l`émission laser par diffusion brillouin stimulée dans les

THÈSE NO 1740 (1997)
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
PRÉSENTÉE AU DÉPARTEMENT D'ÉLECTRICITÉ
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES TECHNIQUES
PAR
Ingénieur en microtechnique diplômé EPF
originaire de Sursee (LU)
acceptée sur proposition du jury:
Prof. Ph. Robert, directeur de thèse
Prof. B.Y. Kim, corapporteur
Prof. R.-P. Salathé, corapporteur
Dr L. Thévenaz, corapporteur
Prof. M. Tur, corapporteur
Lausanne, EPFL
1997
L'émission Laser par diffusion BriLLouin stimuLée
dans Les fiBres optiques
Alain KÜNG

L'Žmission laser
par diffusion Brillouin stimulŽe
dans les fibres optiques
RŽsumŽ-Abstract
Avant-propos
Table des mati•res
Curriculum vitae

i
Résumé
Parmi les diverses sources de diffusion figure la diffusion Brillouin spontanée, qui résulte
de l'interaction entre la lumière et les ondes acoustiques d'origine thermique se propageant dans
le milieu. A partir d'une certaine intensité lumineuse, l'interférence entre la lumière incidente et
la fraction de lumière ainsi rétrodiffusée, appelée onde Stokes, est capable par le biais de
l'électrostriction de générer une onde acoustique, qui à son tour diffuse la lumière incidente et
renforce l'intensité de la lumière rétrodiffusée. La mise en équation de ce processus de diffusion
Brillouin stimulée montre que ce transfert d'énergie de l'onde incidente à l'onde Stokes est
formellement équivalente à un gain optique et permet donc d'obtenir une émission laser. Dans le
cas des fibres optiques, les caractéristiques spectrales de ce gain Brillouin dépendent non
seulement du type de fibre utilisé, mais aussi de la température et des contraintes qui lui sont
appliquées.
Une émission laser stable et continue n'est obtenue qu'à l'aide d'une rétroaction, qui peut
être réalisée grâce à un résonateur en anneau. Il est alors primordial de bénéficier d'une
caractérisation précises de ces résonateurs, et une nouvelle méthode, basée sur la diffusion
Rayleigh dans l'anneau à fibre mesurée par un réflectomètre optique, a été développée lors de ce
travail.
Lorsque la puissance de l'onde incidente injectée à la cavité en anneau, appelée onde de
pompe, est augmentée, l'intensité de l'onde Stokes s'accroît pour à son tour jouer le rôle de
pompe et génère une onde Stokes du deuxième ordre. Suivant ce schéma, une multitude de
d'ordres Stokes peuvent être obtenue. A partir des équations du gain Brillouin et de celles de la
cavité en anneau, un modèle dépendant uniquement de l'intensité de l'onde de pompe permet de
trouver les expressions du seuil et de l'intensité de chaque onde Stokes générée. Les critères
pour l'obtention d'un seuil minimal ainsi que les considérations de rendement et de
comportement en température sont abordés, et étayés par des mesures réalisées sur différents
lasers Brillouin en anneau.
Cependant, la modélisation du laser Brillouin basée uniquement sur l'intensité des ondes
optiques circulant dans l'anneau est incomplète, car le gain Brillouin dépend de l'interférence
entre l'onde de pompe et l'onde Stokes. L'analyse des modes propres de polarisation de
l'anneau en fonction de sa biréfringence permet de connaître en tout point la polarisation
respective de l'onde de pompe et de l'onde Stokes pour en déterminer leur "efficacité de