Verrouillage en phase passif d`un réseau de 4 amplificateurs fibrés

VERROUILLAGE EN PHASE PASSIF D’UN RESEAU DE 4 AMPLIFICATEURS FIBRES
POUR UNE RECOMBINAISON EN CHAMP LOINTAIN
Julien Guillot, Jérôme Lhermite, Agnès Desfarges-Berthelemot, Vincent Kermène et Alain
Barthélémy
XLIM, UMR CNRS 6172, 123 avenue A. Thomas, 87060 Limoges Cedex, France
[email protected]
RESUME
Nous présentons le verrouillage passif des phases d’un réseau de quatre amplificateurs
à fibre dans un laser en anneau. La boucle de rétroaction est constituée d’une fibre
unimodale dont l’extrémité, placée dans le champ lointain des quatre émetteurs, réalise
un filtrage spatial intracavité pour produire un faisceau combiné dont le lobe central
transporte la majeure partie de la puissance.
MOTS-CLEFS : laser à fibre ; combinaison cohérente ; filtrage spatial.
1. INTRODUCTION
Les progrès réalisés ces dernières années dans le domaine des lasers à fibre ont permis
d’atteindre des puissances dépassant aujourd’hui le kilowatt avec des faisceaux proches de la limite
de diffraction [1,2]. Cependant, cette montée en puissance est bridée par le seuil de dommage de la
silice ainsi que par les non linéarités engendrées. La combinaison cohérente en champ lointain de
plusieurs sources apparaît alors comme la solution pour atteindre les puissances ultimes avec des
faisceaux brillants. Les rayonnements provenant de plusieurs émetteurs disposés en parallèle
peuvent être ainsi verrouillés en phase et superposés en champ lointain afin d’obtenir un faisceau
d’une plus grande brillance.
Dans ce papier, nous présentons une nouvelle technique de verrouillage passif des phases
d’un ensemble d’émetteurs disposés en parallèle pour une combinaison cohérente des rayonnements
en champ lointain. L’architecture proposée présente des similitudes avec celle mise en œuvre pour
la combinaison active puisqu’elles conduisent toutes les deux à l’émission de multiples faisceaux
cophasés [3]. Avec le procédé que nous avons développé, les phases des émetteurs s’auto-ajustent
grâce à un filtrage spatial intra cavité et une boucle de rétroaction tout optique. L’extrémité d’une
fibre optique unimodale, placée dans le champ lointain des émetteurs, prélève le rayonnement
provenant d’une cellule spatiale transportant une unique information de phase pour la redistribuer
vers l’ensemble des amplificateurs. Cette technique est une synthèse de travaux précédents sur les
cavités à transformées de Fourier [4] et les résonateurs lasers interférométriques auto organisés
[5,6]. Comme dans les cavités à transformée de Fourier, la relation de phase entre les différents
émetteurs est fixée par un filtrage spatial du champ lointain où les faisceaux élémentaires interfèrent
entre eux. Les fréquences lasers s’auto-ajustent pour satisfaire les conditions de résonance malgré
les différences de chemin optique entre les bras amplificateurs.
2. DISPOSITIF EXPERIMENTAL
Le montage expérimental est représenté sur la Fig. 1. Un ensemble de coupleurs 50:50 permet
d’alimenter de manière identique les quatre amplificateurs à fibre dopée erbium (FDE). Les quatre
fibres dopées de 6 mètres de long chacune sont pompées par des diodes lasers émettant à 980 nm et
délivrant une puissance de 120 mW (DL). Les sorties de ces quatre amplificateurs à fibre sont
soudées à des fibres lentillées placées dans des encoches en V dont la périodicité est de 140 µm. Le
diamètre de mode de ces fibres est de 70 µm, assurant ainsi un taux de remplissage en champ
proche de 50%. Des contrôleurs de polarisation permettent d’optimiser l’addition des rayonnements
en champ lointain. De plus, un isolateur optique impose une direction unique de propagation dans la
Amplificateurs et Lasers à fibre IIMa2.1
68JNOG, Lannion 2008

cavité. Afin d’éviter d’éventuelles réflexions dans la cavité, toutes les sorties non utilisées des
coupleurs sont clivées en angle (CA). La cavité est fermée par un miroir prismatique qui réfléchit
4% de la puissance incidente vers la fibre de collection (FC). Le reste de la puissance intra cavité est
extraite grâce à ce miroir et constitue la sortie du laser. La lentille L3 réalise une transformée de
Fourier du champ présent à son foyer objet (Plan P1’). Celui-ci correspond à une image agrandie du
plan comprenant les extrémités des fibres lentillées (plan P1). Dans le plan focal image de cette
lentille (plan P2) tous les faisceaux élémentaires interfèrent pour afficher le spectre de fréquences
spatiales de la sortie des émetteurs. Les focales des lentilles L1, L2 et L3 (f1=8 mm, f2=100 mm,
f3=50 mm) ont été choisies afin d’ajuster (dans une dimension) la taille du lobe central de la figure
de diffraction au mode de la fibre de collection.
FIG. 1 : Dispositif expérimental. MUX : multiplexeur en longueur d’onde, CA : clive en angle, FDE : fibre
dopée erbium, DL : diode laser, C : coupleur fibré, CP: contrôleur de polarisation, FC : fibre de collection, S :
séparatrice, PA : préamplificateur.
Le spectre de fréquences spatiales est ainsi filtré par cette fibre de collection. Ce
prélèvement de signal alimente donc tous les amplificateurs avec la même information de phase
conduisant au verrouillage des phases des différents émetteurs. La structure de champ qui s’établit
dans le plan de l’extrémité de la fibre de collection est celle qui présente les pertes minimales, c'est-
à-dire celle pour laquelle l’intégrale de recouvrement entre le champ lointain et le mode de la fibre
est maximale. Le spectre du laser composite est constitué des coïncidences des modes longitudinaux
des lasers élémentaires. Celles-ci évoluent dans le temps en raison des variations de chemins
optiques dues aux perturbations environnementales. Ces glissements de coïncidences permettent de
maintenir les faisceaux verrouillés en phase.
3. RESULTATS EXPERIMENTAUX
Les quatre amplificateurs élémentaires délivrent une puissance moyenne de 200 mW à
1561 nm. Le champ lointain de la Fig. 2 est fidèle au champ théorique résultant de la superposition
des quatre faisceaux de poids identiques en phase.
60 80 100 120 140 160 180 200
Intensité
X (u,a)
FIG. 2 : Champ lointain résultant de la superposition des 4 faisceaux verrouillés en phase et profil associé.
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Le fort contraste (proche de 100%) montre l’efficacité de cette technique de combinaison
cohérente. Celui-ci est obtenu en ajustant les états de polarisation des faisceaux élémentaires. La
brillance du faisceau de sortie peut être améliorée en augmentant d’une part le nombre d’émetteurs
mais aussi en améliorant le taux de remplissage de la pupille en champ proche.
La Fig. 3 compare le spectre relevé en sortie du laser composite (b) avec celui d’un laser
élémentaire (a). Elle met en évidence un élargissement et une structuration du spectre d’émission du
laser composite. Cette structuration évolue dans le temps permettant d’avoir une figure
d’interférence stable. En effet, la puissance contenue dans le lobe central subit des fluctuations de
seulement r1,3%. Il convient de noter que l’analyseur de spectre utilisé présente une résolution de
0,07 nm qui ne permet pas de visualiser les modes longitudinaux de la source.
1559 1560 1561 1562 1563 1564 1565 1566
-80
-75
-70
-65
-60
-55
-50
-45
Amplitude (dB) (u,a)
Longueur d'onde (nm)
1559 1560 1561 1562 1563 1564 1565 1566
-80
-75
-70
-65
-60
-55
-50
-45
Amplitude (dB) (u,a)
Longueur d'onde (nm)
a) b)
FIG. 3 : Densités spectrales de puissance émises a) par un laser élémentaire, b) par le laser à 4 émetteurs.
Le pointé du faisceau laser de sortie peut être modifié en déplaçant la fibre de collection le
long d’un axe perpendiculaire aux franges d’interférences. Le dépointé maximum est donné par une
translation de la fibre de collection égale à l’écart entre deux lobes principaux de la figure
d’interférence. Ces résultats, réalisés avec quatre amplificateurs à fibre de faible puissance,
montrent l’efficacité et la flexibilité de la boucle de rétroaction tout optique.
4. CONCLUSION
En conclusion nous avons démontré une nouvelle technique passive de combinaison
cohérente de lasers à fibre. Le procédé de verrouillage des phases s’effectue grâce à un filtrage
spatial intracavité de la figure de diffraction associé à une boucle de rétroaction tout optique. La
combinaison cohérente de tous les émetteurs étant uniquement réalisée en champ lointain, cette
technique est adaptée aux applications de fortes puissances.
REFERENCES
[1] V. Gapontsev et col., “2 kW CW ytterbium fiber laser with record diffraction-limited brightness,”
proceeding CLEO Europe, CJ1-1-THU,2005.
[2] Limpert et col., “Extended single-mode photonic crystal fiber lasers,” Opt. Expr., vol. 14, p 2715-2720,
2005.
[3] J. Abderegg et col., “Coherntly coupled high power fiber arrays,” proceeding of SPIE, 6102, 6102-U,
2006.
[4] M. Tondusson et col., “ Coherent combination of four lasers beams in a multi-axis Fourier cavity using a
diffractive optical element,” J. Opt. A : Pure Appl. Opt., 3, p 521-526, 2001.
[5] A. Shirakawa et col. “Coherent addition of fiber lasers by use of a fiber coupler,” Opt. Expr., vol. 10, p
1167, 2002.
[6] D. Sabourdy et col. “Efficient coherent combining of widely tunable fiber,” Opt. Expr., vol. 11, p 87-90,
2003.
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