Brevet FR2784810A1 — publié le 20000421

La présente invention concerne une source de lumière à fibre optique, et, plus, particulièrement, une source de lumière à fibre optique de grande puissance et à large bande adaptée pour utiliser une lumière d'émission sponta- née amplifiée (amplified spontaneous emission ou ASE) comme source de pompage secondaire. Des recherches continues ont été effectuées en ce qui concerne les sources de lumière de large bande, du fait qu'elles ont une variété d'applications s'étendant, par exemple, aux détecteurs gyroscopiques, aux sources de lu- mière pour tester des éléments optiques, et aux sources de lumière à spectres à expansion ou compression d'impulsions pour des réseaux à accès peu coûteux. En particulier, des sources de lumière qui utilisent la lumière d'émission spontanée amplifiée émise par une fibre dopée par un métal des terres rares, par exemple l'erbium, sont connues comme d'excellentes sources de lumière à large bande, car elles présentent des caractéristiques de large spectre, de puissance élevée, et de faibles pertes. Tous les efforts de recherche qui ont été effectués pour ces sources de lumière à large bande à fibre dopée à l'erbium (erbium-doped fiber ou EDF) sont associés à une bande de longueurs d'onde de 1520 à 1560 nm, dans laquelle fonction- nent la plupart des éléments de communications optiques et des amplificateurs à fibre dopée à l'erbium classiques. Cependant, la récente demande pour l'expansion des com- munications optiques se traduit par des développements ac- tifs d'amplificateurs optiques fonctionnant dans les bandes de longues longueurs d'onde. De ce point de vue, il était également nécessaire de développer des pompes de rendement élevé et des sources de lumière de grande puissance et à large bande fonctionnant dans des bandes de longues lon- gueurs d'onde. La figure 1 est une vue schématique illustrant une source de lumière à fibre dopée à l'erbium classique. Si l'on se réfère à la figure 1, un faisceau de lumière, qui T--lit - oscille en traversant une première région de fibre dopée à l'erbium EDF I, pompée par des moyens de pompage avant, et une deuxième région de fibre dopée à l'erbium EDF II, qui n'est pas pompée, est émis sous la forme d'une lumière de sortie 20. Les moyens de pompage avant comprennent une diode de laser 10 ayant une longueur d'onde de fonctionnement de 980 nm. La diode de laser 10 est couplée à la source de lumière à fibre dopée à l'erbium au moyen d'un coupleur à multi- plexage à division de longueur d'onde (wavelength division multiplexing ou WDM) 30. Dans le cas illustré, un isolateur optique 40 est également disposé à la borne de sortie de la source de lumière à fibre dopée à l'erbium afin de guider la direction de déplacement de la lumière dans une direc- tion. Toutefois, cette source de lumière à fibre dopée à l'erbium a une faible intensité de lumière de sortie et une bande de longueurs d'onde de fonctionnement étroite. La figure 2 est un graphique représentant des spectres de sortie d'émission spontanée amplifiée de sources de lu- mière à fibre dopée à l'erbium classiques qui ont la confi- guration mentionnée ci-dessus en utilisant, pour EDF II, des fibres optiques de différentes longueurs, respective- ment. Si l'on se réfère à la figure 2, on peut voir que l'intensité et la largeur de bande d'émission de la lumière d'émission spontanée amplifiée délivrée en sortie dans la configuration mentionnée ci-dessus diminuent brutalement, en fonction de la longueur de la deuxième région de fibre dopée à l'erbium, à savoir EDF II. Par conséquent, un objet de l'invention est de procurer une source de lumière à fibre optique présentant une grande puissance avec un rendement de pompage élevé. Un autre objet de la présente invention est de procurer une source de lumière à fibre optique fonctionnant dans une large bande de longues longueurs d'onde. Selon la présente invention, ces objets peuvent être accomplis enproprsant une=source de lumière à fibre opti- que comprenant: une source de lumière de pompage pour dé- livrer en sortie une lumière de pompage; une première par- tie de fibre optique adaptée pour être optiquement pompée par la lumière de pompage venant de la source de lumière de pompage; un coupleur optique couplé entre la source de lu- mière de pompage et la première partie de fibre optique et adapté pour transmettre la lumière de pompage venant de la source de lumière de pompage à la première partie de fibre optique; et une deuxième partie de fibre optique couplée à une extrémité d'entrée de la première partie de fibre opti- que, au niveau de laquelle la première partie de fibre op- tique est couplée au coupleur optique, la deuxième partie de fibre optique étant adaptée pour ne pas être optiquement pompée par la lumière de pompage venant de la source de lu- mière de pompage, mais pour utiliser une lumière d'émission spontanée amplifiée émise par la première partie de fibre optique comme source de pompage secondaire de celle-ci. Les objets, éléments et caractéristiques et avantages ci-dessus de la présente invention, ainsi que d'autres, ap- paraîtront de façon plus évidente à partir de la descrip- tion détaillée qui suit, prise en relation avec les dessins joints, dans lesquels: La figure 1 est une vue schématique illustrant une source de lumière à fibre dopée à l'erbium classique; la figure 2 est un graphique représentant des spectres de sortie d'émission spontanée amplifiée de sources de lu- mière à fibre dopée à l'erbium classiques qui ont la confi- guration de la figure 1, en utilisant, pour une deuxième fibre optique dopée à l'erbium EDF II, des fibres optiques de différentes longueurs, respectivement; la figure 3 est une vue schématique illustrant une source de lumière à fibre optique dopée aux terres rares de large bande selon une forme de réalisation de la présente invention; la figure 4 est un graphique représentant des spectres de sortie d'émission spontanée amplifiée de la source de I fli - lumière à fibre optique dopée aux terres rares à large bande selon la forme de réalisation de la présente inven- tion, en fonction de différentes longueurs de la deuxième fibre optique de celle-ci, respectivement; la figure 5 est une vue schématique illustrant un dis- positif pour identifier la présence d'une émission sponta- née amplifiée inverse suffisante pour obtenir une améliora- tion considérable de la puissance de sortie; la figure 6 est un graphique représentant le spectre de lumière d'émission spontanée amplifiée inverse, émergeant d'une première fibre optique dopée aux terres rares incluse dans la source de lumière à fibre optique de la figure 4, mesuré au point A en figure 5; et la figure 7 est un graphique représentant le spectre d'une lumière d'émission spontanée amplifiée avant mesuré en un point B en figure 5. On va à présent se référer plus en détail aux formes de réalisation préférées de la présente invention. La figure 3 est une vue schématique illustrant une source de lumière à fibre optique dopée aux terres rares à large bande selon une forme de réalisation de la présente invention. Comme montré en figure 3, la source de lumière à large bande comprend une première fibre optique, EDF I, qui se compose d'une fibre optique dopée aux terres rares adap- tée pour être optiquement pompée par une lumière de pompage délivrée en sortie par une source de lumière de pompage '. La source de lumière comprend également une deuxième fibre optique EDF II, qui se compose d'une fibre optique dopée aux terres rares adaptée pour ne pas être optiquement pompée par la lumière de pompage délivrée en sortie par la source de lumière de pompage 10'. Un coupleur optique 30 est couplé entre la source de lumière de pompage 10' et la première partie de fibre optique EDF II. Pour la source de lumière de pompage 10', une diode de laser est utilisée. Le coupleur optique 30 sert à transmettre la lumière de pom- page venant de la source de lumière de pompage 10' à la première partie de fibre optique EDF II. La source de lu- mière à large bande selon la présente invention a également une configuration permettant d'utiliser une lumière d'émis- sion spontanée amplifiée délivrée en sortie par la première fibre optique EDF I comme source de pompage secondaire pour la deuxième fibre optique EDF II. Selon la forme de réali- sation illustrée de la présente invention, cette configura- tion est réalisée en couplant la deuxième fibre optique EDF II à une extrémité d'entrée de la première partie de fibre optique EDF I, au niveau de laquelle la première fibre op- tique EDF I est couplée au coupleur optique 30, de telle sorte que la lumière d'émission spontanée amplifiée émise par la première partie de fibre optique EDF I soit utilisée comme source de pompage secondaire de la deuxième fibre op- tique EDF II. Pour éviter un effet d'oscillation indésirable, la deuxième fibre optique EDF II comporte une extrémité d'en- trée traitée par clivage selon un certain angle 50. Egale- ment, un isolateur optique 40 est couplé à l'extrémité de sortie de la première fibre optique EDF I. A la place de l'extrémité d'entrée traitée par clivage selon un certain angle 50, un isolateur optique peut être couplé à l'extré- mité d'entrée de la deuxième fibre optique EDF II. Après avoir comparé la configuration de la forme de ré- alisation illustrée de la présente invention à la configu- ration classique en se référant aux figures 1 et 3, on peut constater qu'elles sont différentes en ce qui concerne l'agencement de la deuxième fibre optique EDF II, tout en utilisant la même longueur de fibre optique totale. La dif- férence remarquable de la configuration montrée en figure 3 par rapport à celle montrée en figure 1 est que la deuxième fibre optique EDF II selon la présente invention est dispo- sée en amont de la diode de laser 10', de telle sorte qu'aucune lumière de pompage ne passe par la deuxième fibre optique EDF II. Pour mesurer les spectres de la source de lumière à large bande selon la forme de réalisation de la présente invention, un essai de mesure de spectre a été réalisé après avoir configuré tous les éléments de la source de lu- mière à large bande comprenant les première et deuxième fi- bres optiques EDF I et EDF II, à l'exception de la configu- ration caractéristique de la présente invention associée à la réutilisation d'une lumière d'émission spontanée ampli- fiée inverse, de telle sorte qu'elles aient des configura- tions identiques à celle de la source de lumière classique. Les première et deuxième fibres optiques EDF I et EDF II utilisées dans l'essai ont été réalisées en utili- sant une fibre optique en silice dopée à l'erbium co-dopée à l'aluminium de telle sorte qu'elles présentent un coeffi- cient d'absorption maximal de 4,5 dB/m à une longueur d'onde de 1530 nm. La première fibre optique EDF I a une longueur fixe de 135 m. La puissance de pompage de la diode de laser à 980 nm qui était utilisée comme source de lu- mière de pompage a été établie à 60 mW. Pour observer la dépendance de l'intensité de la lu- mière de sortie vis-à-vis de la longueur de la région de fibre optique dopée aux terres rares qui n'est pas pompée, à savoir de la longueur de la deuxième fibre optique EDF II, l'essai a été effectué en faisant varier la lon- gueur de la deuxième fibre optique EDF II à 0 m, 5 m, 35 m, 75 m, 110 m et 200 m, respectivement. Dans la présente in- vention, aucune source de lumière à large bande utilisant une configuration de pompage inverse n'est prise en consi- dération. Ceci est dû au fait que l'émission spontanée de lumière dans une telle configuration se produit principale- ment dans les bandes des courtes longueurs d'onde. La figure 4 est un graphique représentant des spectres de sortie d'émission spontanée amplifiée de la source de lumière à fibre optique dopée aux terres rares à large bande selon la forme de réalisation illustrée de la pré- sente invention, en fonction de différentes longueurs de la deuxième fibre optique de celle-ci, respectivement. Si l'on T-e7I se réfère à la figure 4, on peut constater que la source de lumière à large bande selon la présente invention présente non seulement une augmentation de l'intensité de la sortie d'émission spontanée amplifiée, mais également une largeur de bande d'émission étendue, pour une longueur accrue de la deuxième fibre optique EDF II. Une telle amélioration de la puissance de sortie ré- sulte de la disposition de la configuration de réutilisa- tion de lumière, selon la présente invention, qui permet à la lumière d'émission spontanée amplifiée inutile se dépla- çant dans une direction inverse de celle de la lumière de pompage d'être réutilisée comme source de pompage à 1500 nm, de façon à générer par conséquent des photons, servant de germes dans un étage d'amplification aval, à une lon- gueur d'onde de 1600 nm. Si l'on se réfère aux résultats de l'essai représenté en figure 4, on peut constater que la puissance de sortie globale est de 6,7 mW lorsque la lon- gueur de la deuxième fibre optique EDF II, qui n'est pas pompée, est de 200 m. Cette valeur présente une augmenta- tion de 10 dB ou plus par rapport à celle de la source de lumière à large bande classique. Pour trouver une longueur optimale de la deuxième fibre optique EDF II, qui n'est pas pompée, la même observation que celle mentionnée ci-dessus a été réalisée en faisant varier la longueur de la deuxième fibre optique EDF II à 235 m et 270 m, respectivement. Toutefois, on n'a observé aucune variation remarquable de la puissance de sortie. Se- lon ces résultats de l'essai, on peut constater qu'il est efficace d'établir la longueur de la deuxième fibre optique EDF II, qui n'est pas pompée, à environ 200 m. Il est évi- dent que cette longueur de la deuxième fibre optique EDF II peut ne pas être une longueur optimale pour certains cas, parce que la longueur optimale de la deuxième fibre optique EDF II dépend de différents paramètres de conception de la source de lumière, tels que la longueur d'onde et la puis- sance de pompage de la lumière de pompage. I 1iA X La figure 5 est une vue schématique illustrant un dis- positif pour identifier la présence d'une émission sponta- née amplifiée inverse suffisante pour permettre une amélio- ration considérable de la puissance de sortie. La figure 6 est un graphique représentant un spectre d'émission sponta- née amplifiée inverse, venant de la première fibre optique dopée aux terres rares, mesuré en un point A en figure 5. La figure 7 est un graphique représentant un spectre d'émission spontanée amplifiée avant mesuré en un point B en figure 5. La mesure de la lumière d'émission spontanée amplifiée inverse délivrée en sortie de la source de lumière à large bande selon la présente invention a été faite en utilisant le dispositif d'identification de la figure 5 qui utilise un circulateur 60. Le dispositif d'identification est adap- té pour identifier des effets de pompage obtenus par la lu- mière d'émission spontanée amplifiée inverse se déplaçant de la première fibre optique dopée aux terres rares EDF I à la deuxième fibre optique dopée aux terres rares EDF II. Si l'on se réfère à la figure 6, on peut constater qu'une puissance de sortie présentant une intensité de - bBm ou plus est obtenue dans une bande de longueurs d'onde d'environ 60 nm s'étendant de 1520 nm à 1580 nm. La puissance de sortie globale de la lumière d'émission spontanée amplifiée inverse est de 19,9 mW après une normalisation d'une perte d'insertion de 1 dB provoquée par l'utilisation du circulateur 60. Cette valeur correspond à environ 33,2% de la puissance de pompage globale présentée à 980 nm. Cette mesure est effectuée en utilisant une largeur de bande à définition de 0,2 nm. Si l'on se réfère à la figure 7, on peut constater que des photons sont générés dans une bande de longueurs d'onde s'étendant entre 1525 nm et 1630 nm sous une quantité suf- fisante pour permettre à ces photons de constituer des ger- mes de photon pour une amplification dans la région de fi- bre optique dopée aux terres rares pompée vers l'avant. Au- trement dit, on peut constater que la deuxième fibre opti- que dopée aux terres rares EDF II, qui n'est pas pompée, qui est agencée en amont de la diode de laser de pompage, sert de générateur de germes de photon pour la première fi- bre optique dopée aux terres rares EDF I, qui est un étage d'amplification aval. Selon la présente invention, il est possible de consti- tuer une source de lumière de grande puissance et à large bande fonctionnant dans une bande de longueurs d'onde s'étendant entre 1520 nm et 1560 nm, comme cela apparaît de façon évidente à partir de la description ci-dessus. Autre- ment dit, selon la présente invention, la lumière d'émis- sion spontanée amplifiée inverse inutile est convertie dans la région de fibre optique, qui n'est pas pompée, en germes de photon pour l'étage d'amplification avant, de façon à permettre par conséquent un fonctionnement à grande puis- sance de la source de lumière à fibre optique à large bande. Une augmentation de l'intensité de la lumière d'émis- sion spontanée amplifiée de sortie de 10 dB ou plus est également observée dans la bande d'émission globale. De ce point de vue, un rendement amélioré de la source de lumière à fibre optique de grande puissance et à large bande selon la présente invention est également prévu en ce qui concerne des longueurs d'onde de pompage autres que celles mentionnées ci-dessus. La lumière d'émission spontanée am- plifiée inverse dans une bande de courtes longueurs d'onde peut également être réutilisée comme source de pompage se- condaire. Dans ce cas, une amélioration du rendement de pompage est prévue pour des amplificateurs à fibre dopée à l'erbium à 1,58 pm. Bien que cette invention ait été décrite en relation avec ce qui est actuellement considéré comme étant la forme de réalisation la plus pratique et préférée, on doit com- prendre que l'invention n'est pas limitée à la forme de ré- alisation décrite, mais qu'elle vise au contraire à couvrir différentes modifications rentrant à l'intérieur de l'es- prit et de l'étendue de l'applicabilité des revendications jointes. Lt. Il REVENDICATIONS 1. Source de lumière à fibre optique caractérisée en ce qu'elle comprend: une source de lumière de pompage (10') pour délivrer en sortie une lumière de pompage; une première partie de fibre optique (EDFI) adaptée pour être optiquement pompée par la lumière de pompage ve- nant de la source de lumière de pompage (10'); un coupleur optique (30) couplé entre la source de lu- mière de pompage (10') et la première partie de fibre opti- que et adapté pour transmettre la lumière de pompage venant de la source de lumière de pompage (10') à la première par- tie de fibre optique; et une deuxième partie de fibre optique (EDFII) couplée à une extrémité d'entrée de la première partie de fibre opti- que, au niveau de laquelle la première partie de fibre op- tique est couplée au coupleur optique (30), la deuxième partie.de fibre optique étant adaptée pour ne pas être op- tiquement pompée par la lumière de pompage venant de la source de lumière de pompage (10'), mais pour utiliser une lumière d'émission spontanée amplifiée émise par la pre- mière partie de fibre optique comme source de pompage se- condaire de celle-ci. 2. Source de lumière à fibre optique selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce que chacune des première et deuxième parties de fibre optique se compose d'une fibre optique dopée aux terres rares. 3. Source de lumière à fibre optique selon la revendi- cation 2, caractérisée en ce que la fibre optique dopée aux terres rares est une fibre optique dopée à l'erbium. 4. Source de lumière à fibre optique selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de plus: des. moyens adaptés pour éviter la génération d'effets d'oscillation indésirables et disposés à une extrémité de la deuxième partie de fibre optique opposée à la première partie de fibre optique. 5. Source de lumière à fibre optique selon la revendi- cation 4, caractérisée en ce que la deuxième partie de fi- bre optique comporte une extrémité d'entrée traitée par clivage selon un certain angle (50) constituant les moyens adaptés pour éviter la génération d'effets d'oscillation indésirables. 6. Source de lumière à fibre optique selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce que la source de lumière de pompage comprend une diode de laser. 7. Source de lumière à fibre optique selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de plus: un isolateur optique (40) couplé à une extrémité de sortie de la première partie de fibre optique et adapté pour empêcher une ré-incidence de lumière. 1 [ii-