Brevet FR2707767A1 — publié le 19950120

Amplificateur à fibre optique à conversion de fréquence La présente invention concerne un amplificateur à fibre optique à conversion de fréquence. On connaît des lasers avec doublage de fréquence à l'intérieur de la cavité ; ces dispositifs ont un bon rendement mais constituent des dispositifs peu compacts et fragiles. On connaît par ailleurs par le brevet français FR-A-2 644 593 une fibre optique pour le doublage ou le triplage de fréquence. Une telle fibre est de préférence adaptée à des signaux d'entrée de longueurs d'onde de l'ordre de 1,3 gm et 1,55 gm. On constate que la condition d'accord de phase imposée sur une grande longueur de fibre est difficile à réaliser en pratique. La présente invention a pour but de réaliser un amplificateur à fibre optique à doublage ou triplage de fréquence, plus aisé à mettre en oeuvre que les amplificateurs précédents ; elle a pour but également de réaliser un dispositif amplificateur "tout solide" susceptible d'émettre dans le bleu, en vue d' applications à l'enregistrement magnéto-optique et aux télécommunications à travers l'eau de mer. La présente invention a pour objet un amplificateur à fibre optique à conversion de fréquence, comportant une fibre optique ayant une structure à profil d'indice annulaire avec un saut d'indice An compris entre 2 xi0~2 et 5 x 10-2, le rayon intérieur de l'anneau ri étant compris entre 0,5 gm et 1,5 gm, le rayon extérieur de l'anneau re étant compris entre 1 gm et 3,5 gm, caractérisé par le fait que le coeur de ladite fibre en silice dopée au germanium comporte des défauts ponctuels constitués par des lacunes d'oxygène à une concentration au moins égale à 3 x 1019 cl~3, lesdits défauts présentant une bande d'absorption coïncidant avec la raie d'émission stimulée à 2 w ou 3 , X étant la pulsation du signal d'entrée dans ledit amplificateur, une source de pompage multiphotonique étant prévue pour exciter lesdits défauts ponctuels. Le nombre de défauts ponctuels au niveau du germanium ou du silicium est par exemple de l'ordre de 6.1019 cl~3, ce qui correspond à environ 10 fois la concentration ordinaire. Pour atteindre une telle concentration il convient d'effectuer un traitement thermique de la fibre qui sera décrit plus loin. Dans un tel amplificateur les défauts ponctuels générés dans la fibre assurent à la fois la fonction d'amplification et la fonction de conversion de fréquence. La source de pompage multiphotonique peut assurer un pompage à deux, trois ou quatre photons selon la bande d'absorption et la longueur d'onde considérées. Selon un mode de réalisation, l'amplificateur selon l'invention est caractérisé par le fait que, pour des défauts constitués par des lacunes d'oxygène sur des atomes de germanium, ladite bande d'absorption est comprise entre 225 et 275 nanomètres, la longueur d'onde de pompage multiphotonique est comprise entre 902 et 1102 nanomètres, la longueur d'onde dudit signal d'entrée est comprise entre 722 et 834 nanomètres et la longueur d'onde d'émission stimulée ( 2 &commat;) est comprise entre 361 et 417 nanomètres ; si la longueur d'onde du signal d'entrée est comprise entre 1,08 gm et 1,25 lem, la longueur d'onde d'émission stimulée (3 ) est comprise entre 361 et 417 nanomètres. Selon un autre mode de réalisation, l'amplificateur selon l'invention est caractérisé par le fait que, pour des défauts constitués par des lacunes d'oxygène sur des atomes de silicium, ladite bande d'absorption est comprise entre 225 et 275 nanomètres, la longueur d'onde de pompage multiphotonique est comprise entre 902 et 1102 nanomètres, la longueur d'onde dudit signal d'entrée est comprise entre 830 et 992 nanomètres, et la longueur d'onde d'émission stimulée (2'o) est comprise entre 415 et 496 nanomètres ; si la longueur d'onde du signal d'entrée est comprise entre 1,245 gm et 1,49 gm, la longueur d'onde d'émission stimulée (3 o) est comprise entre 415 et 496 nanomètres. Ladite source de pompage multiphotonique est par exemple une diode laser émettant à 980 nanomètres. Pour un signal d'entrée dont la longueur d'onde est comprise entre 722 et 834 nanomètres, il est préférable de choisir une fibre dont le coeur soit tel que re soit compris entre 1 et 2 gm, re-ri étant égal à 0,6 gm et an égal à 3 x 10-2. Pour un signal d'entrée dont la longueur d'onde est comprise entre 1,245 gm et 1,49 gm, il est préférable de choisir une fibre dont le coeur soit tel que re soit compris entre 1,5 gm et 1,8 gm, re-ri étant égal à 0,94 gm et An à 3 x 10-2. Grâce à l'amplificateur selon l'invention il est notamment possible de convertir un signal à 1,3 gm correspondant à une fenêtre des télécommunications optiques en un signal à 430 nanomètres, en utilisant le triplage de fréquence généré par les défauts du silicium. Le signal émis se place alors correctement par rapport à la fenêtre de transmission de l'eau de mer comprise entre 400 et 530 nanomètres. L'amplificateur selon l'invention constitue également une source de courte longueur d'onde très utile pour l'enregistrement optique permettant ainsi une augmentation des densités d'informations. En outre, les dispositifs existant actuellement pour cette application sont formés avec des composants discrets et imposent des réglages qu'il peut être difficile de conserver sur des ensembles mobiles. Le dispositif selon l'invention est de type "tout solide" donc plus fiable. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif mais nullement limitatif. Dans le dessin annexé - Les figures lA, lB, 1C, montrent des exemples de types de pompage d'un amplificateur selon l'invention. - La figure 2 montre schématiquement les niveaux de stimulation et d'émission d'un amplificateur selon l'invention, avec doublage de fréquence. - La figure 3 est analogue à la figure 2 mais pour une émission avec triplage de fréquence. - La figure 4 illustre schématiquement un amplificateur selon l'invention. - La figure 5 montre le profil d'indice-An du coeur de la fibre de l'amplificateur selon l'invention en fonction du rayon. - Les figures 6 et 7 correspondent aux figures 1A, 1B, 1C et 2 et illustrent des exemples de longueurs d'onde choisies pour obtenir un doublage de fréquence. - La figure 8 est analogue aux figures 6 et 7 pour un triplage de fréquence. Les figures 1A, 1B, 1C, 2 et 3 sont des schémas illustrant le principe de l'amplification et de la conversion de fréquence dans un amplificateur selon l'invention. Les niveaux 1 et 2 sont respectivement l'état initial et l'état excité, et définissent la bande d'absorption des défauts ponctuels de la fibre qui seront définis plus loin. Le passage du niveau 1 au niveau 2 peut se faire par l'absorption de quatre photons d'une source de pompage de longueur d'onde Xp (cf figure 1A), de trois photons (cf figure 1B) ou de deux photons (cf figure 1C). Les atomes excités passent alors à un état de transfert (référencé 3 dans les figures 2 et 3). L'envoi d'un signal de longueur d'onde Xs et de pulsation X à l'entrée de l'amplificateur va déclencher une émission stimulée de longueur d'onde Xe, et de pulsation 2 (cas de la figure 2), ou de pulsation 3 X (cas de la figure 3).. On retrouve très schématiquement dans la figure 4 l'amplificateur selon l'invention avec sa source de pompage 10, sa fibre amplificatrice 11, et son multiplexeur 12 permettant l'introduction dans la fibre il du signal d'entrée Xs et de l'onde de pompe Xp. La figure 5 montre très schématiquement en coupe la répartition de l'indice n dans le coeur de la fibre 11. La fibre 11 présente un anneau ayant un saut d'indice n = 3 x 1o-2, le rayon intérieur de l'anneau étant référencé ri et le rayon extérieur re. Le coeur de la fibre 11 en silice dopée au germanium comporte des défauts ponctuels correspondant à des lacunes d'oxygène sur des atomes de silicium et de germanium. Ces lacunes existent naturellement dans la fibre mais sont insuffisants pour provoquer l'effet recherché dans la présente invention. On accroît considérablement le nombre de ces défauts en effectuant le traitement thermique sous une atmosphère d'hydrogène décrit ci-après. Selon une première variante, ne nécessitant pas d'enlever la gaine protectrice en silicone de la fibre 11, on traite à la température T (en K) pendant un temps t (en secondes) donné par la formule = = exp (5230/T) Par exemple on effectue un traitement à 90"C pendant 500 heures. Selon une seconde variante, la gaine en silicone de la fibre est otée par un solvant, et le traitement thermique est défini par la formule = = 3 exp (5230/T) Par exemple on effectue un traitement entre 400C et 550"C pendant 1 à 2 heures. Dans ces conditions la concentration des défauts augmente approximativement d'un facteur 10 ; elle est de 6.1019 cm'3 environ et ne doit pas être inférieure d'un facteur 2 de cette valeur pour que l'effet recherché puisse être obtenu. Exemple 1 La fibre optique Il est telle que An = 3 x 10-2 ; re est compris entre 1 et 2 Am, et re-ri est égal à 0,6 gm. La source de pompage 10 est choisie pour que Xp soit égale à 960 nm (voir figure 6). Un pompage à quatre photons correspond à la bande d'absorption de 240 nanomètres des défauts ponctuels. On envoie dans la fibre 11 un signal de longueur d'onde Xs égale à 830 nm ; on obtient un signal de sortie de longueur d'onde Xe = 415 nanomètres. Dans ce cas ce sont les défauts ponctuels au niveau des atomes de germanium qui ont été concernés par l'émission stimulée. Exemple 2: On met en oeuvre les mêmes éléments que dans l'exemple 1, mais on envoie dans l'amplificateur un signal de longueur d'onde Xs égale à 890 nm (voir figure 7) ; on obtient un signal de sortie de longueur d'onde Xe = 445 nanomètres. Dans ce cas ce sont les défauts ponctuels au niveau des atomes de silicium qui ont été concernés par l'émission stimulée. Exemple 3 On utilise le même schéma que dans la figure 4, mais avec une fibre dont le coeur est légèrement différent. An est égal à 5 x 10-2, ri est égal à 1 gm et re est égal à 3 Am. La source de pompage est analogue à celle des exemples précédents (voir figure 8). On envoie dans l'amplificateur un signal de télécommunications à 1,3 m et on recueille un signal à 430 nanomètres par un triplage de fréquence et une amplification par les défauts ponctuels au niveau des atomes de silicium. Un tel signal se situe dans la fenêtre de transmission de l'eau de mer. Les amplificateurs selon l'invention doivent comporter des fibres dont les paramètres sont choisis pour se trouver dans une configuration proche de celle permettant un accord de phase ; mais il n'est pas nécessaire que ces paramètres soient ajustés très précisément pour obtenir la conversion de fréquence avec un rendement correct. REVENDICATIONS 1/ Amplificateur à fibre optique à conversion de fréquence, comportant une fibre optique ayant une structure à profil d'indice annulaire avec un saut d'indice An compris entre 2 xi0~2 et 5 x 10-2, le rayon intérieur de l'anneau ri étant compris entre 0,5 gm et 1,5 gm, le rayon extérieur de l'anneau re étant compris entre 1 gm et 3,5 Am, caractérisé par le fait que le coeur de ladite fibre en silice dopée au germanium comporte des défauts ponctuels constitués par des lacunes d'oxygène à une concentration au moins égale à 3 x 1019 cl~3, lesdits défauts présentant une bande d'absorption coincidant avec la raie d'émission stimulée à 2 X ou 3 , X étant la pulsation du signal d'entrée dans ledit amplificateur, une source de pompage multiphotonique étant prévue pour exciter lesdits défauts ponctuels. 2/ Amplificateur à fibre optique, selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, pour des défauts constitués par des lacunes d'oxygène sur des atomes de germanium, ladite bande d'absorption est comprise entre 225 et 275 nanomètres, la longueur d'onde de pompage multiphotonique est comprise entre 902 et 1102 nanomètres, la longueur d'onde dudit signal d'entrée est comprise entre 722 et 834 nanomètres et la longueur d'onde d'émission stimulée (2 ) est comprise entre 361 et 417 nanomètres. 3/ Amplificateur à fibre optique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, pour des défauts constitués par des lacunes d'oxygène sur des atomes de germanium, ladite bande d'absorption est comprise entre 225 et 275 nanomètres, la longueur d'onde de pompage multiphotonique est comprise entre 902 et 1102 nanomètres, la longueur d'onde dudit signal d'entrée est comprise entre 1,08 gm et 1,25 gm et la longueur d'onde d'émission stimulée (3X) est comprise entre 361 et 417 nanomètres. 4/ Amplificateur à fibre optique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que pour des défauts constitués par des lacunes d'oxygène sur des atomes de silicium, ladite bande d'absorption est comprise entre 225 et 275 nanomètres, la longueur d'onde de pompage multiphotonique est comprise entre 902 et 1102 nanomètres, la longueur d'onde dudit signal d'entrée est comprise entre 830 et 992 nanomètres, et la longueur d'onde d'émission stimulée (2w) est comprise entre 415 et 496 nanomètres. 5/ Amplificateur à fibre optique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, pour des défauts constitués par des lacunes d'oxygène sur des atomes de silicium, ladite bande d'absorption est comprise entre 225 et 275 nanomètres, la longueur d'onde de pompage multiphotonique est comprise entre 902 et 1102 nanomètres, la longueur d'onde dudit signal d'entrée est comprise entre 1,245 gm et 1,49 gm et la longueur d'onde d'émission stimulée (3X) est comprise entre 415 et 496 nanomètres. 6/ Amplificateur à fibre optique selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisé par le fait que ladite source de pompage multiphotonique est une diode laser émettant à 980 nanomètres. 7/ Amplificateur à fibre optique selon l'une des revendications 2 et 4, caractérisé par le fait que re est compris entre 1 et 2 gm, re-ri étant égal à 0,6 gm et An égal à 3 x10-2. 8/ Amplificateur à fibre optique selon l'une des revendications 3 et 5, caractérisé par le fait que re est compris entre 1,5 et 1,8 gm, re-ri étant égal à 0,94 gm et An étant égal à 3 x 10-2.