École Nationale Supérieure de Sciences Appliquées et de Technologie

École Nationale Supérieure de Sciences Appliquées et de Technologie Réalisation de lasers à fibre à contre-réaction répartie pour l étude de l injection optique : comparaison à l injection avec des lasers à semi-conducteurs Stéphane Blin Soutenance de thèse ~ 3 Décembre 2003 Centre d'optique, Photonique et Lasers

Introduction Injection optique 2 LASER MAÎTRE ISOLATEUR OPTIQUE LASER ESCLAVE Détection & Analyse Couplage unidirectionnel de deux lasers Propriétés usuelles de l'injection : - accrochage en fréquence - transfert de pureté spectrale du maître à l'esclave Une compétition apparaît entre l'émission spontanée du laser esclave et la source externe.

Paramètres de contrôle de l'injection Introduction 3 LASER MAÎTRE ISOLATEUR OPTIQUE LASER ESCLAVE Détection & Analyse Puissance injectée P i Puissance injectée à l'intérieur de la cavité esclave Désaccord Δν Difference de fréquence entre celle du maître ν M et celle de l'esclave libre ν E libre : Δν = ν M - ν E libre Taux de pompage de l'esclave r Rapport du courant de pompe du laser esclave I sur le courant de pompe au seuil I seuil : r = I / I seuil

Introduction Différents lasers utilisés 4 LASER MAÎTRE ISOLATEUR OPTIQUE LASER ESCLAVE Détection & Analyse Lasers maîtres : - Laser à semi-conducteurs accordable (125 khz) - Laser à fibre à contre-réaction répartie (20 à 50 khz) Lasers esclaves : - Laser à semi-conducteurs à contre-réaction répartie (10 à 100 MHz) - Laser à fibre à contre-réaction répartie (20 à 50 khz) Principales différences entre ces lasers : cohérence, fréquence des oscillations de relaxation, facteur de couplage phase-amplitude, force du réseau du laser esclave DFB * *DFB : Distributed FeedBack, i.e. à contre-réaction répartie

Plan de l'exposé 5 I. Vue générale de l'injection : laser esclave à semi-conducteurs II. Vers une définition de l'accrochage III. Modèle théorique IV. Injection d'un laser à fibre V. Influence de la cohérence du maître

I. Vue générale de l'injection Laser maître accordable Montage expérimental Amplificateur optique Atténuateur variable Laser esclave 6 isolateur optique intégré Maintien de polarisation Coupleur Isolateur Oscilloscope Caractérisation du laser injecté Analyseur Fabry-Perot 135 GHz Détecteur 15 GHz Coupleur Isolateur Mesureur de puissance Coupleur Lambdamètre Analyseur de spectre électrique Point de fonctionnement de l'injection : (P i, Δν)

Cartographie à 4 fois le seuil (1) I. Vue générale de l'injection 7 4-20 1 A R C 2-20 -40 +20 1 A R C 2 0-20 -40 Puissance injectée (dbm) -80-60 -40-20 0 +20 Désaccord (GHz) Limites de la zone bistable Transition abrupte A : accrochage ; 1, 2, 4 : mélanges d'ondes ; R : relaxation ; C: Chaos.

Cartographie à 4 fois le seuil (2) I. Vue générale de l'injection 8 Densité spectrale de puissance (u. a.) 1,0 0,5 0,0 Fréquence maître Esclave injecté Esclave libre A -30-20 -10 0 10 20 Fréquence relative (GHz) A 1 2 C R Désaccords décroissants -80-60 -40-20 0 +20 Désaccord (GHz) 0-20 -40 Puissance injectée (dbm) Densité spectrale de puissance (u. a.) 1,0 0,5 0,0 Fréquence maître 1-40 -20 0 20 40 Fréquence relative (GHz) A 1 2 C R Désaccords croissants -80-60 -40-20 0 +20 Désaccord (GHz) 0-20 -40 Puissance injectée (dbm)

Cartographie à 4 fois le seuil (3) I. Vue générale de l'injection 9 Densité spectrale de puissance (u. a.) 1,0 0,5 0,0 Fréquence maître R A 1 2 C R Désaccords décroissants 0-20 -40 Puissance injectée (dbm) -40-20 0 20 40 Fréquence relative (GHz) -80-60 -40-20 0 +20 Désaccord (GHz) Densité spectrale de puissance (u. a.) 1,0 C 0,5 0,0-40 -20 0 20 40 Fréquence relative (GHz) A 1 2 C R Désaccords croissants -80-60 -40-20 0 +20 Désaccord (GHz) 0-20 -40 Puissance injectée (dbm)

Cartographie à 1,2 fois le seuil I. Vue générale de l'injection 10 0 A Puissance injectée (dbm) 0-5 -10-15 -20-25 -20-40 0-20 -40-300 -300 1 2 C R A -200-200 r = 4-100 r = 1,2-100 0 0-30 -200 0 Désaccord (GHz) Cartographie près du seuil : - moins de régimes - accrochage plus étendu

Plan de l'exposé 11 I. Vue générale de l'injection : laser esclave à semi-conducteurs II. Vers une définition de l'accrochage III. Modèle théorique IV. Injection d'un laser à fibre V. Influence de la cohérence du maître

Montage expérimental II. Vers une définition de l'accrochage Laser maître accordable Amplificateur optique Atténuateur variable Isolateur 12 Isolateur optique intégré Laser esclave Coupleur Isolateur Isolateur Mesureur de puissance Analyseur Fabry-Perot 300 MHz Oscilloscope Analyse du laser esclave injecté Coupleur Paramètres de contrôle de l'injection : (P i, Δν) Lambdamètre

Esclave injecté par un faible signal cohérent II. Vers une définition de l'accrochage 13 Signal maître amplifié Densité spectrale de puissance (u. a.) 0,4 0,2 0,0-100 0 100 Fréquence relative (MHz) Piédestal esclave Injection d'un signal faible cohérent : - Maître : 125 khz - Esclave : 80 MHz (Pleines largeurs spectrales à mi-hauteur)

Transfert de pureté spectrale II. Vers une définition de l'accrochage 14 Densité spectrale de puissance optique Piédestal r = 1,4-100 0 +100 Fréquence relative (MHz) L'accrochage total correspond à la saturation de l'amplification -90-65 Amplification -40 Saturation -100 0 +100 Densité spectrale de puissance (u. a.)

Gain II. Vers une définition de l'accrochage Densité spectrale de puissance Fréquence relative Fort gain : gain de 40 à 50 db 30 db pour un SOA * usuel Largeur maître Faible puissance de saturation : environ -50 dbm -25 dbm pour un SOA usuel *SOA : Semiconductor Optical Amplifier, i.e. amplificateur optique à semi-conducteurs Gain Gain (db) 50 40 30 20 10 = -60-50 -40-30 Puissance injectée (dbm) Taux de pompage : P esclave dans la bande maître Gain petit signal P i Saturation du gain : accrochage total 1,1 1,4 1,8 1,2 1,6 2,0 15

II. Vers une définition de l'accrochage Densité spectrale de puissance (u. a.) saturation Désaccord non nul attraction Densité spectrale de puissance (u. a.) Modèle 0,08 0,06 0,04 0,02 Taux d'injection (u. a.) : 1,00 / 0,10 / 0,05 / 0,02 / 0,01 / 0,00 0,01 0,00 attraction 0 100 200 16 0,00-100 0 100 200 300 Fréquence (u. a.) -45-40 -35-30 0 100 200 Fréquence relative (MHz)

Plan de l'exposé 17 I. Vue générale de l'injection : laser esclave à semi-conducteurs II. Vers une définition de l'accrochage III. Modèle théorique IV. Injection d'un laser à fibre V. Influence de la cohérence du maître

III. Modèle théorique Contexte 18 Modèle simple Repose sur la fonction de transfert de la cavité Description du laser pompé au-dessus, au-dessous ou à travers le seuil Modèle pour un laser à semi-conducteurs de type Fabry-Perot tout laser dont la fonction de transfert est connue peut être simulé de manière numérique Étude principalement qualitative, quantitative facilement accessible

Fonction de transfert du laser III. Modèle théorique Cavité Fabry-Perot : d 19 R A R Laser : y : densité spectrale du champ laser S : puissance spontanée L : pertes G : gain saturé sur un aller-retour φ : phase cumulée sur un aller-retour Y : intensité totale Prise en compte des trois fondamentaux du laser : émission spontanée, émission stimulée, filtrage

Fonction de transfert du laser injecté III. Modèle théorique Esclave libre : 20 Laser injecté : η : taux d'injection y m : densité spectrale maître Densité spectrale de puissance (u. a.) -100 0 +100 Fréquence relative (MHz) Expérience -70-50 -90 Densité spectrale de puissance (u. a.) -40-20 0 20 40 Fréquence relative (u. a.) Modèle -90-70 -50

Plan de l'exposé 21 I. Vue générale de l'injection : laser esclave à semi-conducteurs II. Vers une définition de l'accrochage III. Modèle théorique IV. Injection d'un laser à fibre V. Influence de la cohérence du maître

Principe du lasers à fibre DFB (1) IV. Injection d'un laser à fibre 22 Pompe à 980 nm Multiplexeur 980 / 1550 nm Fibre codopée erbium - ytterbium ~ 30 à 50 mm Isolateur Signal laser Signal laser 0,8 Réseau de Bragg : modulation spatiale périodique de l'indice effectif de la fibre - miroir sélectif en fréquence - cavité répartie Réflectivité normalisée 0,6 0,4 0,2 1547,11 1547,15 1547,19 λ B Longueur d'onde (nm)

Principe du lasers à fibre DFB (2) IV. Injection d'un laser à fibre 23 Λ λ B = 2. n eff. Λ ΔΦ @ λ B = 2.π Cœur codopé Er-Yb Anneau photosensible dopé Ge (2p+1).π Gaine de guidage π 0 Indices de réfraction : n 1 > n 2 Propriétés générales des lasers obtenus : - continu - monomode (SMSR * > 28 db) longitudinal, transverse, polarisation - accordable (plusieurs nm) - stable en fréquence (gigue < 10 MHz) *SMSR : Single Mode Suppression Ratio, i. e. rapport de suppression de mode λ B anti-résonante effet laser à 2 fréquences symétriques autour de λ B Insertion d'un saut de phase de π/2 rad pour fonctionnement monomode

Cartographie à 1,7 fois le seuil IV. Injection d'un laser à fibre 24 Désaccords croissants Désaccords décroissants Zone bistable Comparaison à un laser à semi-conducteurs injecté : Puissance injectée (dbm) 0-4 -8-12 -16 A A La plage d'accrochage est : - étroite (2000 fois moindre) force du réseau, cavité Fabry-Perot pour les lasers à semi-conducteurs - étendue pour des désaccords croissants seulement -5 0 5 10 15 20 25 Désaccord (MHz) - dissymétrique facteur de couplage phase-amplitude?

Réponse temporelle IV. Injection d'un laser à fibre 25 Évolution temporelle pour un désaccord négatif proche de la zone d'accrochage : r = 2 & P i = -1,7 dbm Intensité (u. a.) 0,2 0,1 0,0 Période : 87 µs Intensité (u. a.) 0,2 0,1 0,0 Décroissance : 7,3 µs Période : 4,4 µs 0 50 100 150 200 Temps (µs) 20 40 60 80 Temps (µs) 87 µs 11,5 khz Origine physique? 4,4 µs 230 khz Relaxation

Réponse temporelle IV. Injection d'un laser à fibre 26 Évolution temporelle pour un désaccord négatif proche de la zone d'accrochage : r = 2 & P i = -1,7 dbm Intensité (u. a.) 0,2 0,1 0,0 Intensité (u. a.) 0,2 0,1 0,0 Période : 0,28 µs 20 40 60 80 Temps (µs) 12 14 16 18 20 Temps (µs) 0,28 µs 3,6 MHz Désaccord?

Réponse temporelle IV. Injection d'un laser à fibre 27 Intensité (u. a.) Évolution temporelle pour des désaccords négatifs croissants 0,2 0,1 0,0 0 50 100 150 200 Temps (µs) Intensité (u. a.) 0,2 0,1 0,0 0 50 100 150 200 Temps (µs) Intensité (u. a.) 0,2 0,1 0,0 0 50 100 150 200 Temps (µs) Puissance injectée (dbm) 0-4 -8-12 -16 Croissant Décroissant -5 0 5 10 15 20 25 Désacord (MHz) r = 2 P i = -1,7 dbm Avant accrochage : - la période générale décroît - le nombre de picots décroît comportements stables et répétables à étudier plus en détails

Plan de l'exposé 28 I. Vue générale de l'injection : laser esclave à semi-conducteurs II. Vers une définition de l'accrochage III. Modèle théorique IV. Injection d'un laser à fibre V. Influence de la cohérence du maître

Expériences V. Influence de la cohérence maître 29 Rappel : spectres optiques du laser injecté -90-65 -40-100 Nouvelle méthode de mesure de largeurs de raie pour des lasers très cohérents (< Hz?) 0 +100 Maximum du spectre esclave injecté (u. a.) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Pleine-largeur à mi-hauteur : Maître 1 : 125 khz Maître 2 : 50 khz Rapport : 2,5 3,4 db x 2,2-30 -20-10 0 Puissance injectée (db)

Modélisation et influence du Fabry-Perot V. Influence de la cohérence maître 30 Maximum du spectre esclave injecté (db) 70 Sans Fabry-Perot 60 50 40 30 20-140 -120-100 -80-60 -40 Puissance injectée (db) Maximum du spectre esclave injecté (db) 45 40 35 30 Avec Fabry-Perot 12 db x 15,7 5,9 db x 3,9 25-140 -120-100 -80-60 -40 Puissance injectée (db) Largeur spectrale maître (u. a.) : 1,0 4,0 14 Le modèle valide la faisabilité de la mesure de largeurs spectrales Importance de la prise en compte du filtrage de l'analyseur Fabry-Perot

Conclusion (1) 31 Injection d'un laser à semi-conducteurs - la cartographie de l'injection dépend de la nature de l'esclave, à travers : - le facteur de couplage phase-amplitude - la force des réseaux des lasers DFBs - les fréquences de relaxation - cartographie du comportement bistable - cartographie expérimentale du régime de relaxation - synchronisation de chaos (cryptographie) Réponse temporelle du laser à fibre injecté - réponses originales et curieuses qui restent à expliquer

Conclusion (2) 32 Faible injection - l'esclave est un amplificateur idéal pour des signaux faibles et cohérents - l'accrochage total est défini comme à saturation de l'amplification - l'efficacité de l'injection dépend de la cohérence du laser maître - attraction en fréquence Modèle - simple et en bon accord qualitatif avec les expériences - prise en compte de la fonction d'appareil du Fabry-Perot - études quantitatives...

Discussion 33 Un grand merci : - aux membres du jury : Marc Brunel, Yves Champagne, John Dudley et Pierre Tremblay ; - ENSSAT : Pascal Besnard, Renaud Gabet, Guy Stéphan, Jean-Claude Simon, Vincent Roncin, Mathilde Gay, Céline Guignard, Réjane Le Roy, Sylvain Fève, Serge Le Flécher, Olivier Vaudel, Julien Poëtte, etc ; - COPL : Sophie LaRochelle, Paul Verville, Chrystelle Juignet, Isabelle Castonguay, Radan Slavík, Serge Doucet, Julien Magné, Ghislaine L'Hebreux, etc ; - mais aussi : Carlos Palavicini, Yves Jaouën, Tran Thi Tam, Michel Guillou, Clément Girard, Brigitte Moore, et ceux que j'aurais malencontreusement oubliés... Des questions?

Discussions... 34 Densité spectrale de puissance Puissance maître du spectre esclave (dbm) 0-10 -20-30 -40 Taux de pompage : Fréquence relative -80-60 -40 Largeur maître Puissance injectée (dbm) 0,9 1,0 Détection (db) 20 15 10 5 0-80 -60-40 -20 Puissance injectée (dbm) Meilleure détection près du seuil : Détection hétérodyne de -117 dbm par R. Gabet 1,1 1,2 1,3 1,4 1,6 1,8 2,0

Discussions... 35