LASERS MULTI-LONGUEUR D`ONDE À FIBRE DOPÉE À L

JEAN-NOEL MARAN
LASERS MULTI-LONGUEUR D’ONDE À FIBRE DOPÉE
À L’ERBIUM UTILISANT UN DÉCALEUR DE
FRÉQUENCE DANS LA BOUCLE DE CONTRE
RÉACTION
Thèse de doctorat en cotutelle présentée
à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval
dans le cadre du programme de doctorat en Génie électrique
pour l’obtention du grade de Philosophiae Doctor (Ph.D.)
DÉPARTEMENT DE GÉNIE ÉLECTRIQUE ET DE GÉNIE INFORMATIQUE
FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE
UNIVERSITÉ LAVAL, QUÉBEC
et
LABORATOIRE D’OPTRONIQUE- ENSSAT
UNIVERSITÉ DE RENNES I
LANNION, FRANCE
pour l’obtention du grade de Docteur de l’Université de Rennes I
2005
© Jean-Noel Maran, 2005

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RÉSUMÉ COURT
Cette thèse de doctorat porte sur l’investigation théorique et sur la réalisation de lasers à fibre
optique dopée à l’erbium utilisant un décaleur de fréquence dans la boucle de contre réaction pour
obtenir une émission multi-longueurs d’onde. L’étude concerne, en particulier, trois régimes
d’émission : modes déclenchés passif, modes bloqués actif et continu. Nos travaux de recherche
démontrent que la physique de ces régimes est rendue singulière par l’utilisation du décaleur de
fréquence dans la cavité.
Ces travaux de doctorat ont permis de réaliser une source délivrant 17 longueurs d’onde
couvrant toute la bande C et émettant en régime continu. En utilisant une méthode novatrice
d’écriture de réseaux de Bragg, nous avons été capables d’obtenir une platitude du spectre de sortie
meilleure que 3 dB. Cette source a été alors mise à contribution pour la mesure de la dispersion
chromatique d’un lien de fibre optique permettant ainsi d’obtenir une méthode de mesure rapide,
précise et répétable.
Une autre contribution importante de cette thèse de doctorat concerne la proposition, la
réalisation et l’investigation théorique d’une source fortement multi-longueur utilisant l’erbium
comme milieu de gain et émettant en régime de modes bloqués actif. L’utilisation du décaleur de
fréquence et d’un modulateur électro-optique nous a permis d’obtenir une source laser émettant
suivant 25 longueurs d’onde en régime de modes bloqués actif simultanément. Le taux de répétition
du train d’impulsion délivré par chacune de ces longueurs d’onde était égale à 10 GHz et l’obtention
d’un produit ∆ν.∆τ proche de la limite théorique dénote la bonne qualité des impulsions.
Enfin une investigation numérique de ce type de laser a permis de mettre en lumière un
nouveau type de régime d’émission en modes déclenchés. Nous démontrerons que ce régime
impulsionnel est dû à une redistribution de l’énergie au sein du spectre et non à une modulation de
l’amplitude des pertes de la cavité.

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RÉSUMÉ LONG
Disposer d’une source laser émettant sur plusieurs bandes spectrales peut s’avérer d’une grande
utilité non seulement pour des applications de capteur ou de spectroscopie mais aussi dans le cadre des
télécommunications optiques. Dans ce dernier cas, il peut s’agir, par exemple, de systèmes à accès
multiple par répartition de code (CDMA) ou à multpliplexage en longueur d’onde (WDM) ayant des
taux de transmission supérieurs ou égaux à 40 Gbits/s.
Les cavités laser utilisant les fibres dopées à l’erbium comme milieu de gain présentent de
nombreux avantages. Nous pouvons citer, à titre d’exemple, un coefficient de gain petit signal très
important, la possibilité d’obtenir des cavités plus stables car toutes fibrées ou bien le fait que la bande
spectrale d’émission de ces lasers correspond à celle utilisée par l’industrie des télécommunications
optiques. Malheureusement, l’ion erbium fournit un gain à élargissement majoritairement homogène,
empêchant ainsi la réalisation de sources multi-longueurs d’onde à température ambiante.
Récemment, une technique prometteuse, permettant d’obtenir une émission multi-longueurs d’onde
stable à température ambiante et basée sur l’utilisation d’un décaleur de fréquence dans une cavité
laser classique a été proposée. Nos travaux de recherche ont trait à l’étude expérimentale et à
l’investigation théorique des sources laser multi-longueur d’onde utilisant un décaleur de fréquence
dans la boucle de contre-réaction.
Dans un premier temps, nous identifierons les différents régimes d’émission de ce laser. Selon
les paramètres de la cavité, ce laser peut émettre suivant trois régimes d’émission : modes bloqués
passif, continu et modes déclenchés passif. Une analyse minutieuse du régime de modes déclenchés a
permis de démontrer que sa dynamique était très différente de celle d’un régime de modes déclenchés
classique ce qui justifiait une analyse théorique et numérique. Cette dernière a aboutit à la conclusion
que l’origine de ce régime n’était pas due à une modulation d’amplitude des pertes de la cavité, mais
qu’il s’agissait plus sûrement d’une redistribution de l’énergie à l’intérieur du spectre. Cette

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redistribution est induite par l’utilisation du décaleur de fréquence et d’un réseau de Bragg comme
dispositif de sélection des bandes spectrales.
Nous illustrons que l’ajout d’un décaleur de fréquence dans une cavité laser en change
complètement la physique. Ces propos sont justifiés par l’analyse du régime d’émission continue et du
régime d’émission en modes bloqués actif. En effet, dans le cas du régime continu, nous démontrerons
que cette cavité laser n’est pas à même d’entretenir une structure modale clairement définie ce qui est
le cas pour une cavité laser classique. Cependant, malgré cette nature inhabituelle de l’émission laser,
nous avons été capables d’obtenir une source délivrant 17 longueurs d’onde couvrant toute la bande C
et émettant en régime continu. Cette source a ensuite été utilisée afin d’obtenir une méthode de
mesure de la dispersion chromatique d’un lien de fibre optique, simple, précise et répétable.
Enfin, dans le cas du régime de modes bloqués actif, l’utilisation du décaleur de fréquence et
d’un modulateur électro-optique permet d’obtenir une source laser fortement multi-longueur d’onde.
De plus, une analyse théorique permettra de démontrer de fortes différences physiques entre ce
régime et un régime de modes bloqués actif classique. Ce régime est une contribution importante de
cette thèse de doctorat. En effet, la réalisation d’un laser utilisant un décaleur de fréquence et un
modulateur électro-optique a permis d’obtenir une source émettant sur plus de 25 bandes spectrales
en régime de modes bloqués simultanément. C’est la première démonstration de ce type de source,
utilisant l’erbium comme milieu de gain. Cette démonstration ouvre ainsi la porte à des applications
pour ce type de laser comme transmetteur dans les systèmes de communication optique ayant des taux
de transmission supérieurs ou égaux a 40 Gb/s.