Brevet FR2681737A1 — publié le 19930326

SOURCE MONOFREQUENCE DE PUISSANCE A FIBRE OPTIQUE Le domaine de l'invention est celui des sources optiques cohérentes de moyenne puissance. Actuellement les systèmes de télécommunications utilisent de plus en plus la transmission d'informations par fibres optiques, utilisant en outre des fibres optiques amplificatrices, afin d'augmenter la distance entre récepteurs. Ces fibres sont généralement dopées à l'aide de terres rares permettant d'obtenir un effet laser sur les transitions radiatives de l'ion excité terre rare Pour générer l'émission stimulée à une longueur d'onde Ls, il est nécessaire d'introduire une inversion de population entre état fondamental et état excité au niveau de l'ion terre rare, par une excitation extérieure appelée habituellement pompage Cette opération de pompage est généralement réalisée par une diode laser dont l'émission est centrée sur la bande d'absorption de l'ion terre rare Ainsi, un signal émis à la longueur d'onde Ls peut générer l'émission stimulée à la même longueur d'onde, entraînant une amplification du signal au sein de la fibre optique L'ensemble émetteur de signal, fibre optique amplificatrice constitue une source de lumière cohérente très avantageuse car générant de fortes densités de puissance. Notamment ce type de source peut être utilisé comme source primaire d'un laser de puissance encore plus élevée. C'est pourquoi la présente invention propose une construction particulièrement simple et compacte de ce type de source optique cohérente de moyenne puissance, n'utilisant qu'une seule source de pompage pour exciter la terre rare insérée dans la fibre optique et alimenter optiquement la source de signal Ainsi, la source optique cohérente de moyenne puissance selon l'invention comprend: un laser de pompage émettant à la longueur d'onde Lp; une source cohérente de signal émettant à une longueur d'onde Ls; une fibre optique amplificatrice dopée avec une terre rare, cette fibre recevant la lumière de pompage et la lumière de la source de signal et émettant à la longueur d'onde Ls; et est caractérisée en ce que la source cohérente de signal et la terre rare de la fibre optique sont excitées à la même longueur d'onde Lp par le laser de pompage. Le laser de pompage émet de préférence un faisceau arrivant sur la source de signal dans une direction parallèle au faisceau émis par la source de signal La source de signal peut recevoir le faisceau du laser de pompage dans une direction opposée à la direction du faisceau qu'elle émet Cette source de signal présente de préférence une structure telle qu'elle n'émette qu'une seule fréquence Il peut S 'agir d'une diode laser à émission surfacique ou d'un petit barreau laser comprenant un matériau actif et deux miroirs de manière à former une cavité résonante, l'épaisseur de la cavité étant suffisamment petite pour ne générer qu'une fréquence d'émission sous l'action du pompage optique. Lorsque le milieu constituant le laser de pompage est transparent à la longueur d'onde de la source de signal, il peut être traversé par le faisceau de cette source, ce qui permet d'envisager un montage particulièrement compact dans lequel la fibre optique et la source de signal sont placées de part et d'autre du laser de pompage, dans l'axe d'émission dudit laser de pompage. La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles la figure 1 représente un exemple de source de signal de type diode laser à émission surfacique, pouvant être utilisée dans la source de lumière cohérente de puissance selon l'invention la figure 2 illustre un exemple de source selon l'invention dans lequel le laser de pompage est transparent et traversé par l'onde signal. La source optique cohérente de puissance selon l'invention comprend un unique laser de pompage (LP) émettant à une longueur d'onde Lp permettant d'alimenter optiquement à la fois une source cohérente de signal (SC) de longueur d'onde LS et la fibre amplificatrice (F) De préférence le laser de pompage (LP) est une diode laser dont la nature du matériau semiconducteur dépend de la longueur d'onde de la pompe Lp A titre d'exemple une diode laser obtenue par croissance de composés pseudomorphiques Ga In As/Ga Al As génère une onde de pompe à 0, 98 pim alors qu'une diode laser Ga In As P génère une onde de pompe à 1,48 pum Le laser de pompage émet un faisceau arrivant sur la source de signal (SC) dans une direction parallèle au faisceau émis par la source de signal Cette source de signal se compose d'une partie active constituée par un matériau capable d'être le siège d'une inversion de population entre état fondamental et état excité et de générer une émission radiative cohérente, et de deux miroirs déposés de part et d'autre du matériau actif La source de signal (SC) peut être une diode laser à émission surfacique obtenue à partir d'un empilement de couches d'un matériau actif et de structures réalisant la fonction miroir type miroirs de Bragg La figure 1 illustre ce type de diode laser photopompée par un laser, les faisceaux optiques de pompage et d'émission de signal étant dans des directions anti-parallèles Le matériau (m) de la couche active est choisi de manière à présenter une énergie de bande interdite située spectralement dans la courbe de gain de l'espèce terre rare insérée dans la fibre optique amplificatrice Ainsi en utilisant des fibres dopées avec de l'erbium E 3 capable de fluorescer dans la fenêtre 1,53-1,56 pim r on peut choisir un matériau (m) de diode laser à émission surfacique de type Ga In As P; l'épaisseur de la couche active étant de préférence déterminée de façon à ne générer qu'une seule fréquence d'émission permettant ainsi de disposer d'une source optique cohérente monofréquence de moyenne puissance. Une épaisseur de l'ordre du micron satisfait cette exigence La cavité résonante est réalisée grâce à deux miroirs Ml et M 2 disposés de part et d'autre du matériau actif Ces miroirs peuvent être des miroirs de type Bragg constitués d'empilement de matériaux semiconducteurs transparents sur les fenêtres d'émission et de pompage On peut également employer un miroir de Bragg M 1 et un miroir diélectrique de sortie M 2 Il est nécessaire que le miroir de sortie M 2 présente une bonne transparence à la longueur d'onde de pompe Lp de façon à ce que les photons puissent photoexciter le matériau (m) On adapte donc la nature des matériaux semiconducteurs pour obtenir la transparence du miroir de Bragg M 2 à Lp. Le miroir M est déterminé de manière à réfléchir au maximum l'onde signal émise à la longueur d'onde LS pour rendre la cavité résonante d'une manière unidirectionnelle; si de plus ce miroir réfléchit bien l'onde de pompe, le matériau actif peut être photoexcité davantage par aller et retour A titre d'exemple pour une longueur d'onde de pompe L = 0,98 pmn et un signal émis à Ls = 1,55 pm: la diode laser à émission surfacique peut être constituée par un matériau actif de type Ga Tn As P; le miroir Ml peut être réalisé par un empilement de matériaux In P/Ga As/Ga AI As; le miroir M 2 peut être réalisé par un empilement de matériaux Ga In As P/In P. Les épaisseurs totales des miroirs étant de l'ordre du micron et étant obtenus par les techniques classiques de croissance des composés semiconducteurs. Il est également possible d'utiliser comme source de signal (SC) une petite plaque laser composé de matériau solide tel que du verre à l'erbium dopé avec des ions E ou bien du r grenat d'yttrium et d'aluminium (YAG) également dopé avec des 3 + ions Er les miroirs M 1 et M 2 pouvant être directement les faces terminales du matériau actif L'utilisation d'une telle source de signal (SC) dans le cadre de l'invention utilise un faisceau de pompage dans une direction parallèle au faisceau émis à LS alors que généralement l'opération de pompage est effectuée perpendiculairement à l'axe de la cavité résonante. Le signal émis à la longueur d'onde LS et l'onde de pompe à L sont introduits dans une fibre amplificatrice qui en sortie fournit une source cohérente de lumière de préférence monofréquence de moyenne puissance Pour cela on utilise une optique permettant d'optimiser le couplage entre les deux faisceaux optiques et le coeur de la fibre employée Cette fibre peut être réalisée en silice dopée avec une terre rare dont la nature est adaptée à la longueur d'onde à laquelle on s'intéresse Ainsi pour disposer d'une source cohérente de puissance à LS = 1, 55 pim on peut utiliser une fibre de silice dopée à l'erbium En effet l'ion E 3 + fluoresce sur la fenêtre r 1,53-1,56 pin lorsqu'il a été pompé optiquement à une longueur d'onde de pompe L = 0,808 pm ou L = 0,98 pim ou bien encore LP = 1,48 pim On adapte alors la nature du matériau actif de la source de signal (SC) de manière à ce qu'il puisse être pompé également à la même longueur d'onde de pompe Lp pour émettre le signal à la longueur d'onde LS qui par émission stimulée dans la fibre optique ressort amplifié On adapte également la nature des miroirs M 1 et M 2 à la longueur d'onde L p que l'on a choisie ainsi dans le cas d'un pompage à 1,48 j m, en utilisant une diode laser à émission surfacique à base du quaternaire Ga In As P, la transparence du miroir M 1 à 1,48 pim peut être obtenue avec des miroirs de Bragg résultant de l'empilement de matériaux Ga In As P/In P. En utilisant un laser de pompage -dont le matériau actif est transparent à la longueur d'onde LS, il est possible d'élaborer une source cohérente selon l'invention, en ligne donc particulièrement simple et compacte La figure 2 illustre cet exemple de source dans laquelle le laser de pompe excite simultanément à partir de l'émission sur ses deux faces, d'une part la source cohérente de signal (SC), d'autre part la fibre amplificatrice dopée terre rare Une telle configuration ne nécessite aucun miroir de renvoi et rend la source particulièrement pratique à manipuler. La source selon l'invention peut être accordée aux longueurs d'onde d'émission auxquelles on s'intéresse En effet on peut doper les fibres avec d'autres ions terres rares tels que l'holmium; ainsi une fibre en silice dopée avec de l'holmium et codopée avec des ions Tm peut émettre à 2,04 pim en étant pompée à une longueur d'onde Lp au voisinage de 0, 8 pin Une diode laser à émission surfacique élaborée à partir de composés de type Al Ga As Sb comme matériau actif peut alimenter la fibre optique dopée holmium pour disposer d'une source cohérente de puissance à 2,04 pnm. Avec les sources cohérentes monofréquences de puissance selon l'invention opérant à des longueurs d'ondes choisies on dispose donc de sources également capables de jouer le rôle de sources primaires de commande de laser de plus grande puissance. 7, REVENDICATIONS 1 Source de lumière cohérente de puissance comprenant: un laser de pompage émettant à une longueur d'onde Lp; une source cohérente de signal émettant à une longueur d'onde Ls; une fibre optique amplificatrice dopée avec une terre rare, cette fibre recevant la lumière du laser de pompage et la lumière de la source de signal et émettant à la longueur d'onde Ls; caractérisée en ce que la source cohérente de signal et la terre rare de la fibre optique sont pompées à la même longueur d'onde Lp par le laser de pompage. 2 Source de lumière cohérente de puissance selon la revendication 1, caractérisée en ce que le laser de pompage émet un faisceau qui arrive sur la source de signal dans une direction parallèle au faisceau émis par la source du signal. 3 Source de lumière cohérente de puissance selon la revendication 2, caractérisée en ce que la source de signal reçoit le faisceau du laser de pompage dans une direction opposée à la direction du faisceau qu'elle émet. 4 Source de lumière cohérente de puissance selon l'une des revendications l à 3, caractérisée en ce que la source de signal est une source laser monofréquence. Source de lumière cohérente de puissance selon la revendication 4, caractérisée en ce que la source de signal est une diode laser à émission surfacique. 6 Source de lumière cohérente de puissance selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le laser de pompage est transparent à la longueur d'onde de la source de signal et est traversé par le faisceau de cette source. 7 Source de lumière cohérente de puissance selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le laser de pompage est placé dans l'axe d'émission de la source de signal. 8 Source de lumière cohérente de puissance selon la revendication 7, caractérisée en ce que la fibre optique et la source de signal sont placées de part et d'autre du laser de pompage dans l'axe d'émission dudit laser de pompage.