Brevet FR2689982A1 — publié le 19931015

Amplificateur optique à fibre et système ontique comportant cet amplificateur La présente invention concerne les systèmes optiques utilisant des amplificateurs à fibres optiques dopées. Des matériaux dopants typiques pour ces fibres sont des terres rares telle que l'erbium. De tels systèmes sont notamment des systèmes de télécommunications à fibres optiques. De tels amplificateurs ne sont pas présents seulement dans de tels systèmes en service. Ils le sont aussi dans des assemblages partiels ou provisoires réalisés en vue de la mise en service de tels systèmes pour permettre des mesures, des essais, ou une construction par étapes. Des faces réfléchissantes peuvent être insérées de manière voulue ou accidentelle dans ces assemblages et y réaliser alors une rétroréflexion de la lumière amplifiée par l'amplificateur. De telles faces réfléchissantes peuvent notamment être présentées par un connecteur ou par une extrémité coupée d'une fibre optique. Or, un amplificateur optique à fibre dopée peut avoir un gain suffisamment élevé (30, voire 35 dB) pour que, si cet amplificateur est soumis, par exemple accidentellement, à une rétroréflexion, il se transforme, par un phénomène de déclenchement appelé en anglais Q-switching, en un oscillateur laser. Par ailleurs les solides dopés aux terres rares ont, parmi les matériaux utilisés pour amplifier des ondes optiques, la particularité d'accumuler une grande énergie d'excitation sous forme d'inversion de population et de pouvoir la libérer en une impulsion très brève lors d'un déclenchement. Si l'on manipule en laboratoire des amplificateurs optiques de puissance (postamplificateurs appelés en anglais booster, ou préamplificateurs) non saturés (donc à fort gain), des connecteurs peuvent être détruits.Parfois des multiplexeurs optiques ou des récepteurs ont été endommagés par un tel déclenchement optique. La solution connue pour éviter de tels "accidents" est d'insérer un ou plusieurs isolateurs optiques sur le chemin optique. Ces isolateurs ont une capacité de transmission unidirectionnelle, ce qui interdit l'oscillation. Ils sont alors les composants passifs les plus complexes et donc les plus chers de l'amplificateur à fibre. La présente invention a notamment pour buts d'empêcher à moindre coût de tels déclenchements optiques dommageables, et plus généralement de limiter l'intensité d'une lumière amplifiée par un amplificateur optique à fibre dopée. Et, dans ces buts elle a notamment pour objet un amplificateur caractérisé par le fait qu'il comporte une fibre de protection couplée optiquement à une fibre amplificatrice et comportant un matériau absorbant optique. Ce matériau est présent sous forme de microcristallites. I1 est semi-conducteur, et son coefficient d'absorption optique croît avec l'intensité d'une lumière amplifiable par cet amplificateur. I1 apparaît que la présente invention empêche un déclenchement optique dommageable en tirant avantage d'un phénomène physique connu par ailleurs: l'absorption à deux photons. Dans ce phénomène le coefficient d'absorption est proportionnel à l'intensité optique. Le fait d'insérer en entrée et/ou sortie d'amplificateur une fibre optique spéciale ayant une forte absorption à deux photons évite dans de nombreux cas le déclenchement d'une oscillation laser dangereuse. Dans des cas plus défavorables, les gains peuvent excéder les pertes d'environ 30 dB lors d'un "accident". Si l'absorption à deux photons vaut alors 30 dB pour une intensité donnée, cette intensité ne pourra pas être atteinte par le laser déclenché. A l'aide de la figure schématique ci-jointe, on va décrire plus particulièrement ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment la présente invention peut être mise en oeuvre. Cette figure représeilte une vue d'un système selon la présente invention. Le système optique donné en exemple comporte les éléments suivants qui sont connus quant à leur fonctions indiquées: - Une fibre amplificatrice 2. Cette fibre est une fibre optique comportant un matériau dopant apte à accumuler une énergie d'excitation apportée par une lumière de pompe. Elle présente alors un gain optique pour amplifier une lumière amplifiable qu'elle guide. Elle présente deux extrémités 2A, 2B. - Une source de pompe 4 pour émettre ladite lumière de pompe. - Des moyens de couplage de pompe. Ces moyens sont une fibre de couplage de pompe 5 et un coupleur 6. Leur fonction est d'injecter la lumière de pompe dans la fibre amplificatrice 2, de manière à faire apparaître et à accroître ledit gain optique en accumulant une dite énergie d'excitation dans le matériau dopant. - Un élément optique 8, 10 couplé à la fibre amplificatrice à chaque extrémité de celle-ci. Cet élément optique présente une face réfléchissante parasite 8R, lOR ayant une réflectance parasite lui permettant de renvoyer dans la fibre amplificatrice 2 une fraction d'une dite lumière amplifiable provenant de cette fibre. Cette face réfléchissante et cette réflectance parasites sont associées à cette extrémité. Une cavité résonante optique 8R, 10R incluant la fibre amplificatrice 2 est ainsi formée entre les deux faces réfléchissantes parasites associées aux deux extrémités de cette fibre.Un déclenchement optique peut se produire si un produit critique de trois facteurs atteint un seuil de déclenchement prédéterminé, ces trois facteurs étant les deux réflectances parasites associées aux deux extrémités de la fibre amplificatice et le gain optique de cette fibre. I1 libère alors brutalement l'énergie d'excitation accumulée par le matériau dopant et peut ainsi causer un dommage. - Enfin un moyen de protection est placé dans ladite cavité résonante pour éviter ledit dommage tout en permettant le passage utile de la lumière amplifiable en l'absence de déclenchement. Un tel moyen de protection connu est, comme précédemment indiqué, un isolateur optique. Selon la présente invention ce moyen de protection est une fibre de protection 12. C'est une fibre optique couplée à la fibre amplificatrice. Elle est constituée d'un verre comportant un matériau absorbant semi-conducteur réparti sous forme de microcristallites dans la masse de son coeur. Ce matériau est choisi pour absorber ladite lumière amplifiable en présentant un coefficient d'absorption qui croît lorsque l'intensité de cette lumière croît. De préférence le matériau absorbant est un semiconducteur du type II-VI et notamment le tellurure de cadmium CdTe. La fibre de protection est avantageusement raccordée en série avec la fibre amplificatrice 2 par une soudure 14, ce qui réalise entre ces fibres leur couplage précédemment mentionné. Lorsque le matériau dopant est l'erbium ionisé Er+++, le matériau absorbant semi-conducteur présente une largeur de bande interdite correspondant à une longueur d'onde comprise entre 750 nm et 1550 nm. A titre d'information complémentaire on peut signaler que les verres dopés aux microcristallites de semiconduteurs ont été étudiés pour leurs propriétés d'absorption à deux photons : des coefficients de 0,2 cm/GW ont été mesurés par F. CANTO, E. MIESAK et al. (CLEO'88, poster WM41) dans des cas où l'absorption linéique est négligeable (énergie du photon inférieure à la largeur de bande interdite). Si l'on veut, avec un tel coefficient (0,2 cm/GW), être certain de ne jamais dépasser 5 W (10 MW/cm2) avec une perte de 30 dB à induire, il faut disposer d'une longueur de fibre de 30 m. La perte associée sera seulement de 0,3 dB à 50 mW. REVENDICATIONS 1/ Amplificateur optique à fibre amplificatrice caractérisé par le fait qu'il comporte une fibre de protection (12) couplée optiquement à la fibre amplificatrice (2), cette fibre de protection comportant des microcristallites d'un matériau absorbant optique et semi-conducteur dont un coefficient d'absorption optique croît avec l'intensité d'une lumière amplifiable par cette fibre amplificatrice. 2/ Système optique à amplificateur à fibre comportant - une fibre amplificatrice (2) constituée par une fibre optique comportant un matériau dopant apte à accumuler une énergie d'excitation apportée par une lumière de pompe et à présenter alors un gain optique pour amplifier une lumière amplifiable guidée par cette fibre amplificatrice, cette fibre amplificatrice présentant deux extrémités (2A, 2B), - une source de pompe (4) pour émettre ladite lumière de pompe, - des moyens de couplage de pompe (5, 6) pour injecter ladite lumière de pompe dans ladite fibre amplificatrice (2), de manière à faire apparaître et à accroître ledit gain optique en accumulant une dite énergie d'excitation dans ledit matériau dopant, - un élément optique (8, 10) couplé à ladite fibre amplificatrice à chaque dite extrémité de celle-ci, cet élément optique présentant une face réfléchissante parasite (8R, 10R) ayant une réflectance parasite lui permettant de renvoyer dans ladite fibre amplificatrice (2) une fraction d'une dite lumière amplifiable provenant de cette fibre, cette face réfléchissante et cette réflectance parasites étant associées à cette extrémité, de sorte qu'une cavité résonante optique (8R, 10R) incluant ladite fibre amplificatrice (2) est formée entre les deux dites faces réfléchissantes parasites associées aux deux extrémités de cette fibre et qu'un déclenchement optique peut se produire et causer un dommage si un produit critique de trois facteurs atteint un seuil de déclenchement prédéterminé, ces trois facteurs étant les deux dites réflectances parasites associées aux deux extrémités de ladite fibre amplificatice et ledit gain optique de cette fibre, - et un moyen de protection placé dans ladite cavité résonante pour éviter ledit dommage tout en permettant un passage utile de ladite lumière amplifiable, - ce système étant caractérisé par le fait que ledit moyen de protection comporte une fibre de protection (12) qui est une fibre optique couplée à ladite fibre amplificatrice, cette fibre de protection étant constituée d'un verre comportant un matériau absorbant semi-conducteur réparti sous forme de microcristallites, de manière que ce matériau absorbe ladite lumière amplifiable en présentant un coefficient d'absorption qui croît lorsque l'intensité de cette lumière croît. 3/ Système selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit matériau absorbant est un semi-conducteur du type II-VI. 4/ Système selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit matériau absorbant est le tellurure de cadmium CdTe. 5/ Système selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite fibre de protection est raccordée en série avec ladite fibre amplificatrice (2) par une soudure (14). 6/ Système selon la revendication 2, dans lequel ledit matériau dopant est l'erbium ionisé Er+++, ledit système étant caractérisé par le fait que ledit matériau absorbant semi-conducteur présente une largeur de bande interdite correspondant à une longueur d'onde comprise entre 750 nm et 1550 nm.