Brevet FR2829305A1 — publié le 20030307

position verrouillée vers sa position déverrouillée et inversement. FIBRE OPTIQUE DOUBLE COEUR AVEC ANNEAU DOPE TERRE RARE La présente invention concerne le domaine des amplificateurs optiques et des sources lumineuses à fibre optique. De tels composants à fibre sont principalement composés de deux c_urs concentriques: un c_ur central monomode constitué d'un milieu amplificateur et destiné à la propagation du signal optique, et un c_ur multimode, entourant le c_ur monomode, utilisé pour la propagation d'un faisceau de pompage. Une gaine optique entoure le c_ur multimode. L'indice de réfraction est le plus élevé dans le c_ur central et le plus faible dans la gaine. Ainsi, les deux c_urs concentriques se comportent comme des guides d'ondes. Une fibre optique amplificatrice fonctionne sur le principe dit de l'émission stimulée, selon lequel un matériau peut émettre une onde lumineuse de même longueur d'onde et de méme phase que l'onde lumineuse transmise, et cela par excitation dudit matériau au moyen d'une source lumineuse de grande énergie, typiq uement un laser de pompage dont la long ueur d'onde est inférieure à cel le d u signal transmis dans la fibre. L'amplification optique au moyen d'un matériau capable de générer une émission stimulée dépend des états quantiques dudit matériau. Une amplification est produite lorsque le niveau quantique haut du matériau a une population plus forte que le niveau bas, c'est à dire lorsque l'on obtient une inversion de population qui est créée par l'absorption du signal lumineux de pompage dans iedit matériau. Les principaux matériaux amplificateurs utilisés sont des ions de terre rare tels que de l'erbium ou de l'ytterEium par exemple, et sont généralement intégrés comme dopants dans le c_ur central monomode de la fibre. Le signal lumineux se propageant dans le c_ur monomode de la fibre optique peut être émis par une source lumineuse ou provenir de la facette de sortie d'une fibre optique. Ce signal lumineux porte l'information optique que l'on souhaite amplifier dans la fibre optique amplificatrice de la présente invention. Le c_ur central monomode présente les dimensions standards des fibres optiques de transmission utilisées en télécommunication, soit environ 7 m de diamètre. Le faisceau de pompage est classiquement émis par un laser à iniection apte à émettre un faisceau d'une grande puissance. Le faisceau de pompage se 103947/MK/ROPC \\klefilOl\DPl$\Salle\F103947\PREAiDEP\FIT\projet_2.doc propage dans le c_ur multimode de la fibre optique et traverse réqulièrement le c_ur monomode. L'interaction entre la pompe et le milieu amplificateur d'une part, et entre le signal et le milieu amplificateur d'autre part permet une amplification du signal. Le principal avantage d'une structure à double c_ur est que la lumière peut se propager dans le c_ur multimode externe jusqu'à son absorption par le matériau dopant du c_ur monomode central. Le faisccau signal est ainsi amplifié optiquement par les inversions de populations dues aux absorptions du faisccau de pompage par le matériau amplificateur du c_ur central. Une telle structure permet de fournir un amplificateur à fibre optique en ligne avec un gain important. Dans certaines applications, une telle structure peut également constituer un laser à fibre si au sein de cette dernière, des moyens assurant une réflexion partielle ou totale, sélective ou non en longueur d'onde sont introduits. L'efficacité de l'amplification est directement lice à l'efficacité du pompage qui est essentiellement conditionnée par l'efficacité du couplage entre le c_ur monomode et le c_ur multimode. Or, une des difficultés qui se posent avec les c_urs concentriques cylindriques est que certains rayons lumineux véhiculés par le c_ur multimode suivent une trojectoire en hélice autour du c_ur monomode sans jamais y pénétrer, c'est à dire sans jamais traverser le matériau amplificateur. L'énergie portée par ces rayons est donc injectée en vain dans la fibre, car elle n'est jamais utilisoe pour amplifier le signal transporté dans le c_ur monomode, dont le diamètre est nocessairement limité par conserver une propagation monomode. Ainsi, les fibres optiques à pompage comportent généralement une structure particulière qui leur permet d'accepter davantage de puissance optique de pompage et ainsi d'augmenter l'amplification du signal optique qui est obtenue par absorption d'énergie. Par exemple, pour tenter de résoudre ce problème, il a déjà été proposé, notamment dans le brevet US- A-5 966 491, de former des rainures longitudinales da ns la surface externe d u c_ur multimode, afin de briser les trojectoi res en hél ice des rayons lumineux et forcer ces derniers à rencontrer l'interface du c_ur monomode. Une solution alternative à la modification de trojectoire des rayons du faisceau de pompage consiste à déplacer la zone dopée dans une zone plus 1 03947/MK/ROPC \\klefilOl\DPl$\Salle\F1 03947\PREMDEP\FIT\projoi_2.doc fréquemment traversée par les rayons lumineux du faisceau de pompage. Ainsi, il a été proposé de situer la zone dopée, non pas dans le c_ur monomode, mais dans un anneau stué dans le c_ur multimode et entourant le c_ur monomode. Une telle solution est en particulier décrite dans la demande de brevet internationale WO 98/25326. Une telle solution permet d'obtenir une interaction plus fréquente entre les rayons lumineux du faisceau de pompage et le milieu amplificateur de l'anneau dopé. Néanmoins, cette solution reste limitée par la surface maximale que peut atteindre l'anneau dopé. Il est évident que plus l'anneau dopé occupe une surface large, plus l'amplification sera importante. Or, I'épaisseur de l'anneau dopé est nécessairement limitée par la nocessité de maintenir un c_ur central monomode. En effet, il a précédemment été mentionné que le c_ur centrai monomode a un indice de réTraction plus élevé que celui du c_ur multimode, lui-méme plus élevé que celui de la gaine optique de la fibre. Ces différences d'indices sont indispensables pour maintenir les fonctions de guides d'onde des c_urs concentriques. Or, le dopage de l'anneau, de par sa réclisation, entrane généralement une augmentation d'indice du milieu dopé. Il est en effet courant d'ajouter au dopant de terre rare amplificateur un cobopant élargissant le gain tel que de l'aluminium et/ou un codopant facilitant l' incorporation de la terre rare tel q ue le phosphore pa r exemple, qui sont des éléments faisant augmenter l'indice de réfraction du milieu dans lequel ils sont insérés. Ainsi, un anneau dopé de grande épaisseur, en particulier dont l'épaisseur atteindrait celle du rayon du c_ur monomode, provoquerait la perte de guidoge de la structure monomode du c_ur central. Généralement, la surface de l'anneau dopé est limitée à environ la moitié de la surface du c_ur monomode. L'objectif de la présente invention est de répondre aux problèmes cités de l'art antérieur et plus spécifiquement au problème de l'efficacité du pompage due à la limite imposée à l'épaisseur de l'anneau de par la nécessitée de maintenir un signal guidé monomode. A cet effet, I'invention propose de faire correspondre l'indice de réfraction de l'anneau dopé avec l'indice de réfraction du c_ur multimode. Il devient ainsi 1 03947/MK/ROPC \\klefilO 1 \DPI$\Salle\F1 03947\PREMDEP\FIT\projet_2.doc possible d'élargir la surface de l'anneau dopé et par conséquent d'améliorer l'efficacité du pompage et donc de l'amplification du signal transmis. Plus particulièrement, I'invention a pour objet une fibre optique amplificatrice comprenant un c_ur monomode d'indice de réfraction n', un c_ur multimode d'indice de réfraction n2 et une gaine optique d'indice de réfraction n3, ledit c_ur multimode comprenant un anneau dopé de terre rare entourant le c_ur monomode, caractérisée en ce que l'anneau dopé de terre rare a un indice de réfraction n4 sensiblement égal à l'indice de réfraction n2 du c_ur multimode. Selon une caractéristique, la différence des indices de réfraction n2 et n4 respectivement du c_ur multimode et de l'anneau dopé est inférieure ou égale à 2.5 1 o-3. Selon une autre caractéristique, la surface de l'anneau dopé de terre rare est comprise entre une surface sensiblement égale à la surface du c_ur monomode et une surface trois fois supérieure à la surface du c_ur monomode, telle qu'une surface comprise entre 50 et 150 1lm2. Selon les modes de réclisation, I'anneau dapé de terre rare est ad jacent ou pa rtiel lement i ncl us au c_ur monomode. Selon une variante de réclisation, I'interface entre le c_ur multimode et la gaine optique présente, en section transversale, une forme sensiblement polygonale. Selon un premier mode de réclisation, I'anneau dopé de terre rare est cobopé avec un élément abaissant son indice de réfraction n4 de manière à égaler sensiblement l'indice de réfraction n2 du c_ur multimode, tel que du fluar (F) ou du bore (B). Selon un deuxième mode de réclisation, le c_ur multimode est dopé avec un élément augmentant son indice de réfraction n2 de manière à égaler sensiblement l'indice de réfraction n4 de l'anneau dopé de terre rare tel que du germanium (Ge) ou du phosphore (P). Selon les applications, le c_ur monomode est non dopé de terre rare ou partiellement dopé de terre rare. Selon un mode de réalisation, le profil d'indice de réfraction n du c_ur monomode est une fonction de son rayon, tel qu'une fonction déTinissant un profil constitué d'au moins deux zones distinctes, dont une zone dite centrale et une zone 1 03947/MK/ROPC \\klefilO 1 \D Pl$\5a 11e\F 10394 7\PREMD E P\FIT\projet_2.doc dite, ladite zone centrale présentant un indice de réfraction plus faible que l'indice de ladite zone d'indice de réfraction le plus élevé. Selon les applications, la fibre optique amplificatrice selon l'invention constitue un amplificateur optique ou un laser. Les particularités et avantages de la présente invention appara'^tront plus clairement à la lecture de la description qui suit, donnce à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles: - la figure l illustre schématiquement par une vue en coupe transversale d'une fibre optique amplificatrice selon l'invention; - la figure 2 est un graphe du profil d'indice de la fibre optique amplificatrice selon l'invention; - la figure 3 illustre une variante de réclisation de la fibre optique amplificatrice selon l'invention; - la figure 4 est un graphe du profil d'indice d'une variante de réclisation de la fibre optique amplificatrice selon l'invention; En référence à la figure l, la fibre optique amplificatrice selon l'invention comprend un c_ur monomode 10 d'indice de réfraction n, un c_ur multimode 20 d'indice de réfraction n2 et une gaine optique 30 d'indice de réTraction n3 avec n> n2>n3 Tel que cela a déjà été exposé, la zone dopée de la fibre selon l'invention est constituée d'un anneau 50 dopé de terre rare, préférentiellement incl us da ns le c_ur multimode 20 et entourant le c_ur monomode 10. L'emplacement de I'anneau 50 dans le cceur multimode 20 par rapport à l'axe central de la fibre est à optimiser selon les applications. Par exemple, I'anneau dopé de terre rare peut être adiocent au c_ur monomode ou bien partiellement inclus dans le c_ur monomode. En particulier, le c_ur monomode peut être non dopé de terre rare, c'est à dire constitué d'un milieu non amplificateur, ou au moins partiellement dopé de terre rare. Le dopage du c_ur monomode lO, défini par les éléments dopants utilisés ainsi que par leur concentration, peut être identique ou différent du dopage de l'anneau 50. 103947/MK/ROPC \\klefilOl\DPl$\Salle\F103947\PREMDEP\FiT\projet_2.doc Selon une caractéristique essentielle de l'invention, I'anneau 50 dopé de terre rare a un indice de réfraction n4 sensiblement égal à l'indice de réfraction n3 du c_ur multimode. Pratiquement, il est souhaitable que la différence des indices de réfractions n2 et n4 respectivement du c_ur multimode 20 et de l'anneau 50 dopé soit inférieure ou égale à 2.5 10-3. Ainsi, comme illustré sur le graphe de la figure 2, la variation d'indice due à la présence de l'anneau dopé est minime et le guidoge du c_ur monomode reste parfaitement bien assuré. La présence de l'anneau dapé 50 dans le c_ur multimode est transparente sur le profil d'indice de réfraction de la fibre. L'efficacité de la pompe est directement reliée à la surface de la zone dopée donc à la taille de l'anneau. Préférentiellement, la surface de l'anneau dopé est sensibiement égale à celle du c_ur monomode, voire supérieure jusqu'à trois fois. Par exemple la surface de l'anneau dopé peut étre comprise entre 50 et 120 m2. Ainsi, la fibre optique amplificatrice selon l'invention permet avantageusement d'atteindre des efficacités de pompage de l'ordre de 30%, contre environ 12% classiquement obtenue avec un anneau dopé d'épaisseur limitée. Selon une variante de réclisation avantageuse, illustrce sur la figure 3, la périphérie du cceur multimode 20 peut être réclisée de forme inhomogène afin de provoquer des réflexions aléctoires qui entranent des changements de trojectoires des rayons lumineux et forcent le passage de ces rayons de pempage à travers la zone dopée amplificatrice. Par exemple, I'interface entre le c_ur multimode 20 et la gaine optique 30 peut présenter, en section transversale, une forme sensiblement polygonale. Deux principaux modes de réclisation peuvent être envisagés pour obtenir que l'indice de réfraction n4 I'anneau 50 dopé amplificateur soit sensiblement égal à l'indice de réfraction n2 du c_ur multimode. Selon un premier mode de réclisation, I'anneau 50 qui est dopé de terre rare, avec de l'ErGium (Er) et/ou de l'YtterUium (Yb) par exemple, et codopé avec un élément élargissant le gain tel que de l'aluminium (Al) par exemple, est également cobopé avec un élément supplémentaire abaissant son indice de réfraction n4 de manière à égaler sensiblement l'indice de réfraction n2 du c_ur multimode 20, par exemple avec de du fluar (F) ou avec du bore (B). 1 03947/MK/ROPC \\klefil01\DPI$\5Olle\F1 03947\PREMDEP\Fll\projet_2.doc Selon un deuxième mode de réclisation, c'est le c_ur multimode 20 qui est dopé avec un élément augmentant son indice de réfraction n2 de manière à égoler sensiblemert l'indice de réTraction n de l'anneau 50 dopé de terre rare et d'aluminium, par exemple avec du germanium (Ge) ou du phosphore (P). L'utilisation d'un anneau 50 dopé comme zone amplificatrice de pompage permet avantageusement de ne pas fixer le dopage du c_ur monomode en fonction des contraintes d'amplification du signal. Ainsi, il devient possible de modifier le profil d'indice de réfraction n du c_ur monomode en fonction du rayon R. Une telle modification du profil d'indice du c_ur monomode a essentiellement pour objectif de modifier la distribution modale de la puissance de pompage afin de concentrer au maximum cette puissance dans la zone dopée amplificatrice, c'est à dire dans l'anneau 50. Le profile d'indice de réfraction n du c_ur monomode présente une structure multizones (par exemple de type coaxial dans le cas o le nombre de zones serait égal à 2). Par exemple, comme illustré sur le graphe de la figure 4, le profil d'indice de réfraction n' du c_ur monomode peut être une fonction définissant un profil de type " coaxial >> définit par deux zones: une zone périphérique et une zone centrale d'indice de réfraction plus faible que la zone périphérique. Le profil assure un guidoge monomode tout en permettant une plus grande interaction entre les modes de pompe et la zone dopée. 1 03947/MK/ROPC \\klefilOl\DPl$\Salle\F1 03947\PREMDEP\FIT\projet_2.doc REVENDICATIONS 1. Fibre optique amplificatrice comprenant un c_ur monomode d'indice de réfraction n', un c_ur multimode d'indice de réfraction n2 et une gaine optique d'indice de réfraction n3, ledit c_ur multimode comprenant un anneau dopé de terre rare entourant le c_ur monomode, caractérisée en ce que l'anneau dopé de terre rare a un indice de réfraction n4 sensiblement égal à l'indice de réfraction n2 du c_ur multimode. 2. Fibre optique amplificatrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que la différence des indices de réfraction n2 et n4 respectivement du c_ur multimode et de l'anneau dopé est inférieure ou égale à 2.5 10-3. 3. Fibre optique amplificatrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la surface de l'anneau dopé de terre rare est comprise entre une surface sensiblement égale à la surface du c_ur monomode et une surface trois fois supérieure à la surface du c_ur 1 5 monomode. 4. Fibre optique amplificatrice selon l'une des quelconques revendications précédentes, caractérisée en ce que la surface de l'anneau dopé de terre rare est comprise entre 50 et 150 m2. 5. Fibre optique amplificatrice selon l'une des quelconques revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'anneau dapé de terre rare est adjacent au c_ur monomode. 6. Fibre optique amplificatrice selon l'une des quelconques revendications 1 à 4, ca ractérisoe en ce que l'an neau dopé de terre rare est pa rtiellement i ncl us sa ns le c_ur monomode. 7. Fibre optique amplificatrice selon l'une des quelconques revendications précédentes, caractérisoe en ce que l'interface entre le c_ur multimode et la gaine optique présente, en section transversale, une forme sensiblement polygonale. 8. Fibre optique amplificatrice selon l'une des quelconques revendications 1 à 7, caractérisoe en ce que l'anneau dopé de terre rare est codopé avec un élément abaissant son indice de réfraction n4 de manière à égaler sensiblement l'indice de réfraction n2 du c_ur multimode. 9. Fibre optique amplificatrice selon la revendication 8, caractérisoe en ce que l'élément cobopant de l'anneau est du fluor(F). 10. Fibre optique amplificatrice selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'élément codopant de l'anneau est du bore (B). 103947/MK/ROPC \\klefilOl\DPl$\Salle\Fl03947\PREMDEP\FIT\projei_2.doc 11. Fibre optique amplificafrice selon l'une des quelconques revendications l à 7, caractérisée en ce que le c_ur multimode est dopé avec un élément augmentant son indice de réfraction n2 de manière à égaler sensiblement l'indice de réfraction n4 de l'anneau dopé de terre rare. 12. Fibre optique amplificatrice selon la revendication 11, caractérisoe en ce que l'élément dopant du c_ur multimode est du germanium (Ge). 13. Fibre optique amplificatrice selon la revendication l l, caractérisée en ce que l'élément dopant du c_ur multimode est du phosphore (P). 14. Fibre optique amplificatrice selon l'une des quelconques revendications l à 13, caractérisoe en ce que le c_ur monomode est non dopé de terre rare. 15. Fibre optique amplificatrice selon l'une des quelconques revendications l à 13, caractérisée en ce que le c_ur monomode est au moins partiellement dopé de terre rare. 16. Fibre optique amplificatrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le profile d'indice de réfraction n du c_ur monomode est une fonction de son rayon. 17. Fibre optique amplificatrice selon la revendication 16, caractérisoe en ce que la fonction du profil d'indice de réfraction n du c_ur monomode est constituée d'au moins deux zones distinctes, dont une zone dite centrale et une zone dite, ladite zone centrale présentant un indice de réfraction plus faible que l'indice de ladite zone d'indice de réfraction le plus élevé. 18. Fibre optique amplificatrice selon l'une des quelconques revendications l à 17, caractérisée en ce qu'elle constitue un amplificateur optique. 11?. Fibre optique amplificatrice selon l'une des quelconques revendications 1 à 17, caractérisée en ce qu'elle constitue un laser.