Brevet FR2661783A1 — publié le 19911108

DISPOSITIF OPTIQUE, POUR L'EMISSION ET L'AMPLIFICATION DE LUMIERE DANS LA GAMME 1260-1340 NM, A MILIEU ACTIF CONTENANT DU PRASEODYME DESCRIPTION La présente invention concerne un dispositif optique, destiné à l'émission et à l'amplification de lumière dans une gamme de longueurs d'ondes allant de 1260 nm à 1340 nm. Elle s'applique notamment au domaine des télécommunications par fibres optiques. Les systèmes de transmission sur fibres optiques utilisent, lorsque le signal optique à transmettre est trop faible pour pouvoir se propager dans de bonnes conditions, des dispositifs qui amplifient ce signal. Les premiers dispositifs à avoir été utilisés ont été des répéteurs qui détectent le signal optique, le démodulent, le remettent éventuellement en forme, puis le réemettent à un niveau de puissance supérieur au niveau d'entrée. Ces diverses fonctions sont remplies actuellement par des modules de traitement électroniques. La génération suivante d'amplificateurs utilise le principe de l'amplification optique directe : le signal est injecté dans un dispositif optoélectronique qui l'amplifie, ce signal restant sous forme d'onde électromagnétique (photons) dans l'amplificateur. L'amplification optique directe a été étudiée dans divers matériaux et en faisant appel à des phénomènes physiques différents, tels que l'amplification dans un semiconducteur, dans une fibre optique dopée, ou encore par effet non linéaire dans une fibre optique ou dans un cristal (effet Raman, effet Brillouin, amplification paramétrique). Les amplificateurs optiques peuvent être utilisés soit dans les transmissions à longue distance, pour compenser l'atténuation due à la propagation dans la fibre optique de ligne (amplification à l'émission ou postamplification, amplification en ligne, préamplification à la réception), soit dans des systèmes de type réseaux locaux, réseaux d'entreprise ou distribution, dans lesquels l'affaiblissement du signal optique est dû aux coupleurs et aux dérivations de ce signal. On sait que les fibres optiques de silice sont utilisées dans certains domaines de longueur d'ondes, notamment dans le domaine allant de 1,27 à 1,34 micromètres, que l'on appelle "seconde fenêtre de transmission" et dans le domaine allant de 1,5 à 1,6 micromètres que l'on appelle "troisième fenêtre de transmission". Des amplificateurs optiques à semiconducteurs et à fibres optiques dopées à l'erbium sont disponibles pour la troisième fenêtre de transmission. Pour l'amplification optique directe dans la seconde fenêtre de transmission, on a envisagé d'utiliser des fibres optiques de silice ou en verre de fluorures(par exemple de type ZBLAN) dopées avec du néodyme. Cependant, la bande bien connue du néodyme entre 1,3 et 1,4 micromètre est inutilisable en dessous de 1,32 micromètre pour de telle fibres, ce qui limite les applications du dopage par néodyme à une gamme très restreinte de longueurs d'ondes. Le fait que la bande en question soit inutilisable résulte d'un phénomène d'absorption par état excité ("Excited State Absorption") à partir du niveau supérieur de la transition considérée du néodyme. Pour ces questions, on se reportera par exemple aux deux articles suivants: ( 1) M MIYAJIMA et ai, Electronic Letters, 1 er février 1990, vol 26, n 3, pp 194-195, ( 2) M BRIERLEY et ai, Electronic Letters, 1 er mars 1990, vol 26, n 5, pp 329-330. La présente invention a pour but de remédier à l'inconvénient inhérent au dopage par du néodyme, en proposant un dispositif optique permettant notamment une amplification optique dans toute la seconde fenêtre de transmission. A cet effet, la présente invention utilise un milieu actif approprié, dopé avec des ions praséodyme 3 + Pr De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif optique, destiné à l'émission et à l'amplification de la lumière dans une gamme de longueurs d'ondes allant de 1260 nm à 1340 nm, caractérisé en ce qu'il comprend: 3 + un milieu actif qui contient des ions Pr, et au moins un moyen d'excitation, ce moyen d'excitation étant prévu pour engendrer un rayonnement lumineux qui excite de façon importante le niveau 1 3 3 + supérieur de la transition G vers H des ions Pr 4 5 du milieu actif, et en ce que ce milieu actif est choisi de façon à obtenir un rendement quantique radiatif important pour ladite transition. Par "rayonnement lumineux qui excite de façon importante le niveau supérieur de la transition G 3 3 + 4 vers H 5 des ions Pr du milieu actif", on entend un rayonnement Lumineux qui conduit à un rapport de branchement ("branching ratio") au moins égal à environ %, ce rapport de branchement étant le rapport du nombre d'ions Pr qui passent par L'état G au nombre 3 + 4 d'ions Pr excités. Par "rendement quantique radiatif important", on entend un rendement quantique radiatif au moins égal à environ 10 %. Le milieu actif peut être fait d'un verre de f Luorures. Ce dernier est par exemple le ZBLAN (verre de composition Zr F 4-Ba F 2La F 3-Al F 3-Na F) ou le BIZYT (verre de composition Ba F -In F -Zn F -YF -Th F). 2 3 2 3 43 + La concentration des ions Pr dans le milieu actif peut être de l'ordre de quelques dizaines à quelques milliers de microgrammes par gramme. Le moyen d'excitation peut être prévu pour engendrer un rayonnement lumineux dont la longueur d'onde est de l'ordre de 1 micromètre et qui excite directement le niveau supérieur de ladite transition. Le milieu actif peut contenir en outre des ions d'au moins une autre Terre Rare afin d'exciter indirectement, par l'intermédiaire d'une excitation de ces derniers, le niveau supérieur de ladite transition, en vue d'augmenter l'absorption du rayonnement lumineux d'excitation et/ou le rendement quantique radiatif de ladite transition. La concentration des ions de cette autre Terre Rare dans le milieu actif peut être de L'ordre de quelques dizaines à quelques milliers de microgrammes par gramme. objet de L'invention peut Le dispositif comprendre au moins un autre moyen d'excitation, cet autre moyen d'excitation étant prévu pour exciter les ions de l'autre Terre Rare. Le dispositif objet de L'invention peut comprendre une fibre optique dont Le coeur constitue Le mi Lieu actif. La longueur de La fibre optique peut être de L'ordre de quelques dixièmes à quelques dizaines de mètres. De préférence, cette fibre optique est monomode, afin d'obtenir une forte excitation du niveau supérieur de ladite transition et également pour des raisons de compatibilité avec les fibres de ligne des systèmes de transmission par fibres optiques, fibres qui sont généralement monomodes. Le dispositif objet de l'invention permet d'obtenir une émission incohérente de lumière dans la bande allant de 1260 à 1340 nm. L'invention s'applique également à l'amplification optique, comme on l'a déjà indiqué: le dispositif objet de l'invention peut comprendre en outre un moyen de couplage optique permettant d'injecter dans le milieu actif au moins un signal lumineux dont la longueur d'onde est comprise dans la gamme allant de 1260 nm à 1340 nm, afin d'amplifier ce signal lumineux lorsque le niveau supérieur de Ladite transition est excité. Enfin, l'invention s'applique aussi à l'émission cohérente de Lumière dans la bande allant de 1260 à 1340 nm: le dispositif objet de l'invention peut comprendre en outre un premier miroir et un deuxième miroir entre lesquels est compris Le milieu actif, le premier miroir étant apte à réfléchir un rayonnement laser engendré dans ce milieu actif lorsque le niveau supérieur de ladite transition est excité, tandis que le deuxième miroir est partiellement transparent à ce rayonnement Laser. La présente invention sera mieux comprise à la Lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma des niveaux d'énergie de l'ion Pr dans un cristal de La CL 3, la figure 2 montre un spectre d'émission spontanée amplifiée, obtenue avec un mi Lieu actif utilisable dans l'invention, la figure 3 est une vue schématique d'un dispositif conforme à L'invention, qui constitue un amplificateur optique, la figure 3 A est une vue en coupe transversale schématique d'une fibre optique utilisée dans le dispositif représenté sur la figure 3, la figure 4 est une vue schématique d'un autre dispositif conforme à l'invention qui constitue un laser, et la figure 5 est une vue schématique d'une variante de réalisation de ce laser. La figure 1 représente les niveaux d'énergie 3 + de l'ion Pr dans un cristal de La C 13, les énergies E étant comptées par rapport à celle du niveau fondamental, prise comme origine des énergies. La présente invention utilise un mi Lieu 3 + actif, ou matrice, contenant des ions Pr et, par conséquent, les niveaux d'énergie de ces ions dans la matrice peuvent être légèrement décalés par rapport aux niveaux représentés sur la figure 1. La transition T utilisée dans la présente i 3 invention implique les niveaux G 4 et H 5 Cette transition ne peut être radiative que lorsque le niveau supérieur G de la transition possède une durée de vie suffisamment longue et lorsqu'il ne subit pas de transition non radiative vers le niveau immédiatement inférieur en énergie. Les transitions non radiatives sont principalement dues aux désexcitations multiphoniques. Dans la silice, ces désexcitations inhibent totalement la transition T considérée. A ce propos, on pourra se reporter à la figure 6 du document suivant: ( 3) B J AINSLIE et a I, Journal of Lightwave Technology, vol 6, n O 2, février 1988, pp 287-293. La présente invention repose sur la mise en évidence du fait que, avec Les verres de fluorures, par exemple avec le ZBLAN, la transition T peut exister sous forme radiative. La figure 2 montre un spectre d'émission spontanée amplifiée (densité spectrale d'énergie P en fonction de longueur d'onde L, pour l allant de 1,2 à 1,4 micromètre environ). Il s'agit d'un spectre de fluorescence recueilli à l'extrémité d'une fibre optique en ZBLAN, dont le coeur est co-dopé au praséodyme et à l'ytterbium et excité par pompage optique à une longueur d'onde de 1,064 micromètre. Les dopages utilisés sont de l'ordre de quelques centaines de microgrammes par gramme. Un spectre de caractéristiques comparables est obtenu lorsque la fibre est seulement dopée au praséodyme. On voit sur la figure 2 que le spectre obtenu comporte un pic qui est centré sur une longueur d'onde voisine de 1,3 micromètre et dont l'énergie totale est de l'ordre de 40 n W dans les conditions de l'expérience. Certes, une étude d'un verre au fluorozirconate dopé avec des ions Pr est mentionnée dans le document suivant: ( 4) S T DAVEY et ai, British Telecom Technology Journal, vol 7, N 01, janvier 1989, pp 58-68. Cependant, seu Le la fluorescence due à La 1 1 3 + transition D vers G de Pr a été observée avec 2 4 certitude par Les auteurs de ce document ( 4). En effet, La Longueur d'onde utilisée pour le pompage, soit 488 nm comme on le voit sur la figure 6 du document ( 4), ne permet pas d'accéder à La transition G vers H utilisée dans la présente 4 5 invention, compte tenu du schéma d'excitation. Ceci est confirmé par le fait que le spectre de La figure 2 de la présente demande, spectre qui i 3 correspond à la transition G vers H, est totalement différent du spectre qui est présenté a la figure 6 du document ( 4). Sur la figure 3, on a représenté schématiquement un dispositif conforme à l'invention, qui permet l'amplification optique d'un ou d'une pluralité de signaux lumineux. Le dispositif représenté sur la figure 3 comprend une fibre optique amp Lificatrice 2 dont Le coeur est fait d'un verre de f Luorures, dopé avec des 3 + ions Pr La fibre 2 est vue en coupe transversale sur la figure 3 A o L'on voit La gaine optique 2 a et Le coeur 3 de cette fibre 2. Le dispositif représenté sur La figure 3 comprend également un laser 4 destiné à exciter les 3 + ions Pr du coeur de la fibre pour obtenir la I 3 transition G vers H qui, dans le cas de la fibre 4 5 considérée, a lieu sous forme radiative, le matériau du coeur étant choisi à cet effet. Le signal lumineux sl à amplifier, dont la longueur d'onde appartient au domaine allant de 1260 nm à 1340 nm, ainsi que la lumière issue du laser 4 sont injectés dans une extrémité de la fibre 2 (extrémité d'entrée) par l'intermédiaire d'un moyen de couplage optique 6. Lorsque le laser 4 fonctionne, on récupère donc à l'autre extrémité de la fibre 2 (extrémité de sortie) un signal amplifié 51. Pour éviter que l'amplificateur optique ainsi réalisé ne fonctionne comme un laser, on peut interposer un isolateur optique 8 entre le moyen de couplage 6 et la fibre 2 et disposer éventuellement un autre isolateur optique 10 à l'extrémité de sortie de la fibre 2 - De plus, pour éliminer à la sortie de la fibre 2 la lumière d'émission spontanée amplifiée de cette fibre, on peut placer, à la suite de l'isolateur optique 10, un moyen de filtrage 12 prévu à cet effet, comme on le voit sur la figure 3. Le dispositif représenté sur la figure 3 permet d'amplifier simultanément une pluralité de signaux lumineux, tels que sl et S 2, que l'on injecte (avec la lumière engendrée par le laser 4) à l'entrée de la fibre 2 par l'intermédiaire d'un moyen de couplage approprié, la longueur d'onde de chacun de ces signaux étant comprise dans le domaine allant de 1260 nm à 1340 nm. A la sortie de la fibre, on obtient alors les signaux amplifiés, tels que Sl et 52. Dans le coeur de la fibre optique 2, les ions 3 + Pr peuvent être associés à des ions d'une autre Terre Rare ou d'une pluralité d'autres Terres Rares (codopage), qui transfèrent leur excitation, due au laser 4, sur le praséodyme. On augmente ainsi l'absorption de la lumière excitatrice issue du laser 4 et/ou le rendement I 3 quantique de la transition G vers H 5 4 5 ' Dans le cas d'un codopage, on peut utiliser un autre laser 14 pour exciter le codopant, le laser 4 étant, quant à lui, destiné à l'excitation des ions 3 + Pr La lumière issue du laser 14 est alors injectée dans la fibre 2 par l'intermédiaire d'un moyen de couplage optique approprié 16, comme on le voit sur la figure 3. A titre purement indicatif et nullement limitatif: la fibre optique 2 est une fibre monomode à 1,3 micromètre, dont le coeur a un diamètre de l'ordre de 4 à 10 micromètres et dont la différence d'indices optiques entre le coeur et la gaine optique est de -3 -3 l'ordre de 4 x 10 à 10 x 10, le coeur de la fibre 2 est fait du matériau ZBLAN, par exemple du matériau de composition (en % molaire) 53 Zr F -22 Ba F 2-4 La F 3-3 Al F 3-18 Na F, ou du matériau BIZYT, par exemple du matériau de composition (en % molaire) 3 O Ba F 2-3 O In F 3-20 Zn F 2-10 YF -1 O Th F 4 ces matériaux étant bien entendu dopés par les ions 3 + Pr Le praséodyme peut être associé à un codopant tel que l'ytterbium. Le dopage, tant pour Pr que pour Yb, peut être de l'ordre de quelques centaines de microgrammes par gramme. Le laser 4 utilisé dans le dispositif de la figure 3 est choisi de façon à émettre une lumière dont la longueur d'onde est de l'ordre de 1 micromètre. On utilise par exemple, en tant que laser 4, un laser YAG:Nd fonctionnant à 1,064 micromètre, ou un autre laser fonctionnant sur cette transition du néodyme. En cas de codopage, par exemple par Yb, on peut utiliser, en tant que laser 4, un laser émettant à 0,98 micromètre pour exciter les ions Pr et, en tant que laser 14, un laser émettant à 1,06 micromètre pour exciter les ions Yb. Des expériences effectuées avec une fibre optique codopée au praséodyme et à l'ytterbium (dopages de l'ordre de quelques centaines de ppm-poids) et pompée à 1,064 micromètre, ont permi d'obtenir un gain d'amplification de 17 d B (facteur 50), le signal en sortie de fibre passant de 0,7 n W en l'absence de pompage à 35 n W lorsque la fibre est pompée. Dans d'autres expériences, on a obtenu un gain d'amplification de 30 d B, soit un facteur d'amplification égal à 1000. Le dispositif décrit en se référant à la figure 3 peut servir de source de lumière incohérente dans la bande allant de 1260 nm à 1340 nm, si L'on n'envoit aucun signal lumineux à l'entrée de la fibre 2 (sauf bien entendu la lumière issue du laser 4 et éventuellement celle du laser 14). Le spectre d'émission peut être large ou, au contraire, étroit (en utilisant le moyen de filtrage 12). La figure 4 représente schématiquement un autre dispositif conforme à L'invention, qui fonctionne en tant que Laser. Le dispositif représenté sur la figure 4 comprend la fibre amplificatrice 2 (dopée avec les ions Pr) et le Laser de pompage 4 (Longueur d'onde d'émission de l'ordre de 1 micromètre), qui ont été décrits en faisant référence à la figure 3. Le dispositif schématiquement représenté sur La figure 4 comprend également un miroir d'entrée 18 qui est placé à l'extrémité d'entrée de la fibre 2 et à travers lequel La lumière issue du laser 4 est envoyée dans la fibre 2. Le dispositif de la figure 4 comprend aussi un miroir de sortie 20 qui est placé à l'extrémité de sortie de la fibre 2. Les miroirs 18 et 20 peuvent être des miroirs classiques ou des miroirs dichroiques ou encore des miroirs "tout fibre" ("ail fiber mirrors"). On précise que le miroir d'entrée 18 est choisi de façon à être transparent ou partiellement transparent à la lumière L issue du Laser 4 (Longueur d'onde de L'ordre de 1 micromètre) et réfléchissant vis-à-vis de La Lumière Laser LL engendrée dans Le dispositif de la figure 4 (longueur d'onde de l'ordre de 1,3 micromètre). Le miroir de sortie 20 est, quant à Lui, partiellement transparent à cette lumière Laser. On peut bien entendu insérer dans la cavité laser un dispositif de sélection en Longueur d'onde 22 destiné à sélectionner une lumière laser de Longueur d'onde déterminée. Dans une variante de réalisation schématiquement i L Lustrée par La figure 5, Le Laser de pompage 4 est couplé à L'intérieur de La cavité laser, par l'intermédiaire d'un coupleur approprié 24 qui est inséré dans cette cavité laser (donc entre les deux miroirs 18 et 20), comme Le voit sur la figure 5. REVENDICATIONS 1 Dispositif optique, destiné à l'émission et à l'amplification de la Lumière dans une gamme de longueurs d'ondes allant de 1260 nm à 1340 nm, caractérisé en ce qu'il comprend: un milieu actif ( 3) qui contient des ions 3 + Pr, et au moins un moyen d'excitation ( 4, 14), ce moyen d'excitation étant prévu pour engendrer un rayonnement Lumineux qui excite de façon importante le niveau supérieur de la transition G vers H des ions 3 + 4 5 Pr du milieu actif, et en ce que ce milieu actif est choisi de façon à obtenir un rendement quantique radiatif important pour ladite transition. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que Le milieu actif ( 3) est fait d'un verre de fluorures. 3 Dispositif selon La revendication 2, caractérisé en ce que le verre de fluorures est choisi dans le groupe comprenant le ZBLAN et le BIZYT. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la 3 + concentration des ions Pr dans le milieu actif ( 3) est de l'ordre de quelques dizaines à quelques milliers de microgrammes par gramme. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen d'excitation ( 4) est prévu pour engendrer un rayonnement lumineux dont la longueur d'onde est de l'ordre de 1 micromètre et qui excite directement le niveau supérieur de ladite transition. 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le milieu actif ( 3) contient en outre des ions d'au moins une autre Terre Rare afin d'exciter indirectement, par l'intermédiaire d'une excitation de ces derniers, Le niveau supérieur de ladite transition. 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la concentration des ions de cette autre Terre Rare dans le milieu actif ( 3) est de l'ordre de quelques dizaines à quelques milliers de microgrammes par gramme. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un autre moyen d'excitation ( 14), cet autre moyen d'excitation étant prévu pour exciter les ions de l'autre Terre Rare. 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une fibre optique ( 2) dont le coeur ( 3) constitue le milieu actif. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la fibre ( 2) est monomode. 11 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de couplage optique ( 6) permettant d'injecter dans le milieu actif ( 3) au moins un signal lumineux (sl, S 2) dont la longueur d'onde est comprise dans la gamme allant de 1260 nm à 1340 nm, afin d'amplifier ce signal lumineux lorsque le niveau supérieur de ladite transition est excité. 12 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un premier miroir ( 18) et un deuxième miroir ( 20) entre lesquels est compris le milieu actif ( 3), le premier miroir ( 18) étant apte à réfléchir un rayonnement Laser (LL) engendré dans ce milieu actif lorsque le niveau supérieur de ladite transition est excité, tandis que Le deuxième miroir ( 20) est partiellement transparent à ce rayonnement laser (LL).