Brevet FR3014605A1 — publié le 20150612

Amplificateur à fibre optique double passage multi-étagé 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 lumineux pulsé de type M.O.P.A. (acronyme de "Master Oscillator Power Amplifier" en anglais) correspondant. 2. Etat de la technique Pour amplifier des impulsions dans des fibres optiques, on utilise classiquement plusieurs sections de gain séparées par des isolateurs optiques destinés à ne laisser passer le signal optique que dans un seul sens. Chacune de ces sections de gain est conçue de sorte à extraire le maximum de gain et le gain total en sortie de chaine optique est la somme de chaque section de gain. Dans ces amplificateurs optiques connus constitués de plusieurs sections de gain séparées par des isolateurs optiques, une des difficultés en régime à impulsion est de limiter l'émission spontanée amplifiée (ASE), particulièrement entre les impulsions lumineuses. De ce point de vue, un filtrage spectral à la longueur d'onde du signal n'est pas suffisant car il y a accumulation d'énergie entre les impulsions à la longueur d'onde du signal. Une technique connue pour limiter l'émission spontanée amplifiée consiste à moduler l'énergie fournie par les diodes laser de pompe de l'amplificateur. Cette technique se révèle efficace à taux de répétition relativement faible (c'est-à-dire inférieur à 5 kHz) mais au-delà, la dynamique de transfert d'énergie entre les niveaux d'énergie de l'élément dopant de la fibre n'est pas assez rapide pour supprimer l'émission spontanée amplifiée entre deux impulsions consécutives. Il est aussi connu de mettre en oeuvre des modulateurs optiques inter-étages de type acousto-optique, ou électro-optique, dans des amplificateurs, dans le but de réaliser un filtrage temporel. Ces modulateurs optiques doivent être synchronisés avec le passage de l'impulsion pour pouvoir couper toute émission entre les impulsions. Si cette technique connue permet de réduire efficacement le phénomène d'émission spontanée amplifiée entre les impulsions, elle n'est pas pour autant efficace pour réduire l'ASE au moment du passage de l'impulsion. Par ailleurs, cette technique est coûteuse, puisqu'il faut disposer d'un modulateur par section de gain. Elle est en outre complexe à mettre en oeuvre. 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. Un tel d'amplificateur à fibre optique "double-passage" connu est décrit par exemple dans le document WO 2008/016579. Ces amplificateurs "double-passage" connus comprennent un miroir de rotateur de Faraday, ou un miroir simple, à une extrémité de la fibre optique et un séparateur de polarisation, ou un circulateur, à l'autre extrémité de la fibre optique. Un inconvénient de la technique connue des amplificateurs "double- passage" est cependant la persistance d'une instabilité temporelle de la puissance de sortie, 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, ...), et/ou d'un gain trop important à la longueur amplifiée ou à d'autres longueurs d'onde de l'amplificateur. Quand bien même on prévoit un filtrage dans le bras double-passage, on constate que le budget de pompe est sous-utilisé et que le gain optique est limité par l'apparition d'instabilités temporelles et du phénomène de "self lasing". 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 qui présente un gain convenable en régime à impulsions et qui génère peu, voire aucune émission spontanée amplifiée entre deux impulsions ou lorsqu'une impulsion se propage dans l'amplificateur. Un objectif de l'invention est également de fournir une technique d'amplificateur à fibre optique qui soit simple à mettre en oeuvre. Un autre objectif de l'invention est de fournir une technique d'amplificateur à fibre optique qui soit peu coûteuse. 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 puisse transformer un signal continu en signal pulsé. 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 comprenant une première fibre optique et des moyens de réflexion. Selon l'invention, un tel système d'amplification à fibre optique comprend au moins un modulateur optique et une deuxième fibre optique logés dans cet ordre entre ladite première fibre optique et lesdits moyens de réflexion. Ainsi, de façon inédite, l'invention propose de mettre en oeuvre un système d'amplification à fibre double-passage multi-étagé afin d'augmenter le gain. On notera par ailleurs que le système selon l'invention est particulièrement compact et simple à mettre en oeuvre grâce à la mise en oeuvre d'un modulateur. Ce modulateur permet en effet à la fois de générer un train d'impulsions, si le système d'amplification à fibre optique est alimenté par une source optique continue, et d'isoler optiquement chaque section de gain. L'idée de mettre en oeuvre un modulateur pour isoler les sections de gain est particulièrement astucieuse, dans le cas d'un système d'amplification à fibre optique à double passage. En effet, dans un système d'amplification à fibre double passage on ne peut pas utiliser, comme dans un amplificateur à simple passage, un isolateur optique utilisant l'effet magnéto-optique pour isoler des sections de gains, étant donné qu'un isolateur optique ne laisse passer la lumière que dans un seul sens. Il convient par ailleurs de noter que le système d'amplification selon l'invention permet d'amplifier aussi bien un signal lumineux pulsé qu'un signal lumineux continu. 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 optique est un modulateur à commutation de gain ou "gain-swichted". Il peut s'agir par exemple d'un amplificateur optique à semiconducteurs (SOA). Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, un système d'amplification à fibre optique tel que décrit ci-dessus comprend un deuxième modulateur optique et une troisième fibre optique logés dans cet ordre entre ladite deuxième fibre optique et lesdits moyens de réflexion. On obtient ainsi un amplificateur à trois étages de gain. De façon avantageuse, un système d'amplification à fibre optique tel que décrit ci-dessus comprend des moyens de filtrage spectral. On réduit ainsi fortement l'émission spontanée amplifiée 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 première fibre optique et/ou à ladite deuxième fibre optique. Ainsi, on élimine ainsi à faible fréquence l'émission spontanée amplifiée entre deux impulsions consécutives. De préférence, lesdits moyens de réflexion comprennent un miroir à rotateur de Faraday. On obtient ainsi un système compact et qui présente peu de pertes. Selon un aspect particulier de l'invention, un tel système d'amplification à fibre optique comprend un séparateur de polarisation ou un circulateur optique. On peut ainsi prévoir de mettre en oeuvre un séparateur de polarisation si on cherche à amplifier un signal polarisé en entrée du système d'amplification et à émettre un signal polarisé en sortie du système d'amplification. Dans le cas où le signal optique est non polarisé en entrée et en sortie du système d'amplification, on peut prévoir de mettre en oeuvre un circulateur optique. 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 ou du circulateur optique 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. 5. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, 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 ; la figure 2 illustre un dispositif d'émission d'un faisceau optique pulsé de type oscillateur amplifié mettant en oeuvre le système d'amplification à fibre optique double-passage présenté en référence à la figure 1. 6. Description détaillée d'un exemple de mode de réalisation l'invention 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 continu. Ce système d'amplification 10 comprend une première fibre optique dopée aux ions Erbiumll et une deuxième fibre optique co-dopée aux ions Erbium et Ytterbium 12, alimentées en énergie respectivement par une diode de pompe 13 et une diode de pompe 14. Dans ce mode de réalisation de l'invention, le type de fibre optique et le mode de pompage ont été optimisés de façon à éviter l'apparition d'effets non-linéaires quand un signal optique se propage dans chacune des sections de gain. Par ailleurs le gain de chaque section de gain a été ajusté afin de limiter les effets de "self lasing" et l'apparition d'instabilités temporelles de la puissance de sortie de l'amplificateur. Dans des variantes de ce mode de réalisation de l'invention, la première fibre optique 11 et/ou la deuxième fibre optique 12 peuvent être dopées ou co-dopées 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-clad", sans sortir du cadre de l'invention. La première fibre optique 11 est connectée par une première extrémité à un séparateur de polarisation 15 et à une deuxième extrémité à un modulateur d'intensité électro-optique 16 (basé sur un interféromètre de Mach-Zehnder). Dans une variante de ce mode de réalisation particulier de l'invention, il peut être envisagé que le modulateur soit un modulateur acousto-optique ou un amplificateur semi-conducteur opérant en mode "gain-switched". L'état (actif ou éteint) du modulateur 16 est asservi par un dispositif de commande qui permet de contrôler la durée des impulsions générées par le modulateur. Dans ce mode de réalisation de l'invention, le modulateur est contrôlé par le dispositif de commande présente une bande passante de quelques hertz à plusieurs GHz. La deuxième fibre optique 12 est connectée par une extrémité au modulateur 16 et par l'autre extrémité à un filtre optique 17 suivi d'un miroir à rotateur de Faraday 18. Le miroir à rotateur de Faraday 18 permet au faisceau amplifié de se propager une nouvelle fois dans les sections de gain. Il comprend un rotateur de Faraday 19 permettant de faire tourner la polarisation de 45° du signal à amplifier et un miroir réfléchissant 110 sur une bande étroite centrée sur la longueur d'onde du signal d'entrée, permettant d'atténuer tout émission différente du signal à amplifier. On a représenté sur la figure 2 le système d'amplification 10 alimenté par une diode laser semi-conductrice 21 émettant un faisceau lumineux en régime continu. L'ensemble constitué de la diode laser 21 et du système d'amplification 10 forme un dispositif d'émission d'un faisceau optique pulsé du type M.O.P.A. Comme on peut le voir sur la figure 2, le faisceau lumineux 22 émis par la diode laser 21 est injecté dans une première porte 23 du séparateur de polarisation 15 et ressort par une deuxième porte 24 raccordée à l'entrée de la première fibre optique 11. En se propageant dans la première fibre optique 11, le faisceau lumineux continu sortant du séparateur de polarisation 15 est amplifié. Le faisceau lumineux continu se propage ensuite à la sortie de la première fibre optique 11 dans le modulateur 16, qui, grâce à son dispositif de commande, module et filtre temporellement le faisceau continu amplifié et le transforme ainsi en un train d'impulsions courtes 25, dont la largeur et la forme sont contrôlées par le dispositif de commande du modulateur 16. Le modulateur 16 assure par ailleurs un filtrage des émissions spontanées amplifiées entre chaque impulsion et un rôle d'isolation optique entre les deux étages d'amplification Le train d'impulsions 25 se propage au sein de la deuxième fibre optique 12 puis du filtre spectral 17, où les impulsions sont successivement amplifiées puis filtrées, et pénètre dans le miroir à rotateur de Faraday 18. Dans le miroir à rotateur de Faraday 18, le rotateur de Faraday 19 fait tourner une première fois la polarisation des impulsions de 45°, puis le faisceau pulsé est réfléchi sur le miroir 110 avant que sa polarisation soit à nouveau tournée de 45° en passant une deuxième fois dans le rotateur de Faraday 19. La polarisation des impulsions 26 en sortie du miroir à rotateur de Faraday 18 est ainsi à 90° par rapport à la polarisation des impulsions 25 à l'entrée du miroir à rotateur de Faraday 18. Les impulsions 26 se propagent alors en sens inverse dans la deuxième fibre optique où elles sont amplifiées, passent dans le modulateur 16 et sont amplifiées dans la première fibre optique 11 avant d'être basculées par le séparateur de polarisation 15 sur son troisième port 27. A la sortie du système d'impulsion, le train d'impulsions 28 a donc été amplifié quatre fois. REVENDICATIONS1. Système d'amplification à fibre optique double-passage comprenant une première fibre optique et des moyens de réflexion, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un modulateur optique et une deuxième fibre optique logés dans cet ordre entre ladite première fibre optique et lesdits moyens de réflexion. 2. Système d'amplification à fibre optique double-passage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit modulateur optique est un modulateur acousto-optique. 3. Système d'amplification à fibre optique double-passage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit modulateur optique est un modulateur électro-optique. 4. Système d'amplification à fibre optique double-passage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit modulateur optique est un modulateur à commutation de gain. 5. Système d'amplification à fibre optique double-passage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième modulateur optique et une troisième fibre optique logés dans cet ordre entre ladite deuxième fibre optique et lesdits moyens de réflexion. 6. Système d'amplification à fibre optique double-passage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de filtrage spectral. 7. Système d'amplification à fibre optique double-passage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de modulation de l'énergie de moyens de pompage associés à ladite première fibre optique et/ou à ladite deuxième fibre optique. 8. Système d'amplification à fibre optique double-passage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un séparateur de polarisation ou un circulateur optique. 9. Système d'amplification à fibre optique double-passage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de réflexion comprennent un miroir à rotateur de Faraday. 10. 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 ou du circulateur optique d'un système d'amplification à fibre optique double-passage selon la revendication 8.10