectée (dB) -140 -120 -100 -80 -60 -40

25

30

35

40

45

Puissance injectée (dB) M

axim

um d

u sp

ectr

e es

clav

e in

ject

é (d

B)

4,0 14 1,0 Largeur spectrale maître (u. a.) :

Sans Fabry-Perot Avec Fabry-Perot

5,9 dB ⇔ x 3,9 12 dB

⇔ x 15,7

Le modèle valide la faisabilité de la mesure de largeurs spectrales Importance de la prise en compte du filtrage de l'analyseur Fabry-Perot

31 Conclusion (1)

• Injection d'un laser à semi-conducteurs - la cartographie de l'injection dépend de la nature de l'esclave, à travers : - le facteur de couplage phase-amplitude - la force des réseaux des lasers DFBs - les fréquences de relaxation - cartographie du comportement bistable - cartographie expérimentale du régime de relaxation - synchronisation de chaos (cryptographie)

• Réponse temporelle du laser à fibre injecté - réponses originales et curieuses qui restent à expliquer

32 Conclusion (2)

• Faible injection - l'esclave est un amplificateur idéal pour des signaux faibles et cohérents - l'accrochage total est défini comme à saturation de l'amplification - l'efficacité de l'injection dépend de la cohérence du laser maître - attraction en fréquence

• Modèle - simple et en bon accord qualitatif avec les expériences - prise en compte de la fonction d'appareil du Fabry-Perot - études quantitatives...

33 Discussion

Un grand merci :

- aux membres du jury : Marc Brunel, Yves Champagne, John Dudley et Pierre Tremblay ;

- ENSSAT : Pascal Besnard, Renaud Gabet, Guy Stéphan, Jean-Claude Simon, Vincent Roncin, Mathilde Gay, Céline Guignard, Réjane Le Roy, Sylvain Fève, Serge Le Flécher, Olivier Vaudel, Julien Poëtte, etc ;

- COPL : Sophie LaRochelle, Paul Verville, Chrystelle Juignet, Isabelle Castonguay, Radan Slavík, Serge Doucet, Julien Magné, Ghislaine L'Hebreux, etc ;

- mais aussi : Carlos Palavicini, Yves Jaouën, Tran Thi Tam, Michel Guillou, Clément Girard, Brigitte Moore, et ceux que j'aurais malencontreusement oubliés...

Des questions ?

34 Discussions...

Largeur maître

Den

sité

sp

ectr

ale

de

puis

sanc

e

Fréquence relative

Puis

sanc

e m

aîtr

e du

sp

ectr

e es

clav

e (d

Bm

)

-80 -60 -40

-40

-30

-20

-10

0

Puissance injectée (dBm) 2,0 1,6 1,3 1,1 1,8 1,4 1,2 1,0 0,9 Taux de pompage :

Dét

ectio

n (d

B)

Puissance injectée (dBm) -80 -60 -40 -20

0

5

10

15

20

Meilleure détection près du seuil :

Détection hétérodyne de -117 dBm par R. Gabet

35 Discussions...

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