Brevet FR3014604A1 — publié le 20150612

Amplificateur à fibre optique double passage pour faisceau lumineux polarisé 1. Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui des amplificateurs à fibre optique. Un domaine connexe de l'invention est celui des lasers. Plus précisément, l'invention concerne un système d'amplification à fibre optique double passage, apte à amplifier un signal dans les deux sens longitudinaux de la fibre optique, et un dispositif émetteur d'un faisceau pulsé de type M.O.P.A. (acronyme de "Master Oscillator Power Amplifier" en anglais) correspondant. L'invention trouve notamment une application dans la mise en oeuvre de lasers accordables de forte puissance. 2. Etat de la technique On connait des amplificateurs à fibre optique reposant sur une configuration "double-passage", qui permettent d'amplifier des impulsions lumineuses avec un gain important en les amplifiant dans les deux sens longitudinaux de la fibre optique. On rencontre notamment ces amplificateurs double passage dans des sources laser de type M.O.P.A., où ils permettent d'amplifier un faisceau optique de faible puissance émis, par exemple, par une diode laser (le plus souvent la puissance de crête du faisceau amplifié est comprise entre quelques milliwatts et quelques watts) et de délivrer en sortie un faisceau optique présentant une puissance de crête de l'ordre du kilowatt. Les amplificateurs "double-passage" connus comprennent une fibre optique dont une extrémité est reliée à un circulateur optique ou à un séparateur de polarisation et dont l'autre extrémité est reliée à un miroir simple ou à un miroir à rotateur de Faraday. Lorsque le signal lumineux à amplifier est polarisé, il est connu, par exemple du document WO 2008/016579, d'utiliser une fibre optique à maintien de polarisation présentant une biréfringence importante. La mise en oeuvre d'une fibre optique à maintien de polarisation présente cependant l'inconvénient d'être couteuse. Plus généralement, un inconvénient des amplificateurs "double-passage" connus est l'apparition d'une instabilité temporelle de la puissance de sortie due au gain important, souvent associée au phénomène de "self lasing" résultant des réflexions parasites internes au niveau des interfaces des composants du bras double passage (miroir, soudures optiques, ...). Un autre inconvénient des techniques connues d'amplificateur double passage est la persistance, dans des proportions plus ou moins importantes, d'une émission spontanée amplifiée (ASE) résiduelle, en raison d'une absence de saturation de la fibre optique. 3. Objectifs de l'invention L'invention a donc notamment pour objectif de pallier les inconvénients de l'état de la technique cités ci-dessus. Plus précisément l'invention a pour objectif de fournir une technique d'amplificateur à fibre optique pour faisceau polarisé qui soit peu couteuse. Un objectif de l'invention est également de fournir une technique d'amplificateur à fibre optique qui soit simple à mettre en oeuvre et compacte. Un autre objectif de l'invention est de fournir une technique d'amplificateur à fibre optique qui puisse transformer un faisceau lumineux continu en faisceau lumineux pulsé. L'invention a également pour objectif de proposer une technique d'amplificateur à fibre optique qui soit fiable. Encore un objectif de l'invention est de fournir une technique d'amplificateur à fibre optique dont la puissance de sortie soit stable dans le temps. Un autre objectif de l'invention, dans un mode de réalisation particulier de l'invention, est de fournir une technique d'amplificateur à fibre optique qui génère moins d'émission spontanée amplifiée que les amplificateurs à fibre optique double passage connus. 4. Exposé de l'invention Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaitront par la suite sont atteints à l'aide d'un système d'amplification à fibre optique double-passage pour faisceau lumineux polarisé. L'invention concerne donc un système d'amplification adapté pour amplifier un faisceau lumineux polarisé continu ou pulsé. Selon l'invention, un tel système d'amplification à fibre optique comprend : - un séparateur de polarisation ; - un modulateur optique connecté à une porte dudit séparateur de polarisation ; - une fibre optique inapte à maintenir l'état de polarisation d'un faisceau lumineux sur sa longueur, présentant une première extrémité connectée audit modulateur optique et une deuxième extrémité connectée à des moyens de réflexion d'un faisceau optique aptes à permettre une rotation à 90° de la polarisation d'un faisceau lumineux polarisé qui l'impacte. Ainsi, l'invention propose, de façon inédite, de mettre en oeuvre un modulateur dans une configuration d'amplificateur double passage, afin de pouvoir supprimer l'émission spontanée amplifiée entre les impulsions et afin de pouvoir utiliser un faisceau lumineux continu en entrée du système d'amplification et émettre un faisceau pulsé en sortie. On note que l'invention propose par ailleurs avantageusement de placer le modulateur entre le séparateur et la fibre optique. En effet, les inventeurs ont constaté que dans le cas où on place le modulateur entre la fibre optique et les moyens de réflexion, les pertes de puissance au travers du modulateur et des moyens de réflexion sont importantes, ce qui limite le gain du système d'amplification. Par ailleurs, le signal modulé étant alors faible après l'aller-retour au sein des moyens de réflexion, la fibre optique n'est pas bien saturée ce qui se traduit par un important niveau d'émission spontanée amplifiée en sortie du système d'amplification. Par ailleurs, le système d'amplification proposé par l'invention s'avère peu couteux à mettre en oeuvre du fait de l'utilisation d'une fibre optique ne maintenant pas la polarisation, ou en d'autres termes présentant une faible bi-réfringence. Selon un aspect particulier de l'invention, ladite fibre optique est une fibre unimodale. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, ladite fibre est une fibre micro-structurée. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, ledit modulateur optique est un modulateur acousto-optique. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, ledit modulateur optique est un modulateur électro-optique. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, ledit modulateur est un modulateur semi-conducteur (SOA) De façon avantageuse, un système d'amplification à fibre optique tel que décrit ci-dessus comprend des moyens de filtrage spectral logés entre ladite fibre optique et lesdits moyens de réflexion. On réduit ainsi sensiblement les émissions spontanées amplifiées pour des longueurs d'ondes différentes de celle du signal pulsé se propageant dans le système d'amplification à fibre optique. Avantageusement, un système d'amplification à fibre optique tel que décrit ci-dessus comprend des moyens de modulation de l'énergie de moyens de pompage associés à ladite fibre optique. On élimine ainsi à faible fréquence les émissions spontanées amplifiées entre deux impulsions consécutives. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, lesdits moyens de réflexion comprennent un miroir à rotateur de Faraday. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, lesdits moyens de réflexion comprennent une lame quart d'onde et un miroir. On obtient ainsi un système d'amplification compact. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, lesdits moyens de réflexion comprennent un rotateur de Faraday et un réseau de Bragg réfléchissant. Avantageusement, ladite fibre optique est une fibre dopée aux ions de terre rare. Il peut notamment s'agir d'une fibre optique dopée aux ions Erbium ou dopée aux ions Ytterbium ou co-dopée aux ions Erbium et Ytterbium. L'invention concerne également un dispositif d'émission d'un faisceau optique pulsé comprenant une source laser apte à générer un faisceau optique continu relié à une porte du séparateur de polarisation d'un système d'amplification à fibre optique double-passage tel que décrit ci-dessus. On obtient ainsi un dispositif de type M.O.P.A, encore appelé oscillateur amplifié, apte à émettre un faisceau hautement cohérent et d'une puissance élevée. On notera que la source laser peut être, par exemple, une diode laser semi-conductrice ou un laser à fibre. 5. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante de deux modes de réalisation de l'invention, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 représente un exemple de mode de réalisation d'un système d'amplification à fibre optique double-passage selon l'invention couplé à une diode laser au sein d'un dispositif d'émission d'un faisceau optique pulsé de type oscillateur amplifié ; la figure 2 illustre un autre exemple de mode de réalisation d'un système d'amplification à fibre optique double-passage selon l'invention. 6. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention 6.1. Exemple de mode de réalisation On a illustré en référence à la figure 1 un exemple de mode de réalisation d'un système d'amplification à fibre optique double passage 10 selon l'invention destiné à amplifier un signal lumineux polarisé, intégré dans un dispositif d'émission d'un faisceau optique pulsé 100, du type M.O.P.A. Le système d'amplification 10 est alimenté par une diode laser semi- conductrice 11 émettant un faisceau lumineux polarisé continu 112 qui est injecté dans une première porte 12 d'un séparateur de polarisation 13 et ressort par une deuxième porte 14 connectée à une extrémité d'un modulateur d'intensité électro-optique 15 basé sur un interféromètre de Mach-Zehnder. L'état (actif ou éteint) du modulateur 15 est asservi par un dispositif de commande (non représenté sur la figure 1) qui permet de contrôler la durée et la forme des impulsions générées par le modulateur. Le modulateur 15 va moduler et filtrer temporellement le faisceau continu polarisé 112 et ainsi le transformer en un train d'impulsions courtes 113. Il convient de noter qu'en outre le modulateur 15 permet d'assurer un filtrage des émissions spontanées amplifiées entre chaque impulsion. L'autre extrémité du modulateur 15 est connectée à une fibre optique unimodale 16 faiblement réfringente et dopée aux ions Erbium, qui va amplifier les impulsions 113. Cette fibre optique 16 est alimentée en énergie par une diode de pompe 17. Dans ce mode de réalisation de l'invention, le mode de pompage a été optimisé de façon à éviter l'apparition de couplages non-linéaires quand un signal optique se propage dans la section de gain. Dans des variantes de ce mode de réalisation de l'invention, la fibre optique 16 peuvent être dopée, ou co-dopée, par tout autre ion de terre rare convenable, telle que l'ytterbium, le thulium, l'holmium, ou le praséodyme par exemple. Dans une autre variante, il peut être envisagé d'utiliser une ou des fibres optiques "double-cald", sans sortir du cadre de l'invention. La seconde extrémité de la fibre optique 16 est connectée à un filtre optique 18 permettant de limiter le niveau d'émission spontanée amplifiée pour des longueurs d'ondes différentes de celles des faisceaux lumineux se propageant dans la fibre optique 16, suivi d'un miroir à rotateur de Faraday 19. Le miroir à rotateur de Faraday 19 permet au faisceau amplifié de se propager une nouvelle fois dans la section de gain. Il comprend un rotateur de Faraday 110 permettant de faire tourner la polarisation de 45° du signal polarisé entrant et un miroir réfléchissant 111 sur une bande étroite centrée sur la longueur d'onde du signal d'entrée, permettant d'atténuer tout émission différente du signal à amplifier. Lorsque les impulsions 114 amplifiées au sein de la fibre optique 16 et filtrées impactent le miroir à rotateur de Faraday 19, le rotateur de Faraday 110 fait ainsi tourner une première fois la polarisation du faisceau pulsé de 45°, puis le faisceau pulsé est réfléchi sur le miroir 111 avant que sa polarisation soit à nouveau tournée de 45° en passant une deuxième fois dans le rotateur de Faraday 110. La polarisation des impulsions 115 en sortie du miroir à rotateur de Faraday 18 est ainsi à 90° par rapport à la polarisation des impulsions 114 à l'entrée du miroir à rotateur de Faraday 19. Les impulsions 114 se propagent alors en sens inverse dans la fibre optique 16 où elles sont amplifiées une seconde fois, passent dans le modulateur 15 et sont basculées par le séparateur de polarisation 13 sur son troisième port 116. 6.2. Autre exemple de mode de réalisation On a représenté sur la figure 2 un autre exemple de mode de réalisation d'un système d'amplification double passage 20 selon l'invention. Dans ce mode de réalisation de l'invention, on a remplacé le miroir à réflecteur de Faraday par un rotateur de Faraday 21 aligné avec un réseau de Bragg réfléchissant 22, les autres constituants du système d'amplification 20 étant identiques à ceux du système d'amplification 10 précédemment décrit. REVENDICATIONS1. Système d'amplification à fibre optique double-passage pour faisceau lumineux polarisé, caractérisé en ce qu'il comprend : - un séparateur de polarisation ; - un modulateur optique connecté à une porte dudit séparateur de polarisation ; - une fibre optique inapte à maintenir l'état de polarisation d'un faisceau lumineux sur sa longueur, présentant une première extrémité connectée audit modulateur optique et une deuxième extrémité connectée à des moyens de réflexion d'un faisceau optique aptes à permettre une rotation à 90° de la polarisation d'un faisceau lumineux polarisé qui l'impacte. 2. Système d'amplification à fibre optique double-passage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fibre optique est une fibre optique unimodale. 3. Système d'amplification à fibre optique double-passage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fibre optique est une fibre optique micro-structurée. 4. Système d'amplification à fibre optique double-passage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit modulateur optique est un modulateur acousto-optique. 5. Système d'amplification à fibre optique double-passage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit modulateur optique est un modulateur semi-conducteur (SOA). 6. Système d'amplification à fibre optique double-passage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit modulateur optique est un modulateur électro-optique. 7. Système d'amplification à fibre optique double-passage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de réflexion comprennent un miroir à rotateur de Faraday. 8. Système d'amplification à fibre optique double-passage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens deréflexion comprennent un rotateur de Faraday et un réseau de Bragg réfléchissant. 9. Système d'amplification à fibre optique double-passage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de filtrage spectral logés entre ladite fibre optique et lesdits moyens de réflexion. 10. Système d'amplification à fibre optique double-passage selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de modulation de l'énergie de moyens de pompage associés à ladite fibre optique. 11. Système d'amplification à fibre optique double-passage selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ladite fibre optique est une fibre dopée aux ions de terre rare. 12. Dispositif d'émission d'un faisceau optique pulsé, caractérisé en ce qu'il comprend un laser apte à générer un faisceau optique continu relié à une porte du séparateur de polarisation d'un système d'amplification à fibre optique double-passage selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant : - un séparateur de polarisation ; - un modulateur optique connecté à une porte dudit séparateur de polarisation ; - une fibre optique inapte à maintenir l'état de polarisation d'un faisceau lumineux sur sa longueur, présentant une première extrémité connectée audit modulateur optique et une deuxième extrémité connectée à des moyens de réflexion d'un faisceau optique aptes à permettre une rotation à 90° de la polarisation d'un faisceau lumineux polarisé qui l'impacte.30