Brevet FR2864632A1 — publié le 20050701

DISPOSITIF DE MISE EN PHASE D'UN RESEAU DE FIBRES OPTIQUES La présente invention se rapporte à un dispositif de mise en phase d'un réseau de fibres optiques. Lorsque l'on utilise des sources laser du type MOPA, comportant essentiellement un oscillateur laser et un réseau de fibres optiques amplificatrices dopées, l'onde amplifiée obtenue à la sortie de ces fibres est rarement une onde plane, à cause de phénomènes pouvant affecter les fibres optiques, en particulier des dérives thermiques différentes des fibres optiques. La présente invention a pour objet un dispositif permettant de remettre en phase l'onde optique de sortie amplifiée d'un tel réseau de fibres optiques. Le dipositif conforme à l'invention est du type comportant un oscillateur laser suivi d'un dispositif de couplage à une extrémité d'un réseau de fibres optiques amplificatrices et il est caractérisé en ce qu'il comporte entre l'oscillateur et le dispositif de couplage un dispositif de prélèvement d'onde relié par une liaison optique à l'autre extrémité du réseau de fibres optiques via un autre dispositif de couplage, un dispositif de création de décalage en fréquence étant couplé à ladite liaison optique, et des moyens de formation d'ondes rétrodiffusées à décalage de fréquence disposés entre les deux dispositifs de couplage. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est un blocdiagramme simplifié d'un premier mode de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, la figure 2 est un bloc-diagramme simplifié d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, et, la figure 3 est un schéma simplifié d'une variante de réalisation des moyens de fromation de réseaux holographiques dynamiques du dispositif de la figure 2. Sur le bloc-diagramme de la figure 1, on a représenté un oscillateur laser 1, monomode et monofréquence, qui peut fonctionner en régime impulsionnel ou continu. Il est suivi d'une lame séparatrice de faisceaux 2. Pour la commodité de l'exposé, on décrira de préférence les cheminements des faisceaux issus de l'oscillateur 1, comme si le dispositif était en fonctionnement, plutôt que la simple disposition des éléments constitutifs du dispositif de l'invention. L'un des faisceaux de sortie de la lame 2 est envoyé sur une lame 3 séparatrice de polarisations, tandis que l'autre est envoyé sur une lame 4 séparatrice de faisceaux. La lame 3 est suivie d'un dispositif 5 de couplage de type un faisceau vers N faisceaux. Ce dispositif 5 peut être soit un réseau de micro-lentilles, comme représenté sur le dessin, soit un composant de multiplexage du type à hologramme. Le dispositif 5 est suivi d'une lame 6 quart-d'onde, qui intercepte, bien entendu, la totalité des N faisceaux issus du dispositif 5. Les N faisceaux ayant traversé la lame 6 sont dirigés chacun vers une extrémité d'une fibre individuelle qui lui correspond parmi un ensemble ou réseau de N fibres optiques amplificatrices, référencées 7 dans leur ensemble. Ces fibres sont des fibres monomodes à maintien de polarisation, dopées par exemple avec Er ou Yb. Leur longueur peut être de quelques mètres ou plus. Les fibres de cet ensemble peuvent être disposées soit de façon que leurs axes soient tous alignés, soit de façon que ces axes soient disposés selon une matrice rectangulaire ou carrée. Les autres extrémités des fibres de l'ensemble 7 font face aux N sorties d'un dispositif de couplage 8 similaire au dispositif 5. L'un des faisceaux issus de la lame 4 est envoyé vers l'extrémité d'un dispositif 9 produisant un décalage en fréquence avec une émission stimulée. Dans le présent exemple, le dispositif 9 est une fibre optique à effet Brillouin, d'une longueur de quelques mètres ou plus. Selon d'autres modes de réalisation (non représentés), le dispositif 9 peut être un milieu laser, une fibre optique faisant fonction de miroir à conjugaison de phase (pour les N fibres de l'ensemble 7), ou tout autre dispositif connu de translation de fréquence. L'autre faisceau issu de la lame 4 est envoyé vers l'entrée du dispositif 8, par exemple à l'aide d'une fibre optique monomode 10 et de miroirs de renvoi 11, 12. Le faisceau de sortie du dispositif, en provenance des fibres amplificatrices 7, passe par la lame 6 qui modifie sa polarisation, le dispositif 5, et est renvoyé par la lame 3 en tant que faisceau de sortie 13. Le fonctionnement du dispositif de la figure 1 est le suivant. Le faisceau laser produit par l'oscillateur 1 a une fréquence coo (en fait, en toute rigueur, le terme w est appelé pulsation, et il est lié à la fréquence F par la relation co=2ltF, mais par simplification, on parle ici de fréquence) . La partie de ce faisceau qui arrive au dispositif 9 y subit une translation de fréquence égale à - cos, ce qui fait que la fréquence du faisceau envoyé via la fibre 10 vers l'entrée du dispositif 8 est coo cos. On appellera par la suite ce faisceau S, et on notera qu'il est cohérent avec le faisceau issu de l'oscillateur 1. Ce faisceau S interfère, en mode réflexion, dans chacune des fibres amplificatrices 7 avec le faisceau amplifié correspondant. La mise en cohérence de phase de l'ensemble des faisceaux amplifiés est réalisée de la façon suivante. Dans chaque fibre de l'ensemble 7, la puissance injectée est suffisante pour générer une onde rétrodiffusée par effet Brillouin. Cette onde est la conjuguée en phase de l'onde amplifiée incidente et sa phase est contrôlée par l'onde de pompe (provenant du dispositif 8). Il en résulte que la phase à l'origine des ondes rétrodiffusées Z=0 est imposée par l'onde S en tout point du plan P, qui est le plan d'onde à l'extrémité des fibres 7, du côté du dispositif 8. Compte tenu des propriétés de l'onde conjuguée rétrodiffusée, chaque fibre optique du réseau 7 restitue une onde plane amplifiée, et l'ensemble de ces ondes planes amplifiées constitue le faisceau émis par la source laser de la figure 1. Dans le cas où l'on n'aurait pas l'injection du signal S, c'est-à-dire l'interaction habituellement utilisée dans l'art antérieur, la génération de l'onde rétrodiffusée par chacune des fibres optiques serait issue du bruit (bruit de phonons spontané dans l'interaction Brillouin), et son expression mathématique serait de la forme P*(Z=0)É Si exp j8; , expression dans laquelle Si et b; sont des termes d'amplitudes et de phases variant de façon aléatoire entre les différentes fibres du réseau 7. En d'autres termes, l'onde S sert à synchroniser les ondes pompes rétrodiffusées par effet Brillouin dans chaque fibre amplificatrice. En résumé, dans le dispositif de la figure 1, chaque fibre amplificatrice génère par rétrodiffusion Brillouin une onde qui est la conjuguée de l'onde incidente. L'onde incidente est à la fréquence coo et provient directement de l'oscillateur via le coupleur 5) . L'invention permet ainsi de bénéficier d'un double passage dans le milieu à gain (fibres 7), qui extrait ainsi de façon efficace l'énergie amplifiée de ces fibres. On a représenté en figure 2 une variante de réalisation du dispositif de l'invention. Sur cette figure, des éléments similaires à ceux de la figure 1 ont été affectés des mêmes références numériques. Pour simplifier le dessin, on n'a pas représenté la liaison optique permettant de prélever une partie du faisceau de sortie de l'oscillateur pour l'injecter, avec un décalage en fréquence, via le dispositif de couplage 8, aux extrémités libres des fibres 15 (c'est-à-dire celles qui ne sont pas reliées aux fibres respectives du réseau 14). La différence essentielle par rapport au dispositif de la figure 1 réside dans le fait qu'au lieu du réseau 7 de fibres amplificatrices, on dispose entre les éléments 6 et 8 un premier réseau 14 de N fibres optiques amplificatrices (qui peut être le même que celui de la figure 1) dont les fibres sont reliées une à une à celles d'un second réseau 15 de N fibres optiques non dopées (ou, en variante, dopées mais non pompées). On constitue ainsi entre les éléments 6 et 8 un double réseau à N voies, chacune de ces N voies comportant une partie avec gain laser (fibres 14) et une partie sans gain laser (fibres 15). Il en résulte une séparation des fonctions amplification et rétrodiffusion Brillouin due à l'injection de l'onde S, c'est-à-dire une conjugaison de phase. La longueur des fibres du réseau 14 et du réseau 15 peut être de quelques mètres ou plus. Le fonctionnement de ce dispositif est similaire à celui du dispositif de la figure 1. On obtient à l'extrémité des fibres du réseau 14 qui est face à la lame 6 et dans le faisceau de sortie 13 un plan d'onde limité par diffraction et dont toutes les composantes (dans les N fibres) ont la même phase. Bien entendu, comme dans le cas de la figure 1, l'onde S doit être décalée en fréquence: si le faisceau produit par l'oscillateur 1 a une fréquence coo, celle de l'onde du faisceau S doit être coo - ws, le décalage en fréquence cos étant donné par: ws = 2n v/Xo, expression dans laquelle v est la vitesse de l'onde ultrasonore S, n l'indice de réfraction des fibres du réseau 15 et Xo la longueur d'onde du faisceau S. Selon un exemple de réalisation, la longueur d'onde Io est de 1 m, et le décalage en fréquence cos est d'environ 20GHz (ce qui correspond à une vitesse v de 6000ms-1). En variante de l'invention (non représentée), l'onde rétrodiffusée (conjuguée) est obtenue par génération d'un réseau à variation d'indice formé dans les fibres amplificatrices dopées Er ou Yb ou autre, qui, dans certaines conditions, est associé à la modulation spatiale du gain dans les fibres amplificatrices. C'est un processus physique du type à variation d'indice auto-induite de constante de temps t faisant intervenir un réseau formé par réflexion qui génère une onde conjuguée contrapropagative par rapport à l'onde incidente. En général, il faut injecter un faisceau dont la fréquence est décalée d'une valeur &o= 1/2rci pour pouvoir initier un réseau mobile dans les fibres amplificatrices. Un tel décalage est obtenu simplement à l'aide d'un translateur de fréquences électro-optique. Le mode de réalisation des figures 1 et 2 met en oeuvre un réseau de fibres optiques amplificatrices à maintien de polarisation. Ce sont par exemple des fibres à gros coeur (d'un diamètre d'environ 50 m), dopées Er ou Yb, à faible ouverture numérique, qui assurent une propagation monomode. Selon une autre variante de réalisation de l'invention (non représentée), on utilise des fibres amplificatrices multimodes à très gros coeur (d'un diamètre supérieur à 50 m). Compte tenu des propriétés de l'onde conjuguée, la mise en cohérence de phase du plan d'onde dans ces fibres est maintenue après rétropropagation et injection de l'onde S. Si les fibres ne sont pas du type à maintien de polarisation, on traite séparément les deux composantes de polarisation à la sortie de chaque fibre amplificatrice à l'aide de moyens connus. Selon le mode de réalisation représenté en figure 3, qui est similaire à celui de la figure 2, on remplace le réseau de fibres 15 par une fibre unique 16 à gros coeur, le réseau de fibres amplificatrices 14 pouvant rester inchangé. Pour simplifier le dessin, on n'a pas représenté la liaison optique permettant de prélever une partie du faisceau de sortie de l'oscillateur pour l'injecter, avec un décalage en fréquence, à l' extrémité libre de la fibre 16. Cette fibre 16 a une longueur de lm ou plus, et les N fibres amplificatrices 14 lui sont reliées de façon appropriée, par exemple par soudage. Dans le dispositif de la figure 3, l'onde issue de l'oscillateur est injectée de façon classique dans les fibres optiques amplificatrices, dans lesquelles elle est équirépartie. Les différentes ondes individuelles, après amplification, interfèrent dans la fibre 16, qui sert de support à la génération d'une onde conjuguée en phase par rapport à l'ensemble des ondes incidentes. En conclusion, le dispositif de l'invention peut fonctionner en mode impulsionnel ou en mode continu, dans la mesure où l'énergie est répartie sur un grand nombre de fibres amplificatrices. Les amplificateurs à fibre optique sont utilisés en double passage, ce qui permet d'extraire au mieux l'énergie du milieu à gain. Les fibres utilisées sont, de préférence du type à maintien de polarisation, et dans le cas contraire, on doit traiter séparément chaque composante de polarisation. Dans le cas où la source ainsi réalisée fonctionne en régime impulsionnel, elle peut avantageusement être utilisée pour produire des impulsions de l'ordre de quelques nanosecondes. Les fibres amplificatrices peuvent être du type monomode ou multimode. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mise en phase d'un réseau de fibres optiques du type comportant un oscillateur laser (1) suivi d'un dispositif de couplage (5) à une extrémité d'un réseau de fibres optiques amplificatrices (7, 14), caractérisé en ce qu'il comporte entre l'oscillateur et le dispositif de couplage un dispositif de prélèvement d'onde (2) relié par une liaison optique (4, 10, 11, 12) à l'autre extrémité du réseau de fibres optiques via un autre dispositif de couplage (8), un dispositif de création de décalage en fréquence (9) étant couplé à ladite liaison optique, et des moyens de formation d'ondes rétrodiffusées à décalage de fréquence (7, 15, 16) disposés entre les deux dispositifs de couplage. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de formation d'ondes rétrodiffusées sont les fibres amplificatrices ellesmêmes (7). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de formation d'ondes rétrodiffusées sont des fibres non dopées (15) reliées une à une aux fibres amplificatrices (14). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de formation d'ondes rétrodiffusées sont des fibres dopées (15) et non pompées, reliées une à une aux fibres amplificatrices (14). 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de formation d'ondes rétrodiffusées comportent une fibre optique unique (16) à gros coeur, à laquelle sont reliées toutes les fibres optiques amplificatrices (14). 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de création de décalage en fréquence est une fibre optique annexe à effet Brillouin (9). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif de création de décalage en fréquence est un translateur de fréquence électro-optique.