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on

S. GROT1, L. GOLDBERG1, P. BESNARD2, Y. JAOUËN3

1 KEOPSYS SA21, rue Louis de Broglie

22300 LannionEmail : sgrot@keopsys.com

2 ENSSAT, LO, UMR FOTON, 6 rue de Kerampont, F-22305 Lannion3 GET Telecom Paris, CNRS UMR 5141, 46 rue Barrault, 75634 Paris

GENERATION D’IMPULSIONS GENERATION D’IMPULSIONS NANOSECONDE,NANOSECONDE,

DE FAIBLE LARGEUR SPECTRALE, DE FAIBLE LARGEUR SPECTRALE, AU-DELA DE 1.7kW, AU-DELA DE 1.7kW,

PAR AMPLIFICATION A FIBRE DOPEE PAR AMPLIFICATION A FIBRE DOPEE YbYb3+3+

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Contexte, applications des Contexte, applications des sources pulsées à 1micronsources pulsées à 1micron

• ContexteContexte

o Génération de sources à 1 µm utile pour de nombreuses applications: Médicales : pompage optique de l’Hélium à 1083 nm,

Militaires : guidage laser,

Scientifiques : amplification de sources très cohérentes à 1 µm,

Industrielles : laser de marquage (en régime continu ou d’impulsions), laser de découpe

o Forts niveaux de puissance de sortie technologie à fibre double-gaine.

o Application LIDAR (identification, détection, communication) : amplification en régime d’impulsions

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PrincipePrincipe de l’amplification en de l’amplification en régime d’impulsionsrégime d’impulsions

: Durée de l’impulsion, f : fréquence de répétition, Ppeak : Puissance crête

T(ns)

fP(W)

Ppeak

Signal de sortie

P(W)

T(ns)

Signal source à amplifier

Source laser

pulsée Fibre dopée Yb3+

Module de

pompe

M2 : Définie la qualité de faisceau Monomode (SM) ou Multimode(MM).

MOPFA: Master Oscillator Power Fiber AmplifierMOPFA: Master Oscillator Power Fiber Amplifier Amplification d’une source laser de faible puissance crête (puissance Amplification d’une source laser de faible puissance crête (puissance moyenne, énergie) par un amplificateur à fibre dopée.moyenne, énergie) par un amplificateur à fibre dopée.

Isolateur

TermTermeess employés employés::

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CŒUR DOPE

1ère GAINE

SignalPompe

POLYMERE

La pompe se propage dans la première gaine. Le signal se propage dans le cœur. Absorption de la pompe quand le champ traverse les ions dopants (cœur).

O.N. typique de la gaine : 0.45 O.N. typique du cœur : 0.12

Rompre la symétrie de révolution optimiser le mélange de modes et donc l’absorption

Présentation des Présentation des technologies à fibres double-technologies à fibres double-

gainegaine• Fibre double gaine Fibre double gaine ??

o Cœur dopé Yb : 4 à 30 µmo 1ère gaine silice pure : 50 à 300 µmo 2ème gaine polymère

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Introduction aux effets Introduction aux effets non linéairesnon linéaires

• Théorie linéaire :Théorie linéaire : atténuation et dispersion

• Théorie non linéaire :Théorie non linéaire : interaction entre le milieu et les signaux – produit <densité de puissance x longueur d’interaction> élevé

Effet Kerr(SPM, XPM, FWM)

Diffusion Brillouin (SBS) Diffusion Raman (SRS)

Non-linéarités

…… fs ps ns µs ms

SPM

SBS

SRS

durée del’impulsion

effet

Interactions élastiques (n dépend de t)

Interactions inélastiques

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Effets non linéaires et seuil Effets non linéaires et seuil d’apparitiond’apparition

Type NomLargeur

impulsionPcrête seuil

(*)Effet sur le

signal

KERRréponse quasi-

instantanée du milieu

Automodulation de phase

SPM0,1 – 10 ps

Qq 10aines W/m

Déformation du spectre

Mélange à quatre ondes

FWM-

< Pcrête seuil SRS si accord de phase

DIFFUSION

échange d’énergie avec le milieu

Diffusion Brillouin stimulée

SBS

10 ns – 10 µs Qq W/m

Déformation temporelle, limitation de

l’énergie

Diffusion Raman

stimuléeSRS

1 ns – 1 psQq 100aines

W/m

Limitation de la cohérence des

sources(*) Valeurs typiques pour une fibre de diamètre de mode 60-80 µm2

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• But: But: Obtenir une puissance crête > 1 kW en minimisant l’influence des effets NL et en préservant la cohérence de la source

• Le signal d’entrée :Le signal d’entrée :o Longueur d’onde : 1060 nm utilisation de FDG dopées Yb3+

o Largeur à mi-hauteur < 0.2 nm amplification d’une source à spectre étroit

o Durée d’impulsion : 2 nso Taux de répétition : 3-30 MHz

o Puissance moyenne : ~1 mW (crête 150 mW)

• A 1µm, fibres SM surfaces de mode ~ 20-40 µmA 1µm, fibres SM surfaces de mode ~ 20-40 µm22

seuils des effets NL rabaissés d’un facteur 2 à 4.o SBS (impulsion < 10 ns)o SPM possible (impulsion > 100 ps)

o SRS possible

• Stratégie à priori :Stratégie à priori : o Pompage à 977 nmo Faible longueur de FDG dopée Yb3+

Amplification d’un signal spectralement Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (1)fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (1)

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•Résultats expérimentauxRésultats expérimentauxo Pas de limitation due au SBS : observation du signal en contra-propagationo Limitation forte due au SRS dans une fibre monomode pour ~ qqs 100 W crête: Architecture non optimisée

• Psortie = 0,27 kW spectre de gain

de la silice pure

• Psortie = 0,59 kW déclenchement

du SRS dans la fibre dopée Yb3+

spectre de gain modifié

• Psortie = 0,76 kW pic de gain

Raman d’ordre 21050 1075 1100 1125 1150 1175 1200

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Puis

sanc

e (d

Bm)

Longueur d'onde (nm)

Pcrête

= 0,11 kW P

crête= 0,27 kW

Pcrête

= 0,59 kW P

crête= 0,76 kW

Laserp= 1060

nm = 2 ns

frep = 3 MHz

FiltreASE

Pré-amplificateur

Fibre, 2 m D = 6,6 µm

Pin= 0,1 W

Fibre dopée Yb3+ , 7 m,SM, D=6.6 µm

Amplification d’un signal spectralement Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (2)fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (2)

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•Résultats expérimentauxRésultats expérimentaux Apparition d’un élargissement spectral par effet Kerr dès l’étage de préamplification (dès qq 10aines de W crêtes) si le choix de la source est non optimisé

1047.5 1048.75 1050 1051.25 1052.5-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0 2NS-3-1.txt (03-09-22/13:35) 2NS-3-2.txt (03-09-22/13:34)

Ou

tpu

t p

ow

er (

dB

m)

Wavelength (nm)

Puissance crête: <40W

Puissance crête : <140W

Amplification d’un signal spectralement Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (3)fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (3)

Exemple: source Fabry-Perot avec réseau de Bragg en cavité externef=3MHz = 2nsD= 6.6µm

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Amplification d’un signal Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, spectralement fin (2 ns, >1.7 kW,

1060 nm) (4)1060 nm) (4)

Largeur à mi-hauteur : 0.375nm Largeur à mi-hauteur : 0.1nm

Source 1:Source 1:Fabry-Perot avec réseau de Bragg placé en cavité externeFWHM < 0.2nm

Source 2:Source 2:Laser en cavité externeFWHM < 0.2nm

Puissance crête > 1.3kWDiamètre de cœur 13 µm

1059,0 1059,5 1060,0 1060,5 1061,0 1061,5 1062,0

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 Après amplification Source

<0.1nm

<0.1nm

Inte

nsi

té (

u.a

.)

Longueur d'onde (nm)

Puissance crête < 900WDiamètre de cœur : 15 µm

1049,0 1049,5 1050,0 1050,5 1051,0 1051,5 1052,0

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

<0.2nm

~0.375nm

Après amplification Source

Inte

nsi

té (

u.a

.)

Longueur d'onde (nm)

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Analyse :Analyse :-Influence des effets NL:

SBS SRS amplification sur fibre MM Effet Kerr : minimisation élargissement spectral par effet Kerr

Source à spectre étroitAmplification sur fibre MM ° densité d’énegie °seuil des effets NL autorise ° longueur fibre dopée si besoin

-Choix de la source primordiale

Amplification d’un signal spectralement Amplification d’un signal spectralement fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (5)fin (2 ns, >1.7 kW, 1060 nm) (5)

Architecture d’amplificateur optimiséeArchitecture d’amplificateur optimisée tenant compte des effets NL tenant compte des contraintes de disponibilité des composants (pompage 920nm)

Isolateur Isolateur

FDG dopée Yb3+ FDG dopée Yb3+

13/[130x150]µm

FC/APC

5m

975nmVSP

920nm1060nm

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1040 1065 1090 1115 1140-100

-80

-60

-40

-20

0 3MHz 30MHz

Raman

Pu

issa

nce

(d

Bm

)

Longueur d'onde (nm)

Amplification d’un signal spectralement Amplification d’un signal spectralement fin (2ns, >1.7kW, 1060nm) (6)fin (2ns, >1.7kW, 1060nm) (6)

Résultats:Résultats:- >10W moyen avec une efficacité optique >75% (>14% électrique) pour l’étage booster pour une puissance crête > 1.7kW- Pureté spectrale de la source conservée avec > 80% de Ptotale dans 1nm autour de la longueur d’onde centrale. La largeur à mi-hauteur restant <0.2nm

- Pas de remontée gênante de la SRS (SNR > 28dB)

0 2 4 6 8 10 12 14

0

2

4

6

8

10

12

Pu

issa

nce

mo

yen

ne

tota

le (

W)

Puissance de pompe (W)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

Pu

issa

nce

crê

te (

kW)

1057 1058 1059 1060 1061 1062 1063 1064-50

-40

-30

-20

-10

0

10

700W crête

36W crête

Pui

ssan

ce (d

Bm

)Longueur d'onde (nm)

1057,9 1059,15 1060,4 1061,65 1062,9

0

2

4

6

8 Ppeak>1.7kW

<0.2nm

Pui

ssan

ce (u

.a.)

Longueur d'onde (nm)

25-27 octobre 2004 JNOG’04, Paris 13

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Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives

• Amplification de sources très cohérentes:Amplification de sources très cohérentes:– Nécessité d’augmenter le seuil d’effets NL diminuer la

densité d’énergie (fibre à large cœur, faible ouverture numérique i.e. plus grand diamètre de mode)

– Maximiser le gain/m : fibre à cœur très dopé.

• Amplification en régime d’impulsionsAmplification en régime d’impulsions– Apparition d’effets non linéaire dès <100 W crête en

amplification à 1 µm (SPM)

– La minimisation de ces effets passe par une sélection de la nature de la source à amplifier.