Brevet FR2644593A1 — publié le 19900921

Fibre optique pour la conversion de fréquence La présente invention concerne une fibre optique pour la conversion de fréquence, notamment le doublage et le triplage de fréquence. On sait que le doublage de fréquence dans un matériau est la propriété de ce dernier de convertir un faisceau de fréquence en un faisceau de fréquence 2w. Sico correspond à une longueur d'onde de 1.064 nm, l'harmonique se trouve dans le vert à 532 rim. C'est un effet non linéaire du second ordre. Le phénomène de doublage est interdit dans les matériaux possédant un centre d'inversion, tels que les verres homogènes. Il est donc nécessaire de briser cette symétrie dans la fibre pour observer cette conversion. L'article de M.E. FERMANN, L. LI, M.C. FARRIES et D.N. PAYNE, "Frequency-doubling by modal phase matching in poled optical fibers", Electronics Letters 7/1988, 24 n 14, p. 894, indique que la fibre doit posséder des sites actifs, tels que des défauts ponctuels localisés autour ou sur les atomes de germanium ou de phosphore, ayant une forte dissymétrie, c'est-à-dire entraînant une hyperpolarisabilité importante. Mais ces sites doivent être répartis de manière non centro- symétrique, de façon à ce que la susceptibilité non linéaire soit non nulle. Le problème posé est l'obtention d'un rendement de conversion important. Pour cela il est nécessaire que l'onde de pompe et l'onde émise se déplacent à la même vitesse, c'est-à-dire que les indices effectifs de la fibre pour wAet 2CO soient égaux. Actuellement, les fibres connues ne permettent pas de répondre à cette condition. Elles répondent à une autre condition aboutissant à une conversion moins intense: il s'agit du coefficient de non linéarité modulé suivant z par une fonction périodique de période'A, avec A = À pà 15 à 30 Lm 21neff (2c) - n eff (W) (Voir l'article de M.C. FARRIES, P. St J. RUSSEL, M.E. FERMANN and D.N. PAYNE: "Second-harmonic generation in an optical fiber by self written X(2) grating", Electronics Letters (1987) 23(7) p. 322-323). On y décrit la génération de la seconde et de la troisième harmoniques dans des - 2 fibres optiques à profil en saut d'indice (ou triangle), obtenue par la formation d'un tel réseau. La brisure de symétrie nécessaire pour le doublage est produite spontanément ou artificiellement par interaction de la matière avec la lumière à 3 ou à 2W. La susceptibilité locale au point (r,, z) est construite à partir de cette interaction; elle possède une distribution spatiale déterminée par le recouvrement des modes supportant les ondesCO et 2W. Le mode propageant a étant imposé, celui de 2W est ab initio libre, et est déterminé par une condition de maximalisation des recouvrements. Néanmoins, l'efficacité de conversion reste faible, de l'ordre de 1 %. La présente invention a pour but de réaliser une fibre optique ayant une efficacité de conversion très supérieure à celle des fibres optiques connues jusqu'à présent. La présente invention a pour objet une fibre optique pour la conversion de fréquence, caractérisée par le fait qu'elle présente une structure à profil d'indice annulaire permettant de réaliser l'accord de phase à l'orde zéro et le recouvrement optimum des modes propres de propagation de la fibre, l'un propageant l'ondeo et l'autre l'onde kW avec 2 ú k 54 pour au moins une longueur d'onde comprise entre 0,4 gm et 2,6 Km, le saut d'indice an dans l'anneau étant compris entre 2 x10-2 -2 et 5 x 10, le rayon intérieur r. de l'anneau étant compris entre i 0,5 Km et 1,5 #m, et le rayon extérieur r de l'anneau étant compris e entre 2 Km et 3,5 pam. De préférence, pour le doublage de fréquence, An est compris entre -2 -2 2 x 10O2 et 3 x 10-2. De préférence, pour le triplage de fréquence, An est compris entre -2 -2 3 x 10-2 et 5 x 10-2. La présente invention a également pour objet un laser faisant application de la fibre définie ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante de modes de réalisation donnés à titre illustratif mais nullement limitatif. Dans le dessin annexé: - La figure 1 montre très schématiquement le saut d'indice An dans une fibre optique dont le rayon du coeur est r. - 3 - - Les figures 2 à 5 sont des diagrammes représentant, pour des fibres selon l'invention différant par leur indice ou les dimensions de leur anneau, l'indice effectif n ff des modes existant dans ces fibres en fonction de la longueur d'onde (log10>). - La figure 6 est un schéma de principe d'un laser incorporant une fibre optique selon l'invention. On a montré très schématiquement dans la figure 1 les variations de l'indice du coeur d'une fibre optique en silice selon l'invention à profil d'indice annulaire. Lorsque r est compris entre r = r. i (r intérieur) et r = r (r extérieur), l'indice croit d'une valeur An. e Cet écart d'indice peut être obtenu par dopage avec des oxydes de germanium et/ou de phosphore. Le brevet français n 87 14 286 du 16 octobre 1987 décrit un procédé de fabrication d'une telle fibre. Les figures 2 à 5 sont des diagrammes montrant pour différents An, riet re, les variations de l'indice effectif neff (en ordonnées) en fonction de la longueur d'onde > (log1o > en abscisses) pour différents modes de propagation. LP01, LP02, LP03, LP04 correspondent aux modes d'ordre 0, d'azimut 0,1 ou 2; LP1l, LP12, LP13, LP14, correspondent aux modes d'ordre 1, LP21, LP22, LP23, aux modes d'ordre 2 etc. Dans tous ces diagrammes, l'écart en loglo > pour deux modes ayant le même indice effectif est 0,3 pour W et 20D; il est de 0,5 pourCO et 3 Co. Dans tous les cas, on injecte dans la fibre une onde WJdans le mode LPo 1. La figure 2 comporte en outre la courbe des variations de l'indice n de la silice SiO2 en fonction de. Exemple I On prend une fibre de diamètre extérieur 125 am présentant un anneau -2 ayant un saut d'indice an = 3 x 10 2, le rayon intérieur de l'anneau r. étant égal à 0,66 am et le rayon extérieur r2 étant égal à 2 Sm. En se déplaçant le long de la courbe de dispersion LPo01 (figure 2) on trouve qu'un accord optimum pour la conversion W en 2C est réalisé pour > = 1,18 am. Il existe des points d'accords secondaires à 0,93 am entre LPo1 et LP22et t à 0,77 Im entre LPo1 et LP03. 4 - Exemple II On prend une fibre de diamètre extérieur 125 pm présentant un anneau ax12 ayant un saut d'indice An =3 x 10, le rayon intérieur étant égal à 1 lm et le rayon extérieur étant égal à 3 Bm. On voit dans la figure 3 qu'il existe un accord de phase à l'ordre zéro et le recouvrement optimum des modes pour cO et 2CW suivant une très large plage de longueurs d'onde, entre 1,54 am et 2,07 am, soit 0,5 Im environ. Une telle solution est extrêmement intéressante car une telle fibre n'est pas sélective et l'accord de phase n'est pas critique. Si on garde le même An, et si l'on fait varier r. ou r dans les 1 e fourchettes indiquées plus haut, la largeur de la plage non critique peut aller jusqu'à 0,4 #m. A an constant, il existe toujours un couple (ri, re) dans les fourchettes indiquées plus haut pour lequel on a une plage non critique pour la longueur d'onde voulue dont la largeur peut aller jusqu'à 0,4 am. La plage non critique glisse vers les longueurs d'onde plus faibles quand l'épaisseur de l'anneau diminue. Une telle plage non critique permet d'obtenir le doublage de fréquence même si les sources de pompage présentent une certaine dispersion de fréquence d'émission due aux tolérances de fabrication. Exemple III (voir figure 4) On a une fibre présentant toujours le même An = 3 x 10, le rayon intérieur r. étant égal à 1 1m et le rayon extérieur r étant égal à i e 2,5 Im. On a alors un accord optimum entre LP01 et LP02 pour 1,32 pm, et quelques accords secondaires pour 1,04 pm, 0,91 gm et 0,77 pm. Les exemples II et III montrent que, si on se donne une longueur d'onde telle que 1,32 pm ou 1,54 pm, c'est-à-dire un centre de fenêtre de télécommunication, il existe une structure de fibre présentant un anneau avec un An m 3 x 10-2 permettant de réaliser un accord optimum pour W et 2o. Exemple IV On reprend la fibre de l'exemple II et le diagramme de la figure 3. Avec Une telle fibre on peut réaliser des accords permettant une conversion en cascade: On a tout d'abord une conversion de 1,82 im à 0,91 pm (LP01 à LP02), puis un transfert d'énergie à 0,91 am de LP02à LP 01, puis une conversion de 0,91 pm à 0,45 pm (LP01 à LP 03). Exemple V -2 On prend une fibre présentant un An de 5 x 10,avec un rayon intérieur r. de 1 Bm et un rayon extérieur r de 3 m. Un tel An peut 1 e être obtenu en utilisant des oxydes de germanium ou de phosphore comme dopants (voir article R.B. DYOTT, J.R. COZENS, D.G. MORRIS - "Preservation of polarisation in optical fiber waveguides with elliptical cores", Electronics Letters 21/1979, 15 n 13, p. 380-382). Le diagramme de la figure 5 fait apparaÂtre un accord optimum entrecz.et 3W pour X = 1,64 m et X = 0,546 mn. On note également des accords simultanés entreCO et 2O et AWet 3oJ pour 1,52 am, et un accord secondaire entre W et 2CJ pour 1,19 nm. Dans tous les exemples précédents, le rendement de conversion pour et 2W est au moins égal à 50 % avec une onde de pompe de l'ordre de 400 watts et une fibre de quelques mètres de longueur. Par ailleurs, il faut noter une particularité supplémentaire des fibres selon l'invention. Ces fibres présentent toujours un An important au moins égal à 2 x 10. Il apparaît dans ce cas pratiquement toujours au cours de leur fabrication une légère ellipticité que l'on peut mesurer par biréfringence et qui s'avère utile ici pour faciliter l'accord de phase. La fibre présente des indices effectifs légèrement différents suivant deux axes orthogonaux et cela donne un peu de latitude pour les valeurs des longueurs d'onde. De manière générale, pour toutes les fibres annulaires selon l'invention, il existe toujours une longueur d'onde comprise entre - 0,4 Im et 2,6 m pour laquelle on a un accord optimum entre WJet 2C). Inversement, si on se donne une longueur d'onde, on peut trouver au moins une fibre selon l'invention réalisant un accord optimum pour C et 2W Une application très intéressante des fibres selon l'invention est la conversion des fréquences optiques utilisées dans les fenêtres des télécommunications optiques (800, 1300, 1550 et 2550 nm) de façon à faciliter la détection. Une fibre selon l'invention est particulièrement avantageuse dans un autocorrélateur à fibres optiques. La technique de l'autocorrélation optique pour l'évaluation de la durée 6- d'impulsions lumineuses ultra-courtes émises dans l'infra-rouge est décrite notamment dans l'article "Autocorrelation of short pulses using a single-mode fiber" par U. Osterberg et W. Margulis, IEEE J. Quant. Electronics, QE-24, Octobre 1988, p. 2127-2129. On va décrire ci-dessous un laser faisant application d'une fibre selon l'invention. Les lasers à fibre optique sont déjà connus; ils comportent des fibres dopées de différentes terres rares. Le tableau I ci-dessous donne les ions déjà utilisés et les longueurs d'onde d'émission correspondantes. TABLEAU I Ion laser (dm) Nd3 0,94/1,06-1,09/1,4 Er3+ 1,54 Tm3+ 1,8a Pr3+ 1,07 Sm3+ 0,65 Yb3+ 1,02-1,14 Lorsque ce type de laser à fibre dopée fonctionne, par exemple, en régime déclenché et à mode bloqué, la puissance crête à l'intérieur de la cavité à la longueur d'onde laser peut atteindre 6 à 7 kW (voir article de I.N. DULING, L. GOLDBERG, J.F. WELLER, Electronics Letters, 24 (1988), p. 1333). Jusqu'à présent, si l'on souhaitait une longueur d'onde d'émission dans le sepctre visible, on disposait un dispositif doubleur de fréquence à l'extérieur de la cavité. Dans le laser mettant en oeuvre une fibre selon l'invention, la fibre sert à la fois de milieu laser amplificateur et de doubleur de fréquence intracavité. On voit dans le schéma de la figure 6 un segment de fibre 11 selon l'invention et dopée avec un ion des lanthanides, deux miroirs 12 et 13 définissant un résonateur optique, une source de pompage 14 adaptée au dopage de la fibre considérée, injectée dans le segment de fibre 11 à - 7 l'aide du dispositif de focalisation 17. Dans la cavité peuvent éventuellement être insérés un déclencheur 15, un bloqueur de modes 16 et le cas échéant une optique de collimation 18. La transmittance du miroir d'entrée 12 est maximale à la longueur d'onde de pompage et minimale à la longueur d'onde laser X et à la longueur d'onde X/2. La transmittance du miroir de sortie est minimale à la longueur d'onde de pompage, à la longueur d'onde laser et est ajustée à la longueur d'onde > /2 pour l'utilisation considérée. Si l'on choisit une longueur d'onde d'émission laser, on choisit alors un ion de terre rare (cf Tableau I). Ceci fixe alors une longueur d'onde de pompe compatible avec la fibre à base de silice dopée avec l'ion de terre rare choisi. Connaissant la longueur d'onde d'émission laser, on peut définir les paramètres de l'anneau de silice dopée au germanium correspondant au coeur selon l'invention pour obtenir le doublage de la fréquence d'émission laser. On peut alors déterminer le profil LPo01 et par conséquent la répartition la plus efficace de l'ion de terre rare dans la fibre. A titre d'exemple, on pourra utiliser une fibre selon l'invention dopée avec du néodyme. Dans ce cas, on pourra utiliser comme longueur d'onde de pompe 0,82 mm (0,8 lm 5 P ú 0,830 #m). Cette longueur d'onde peut être délivrée par une source de pompage constituée par un réseau de diodes laser de puissance. Suivant la composition exacte de la matrice vitreuse de la fibre optique considérée, la longueur d'onde d'émission laser du néodyme se situe entre 1,06 et 1,09 gm. Dans le cas d'une fibre selon l'invention fortement dopée au germanium, la longueur d'onde d'émission laser est proche de 1,09 #m. En faisant fonctionner ce laser à mode bloqué et en mode déclenché, la puissance crête de l'impulsion la plus forte peut être d'environ plusieurs kilowatts à l'intérieur de la fibre optique. A ce niveau de puissance, le rendement de conversion peut être de l'ordre de 50 %. La longueur d'onde obtenue est d'environ 0,545 im. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été exposés ci-dessus. -8- REVENDICATIONS 1/ Fibre optique pour la conversion de fréquence, caractérisée par le fait qu'elle présente une structure à profil d'indice annulaire permettant de réaliser l'accord de phase.à l'ordre zéro et le recouvrement optimum des modes propres de propagation de la fibre, l'un propageant l'ondecu et l'autre l'onde kw avec 2 i k S 4 pour au moins une longueur d'onde comprise entre 0,4 gm et 2,6 rm, le saut d'indice An dans l'anneau étant compris entre 2 x 10-2 et 5 x 10 2, le rayon intérieur r. de l'anneau étant compris entre 0,5 #m et 1,5 gm, et le i rayon extérieur r de l'anneau étant compris entre 2 #m et 3,5 mm. e 2/ Fibre optique selon la revendication 1, caractérisée par le fait que, pour le doublage de fréquence, àn est compris entre 2 x 10-2 et -2 3 x 10. 3/ Fibre optique selon la revendication 1, caractérisée par le fait que, pour le triplage de fréquence, on est compris entre 3 x 10-2 et x 10-2. 4/ Fibre optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle présente une légère ellipticité. / Application d'une fibre optique selon l'une des revendications précédentes à une fibre laser dopée en outre par un ion de terre rare. 6/ Application selon la revendication 5, caractérisée par le fait que ladite fibre est dopée au néodyme, que la source de pompage est constituée par un réseau de diodes laser de puissance, et que la longueur d'onde d'émission est d'environ 0,545 #m.