Étude d`un laser à modes synchronisés accordable en longueur d

Étude d’un laser à modes synchronisés accordable en
longueur d’onde dans une cavité fortement dispersive
Mémoire
Jean Filion
Maîtrise en Physique
Maître ès sciences (M.Sc.)
Québec, Canada
© Jean Filion, 2013

Résumé
Les travaux décrits dans ce mémoire portent sur l’étude d’un laser à fibre impulsionnel ac-
cordable en longueur d’onde. La majorité des lasers accordables actuels utilisent des pièces
mécaniques pour réaliser la sélection de la longueur d’onde laser. Le schéma décrit dans
ce mémoire est basé sur un contrôle purement électronique de la fréquence d’émission ; la
fréquence laser est accordée en insérant une ligne dispersive dans une partie de la cavité
à l’air libre et en opérant le laser en régime de synchronisation modale active. Le modula-
teur d’amplitude produisant la synchronisation modale est activé par un train d’impulsions
électriques ; la cadence de ces impulsions règle la fréquence de l’émission laser. La ligne dis-
persive est constituée d’une paire de réseaux de diffraction qui introduisent une dispersion
anomale importante. Le milieu laser est une fibre dopée à l’erbium qui fournit un gain sur
une plage spectrale s’étalant de 1500 nm à 1600 nm. Des dispositifs interférométriques ont
été insérés dans la partie à l’air libre afin de simuler une modulation périodique du délai et
des pertes pour un trajet dans la cavité en fonction de la fréquence laser.
Nous avons déterminé la relation entre la puissance laser et la puissance pompe ainsi que la
sensibilité à l’alignement de la paire de réseaux. Le laser a été accordé sur une plage conti-
nue allant de 1524 nm à 1564 nm. Des caractéristiques de la cavité ont été analysées, dont
la dispersion induite par la paire de réseaux ainsi que la forme et la durée des impulsions
émises. Le réglage du signal de modulation électrique permet une accordabilité rapide de
la fréquence laser et l’ajustement de la durée des impulsions entre 40 et 100 ps. En insérant
un interféromètre de Gires-Tournois, nous avons constaté l’impact d’une modulation du dé-
lai en fonction de la fréquence optique sur l’accordabilité du laser. L’accordabilité n’est plus
continue, mais elle ressemble à un escalier comportant des sauts plutôt réguliers. Cette mo-
dulation a aussi un impact négatif sur la puissance crête, la forme et la durée de l’impulsion
qui ne sont plus stables dans le temps. Nous présenterons une solution qui corrige ces insta-
bilités par une optimisation du signal électrique de modulation, dont la durée doit descendre
à quelques centaines de picosecondes ou moins.
iii

Table des matières
Table des matières v
Liste des tableaux vii
Liste des figures ix
Introduction 1
1 Les lasers à fibre : Un bref aperçu 7
1.1 Introduction...................................... 7
1.2 Lasers à fibre accordables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Fibre amplificatrice dopée à l’erbium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2 Synchronisation modale active avec une cavité dispersive : considérations théo-
riques 15
2.1 Modèle du laser à modes synchronisés avec dispersion . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Accordabilité d’un laser à synchronisation modale active muni d’un milieu
dispersif ........................................ 21
2.3 Solitons et compression solitonique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4 Dispersion induite par une paire de réseaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5 Effet physique d’une composante interférométrique . . . . . . . . . . . . . . . 28
3 Montage expérimental et caractérisation des composantes 35
3.1 Description des composantes fibrées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4 Modélisation d’un laser à synchronisation modale active muni d’une cavité dis-
persive 45
4.1 Représentation schématique de la cavité laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2 Description de la cavité laser modélisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3 Limitationsdumodèle................................ 51
4.4 Résultatsnumériques................................. 52
5 Résultats expérimentaux pour un laser accordable muni d’une cavité dispersive 71
5.1 Sélection spectrale et régime impulsionnel stable . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2 Sélection spectrale et régime impulsionnel
avec composantes interférométriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
A Modulateur d’amplitude 91
v