EMISSION MULTI LONGUEURS D`ONDE PAR

EMISSION MULTI LONGUEURS D’ONDE PAR CASCADE RAMAN DANS UNE FIBRE
OPTIQUE DE CHALCOGENURE
Nicolas Ducros, Georges Humbert, Sébastien Février
Institut de recherche XLIM, UMR CNRS n°6172, 123 avenue Albert Thomas, 87060 Limoges cedex
[email protected]
RESUME
Une fibre de chalcogénure est utilisée pour une émission multi-longueurs d’onde
autour de 1550 nm par cascade Raman. Quatre ordres Stokes sont obtenus à partir d’un
pompage à 1550 nm. L’obtention de ces quatre ordres Stokes est due au fort gain
Raman du verre As2S3 ainsi qu’à la très forte dispersion normale du matériau à la
longueur d’onde de travail. Une partie théorique traite de l’amélioration des paramètres
de la fibre pour une meilleure conversion Raman.
MOTS-CLEFS : OPTIQUE NON LINEAIRE, DIFFUSION RAMAN STIMULEE, FIBRE
CHALCOGENURE.
1. INTRODUCTION
Certaines applications du domaine militaire nécessitent une émission laser à des longueurs d’onde
du proche infrarouge, notamment dans les bandes de transmission de l’atmosphère situées entre 2 et
2,2 µm (bande I) d’une part, et 4,5 et 4,8 µm (bande II) d’autre part. Les lasers fibrés, peu sensibles
aux vibrations, légers et potentiellement de faible coût, constituent une solution attractive.
Actuellement, les lasers fibrés sont fondés sur des fibres silice dans le cœur desquelles sont dilués
des ions optiquement actifs de terre rare. Cependant, la silice n’est pas transparente pour des
longueurs d’onde supérieures à 2,2 µm et les raies lasers sont fixées par les transitions radiatives des
ions de terre rare. Une solution fibrée fondée sur des fibres non silice et émettant en l’absence
d’ions terre rare pourrait constituer une solution attractive pour l’émission en bande I et II. Une
grande transparence dans le proche et moyen infrarouge des verres de chalcogénure à base de
souffre et d’arsenic, ainsi que des propriétés non linéaires très intéressantes rendent l’utilisation de
ces verres attractive. La conception et la réalisation de sources à partir de cascades Raman dans des
domaines spectraux non couverts par la silice pourraient être obtenues. Ce matériau (As2S3) possède
un gain Raman 90 fois supérieur à celui de la silice (gr = 5,7x10-12 m/W [1]). Cette étude porte sur la
diffusion Raman stimulée (SRS) pour une émission multi-longueurs d’onde dans le proche
infrarouge. Le zéro de dispersion du verre As2S3 étant proche de 4.5 µm, la diffusion Raman est
l’effet non linéaire prédominant jusqu’à cette longueur d’onde dans le cas d’une fibre à saut
d’indice (dispersion de guide négligeable). Récemment la SRS a été utilisée dans une fibre As2S3
afin de convertir un rayonnement de pompe à 1,55 µm vers 1,867 µm [1] sans toutefois atteindre la
bande I. De plus il a été montré que la SRS permet d’atteindre la bande I par conversion de
fréquence dans une fibre de silice pompée à 1,55 µm [2], l’obtention de longueurs d’onde
supérieures étant limitée par l’absorption infrarouge de la silice. Dans cet article, nous proposons
l’étude de l’effet Raman dans une fibre de chalcogénure pompée à 1550 nm en régime
nanoseconde.
2. CARACTERISATION NON LINEAIRE
Une fibre de chalcogénure a été fabriquée par le FORC de l’Académie des Sciences de Russie par la
méthode du double creuset. Elle présente un diamètre de cœur de 10 µm, une ouverture numérique
de 0,2 et une longueur de 3 m. Ces paramètres entraînent un comportement multimode (fréquence
spatiale normalisée V = 4,05).
Le montage expérimental utilisé pour la génération d’une cascade Raman dans une fibre de
chalcogénure est représenté sur la figure 1. Une source laser fibrée émettant à 1550 nm, de durée
d’impulsion 3,2 ns, de fréquence de répétition 140 kHz est collimatée puis injectée à l’aide d’un
objectif de microscope x16 dans la fibre. Le signal issu de la fibre est collimaté par une
microlentille et analysé spectralement par un système de détection infrarouge. Ce système est
composé d’un monochromateur et d’un détecteur PbSe refroidi thermo-électriquement. Un système
de détection synchrone est ajouté à ce système de détection pour maximiser le rapport signal sur
bruit.
Fibre As2S3, L=3m
Système de détection
IR
Keopsys
Ȝ 1550 nm, IJ = 3,2 ns, f = 140 kHz
Microlentille
de collimation
Objectif x 16
Lentille de collimation
Fig. 1 : Montage expérimental pour la mesure de génération Raman
dans une fibre de chalcogénure
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
1500
1
Pe = 220 mW
Pe = 334 mW
Pe = 411 mW
1600
1700
1800
1900
2000
Longueur d'onde /nm
Fig. 2 : Spectres mesurés en sortie de fibre
pour différentes puissances moyennes injectées
Ps /unité arbitraire
Ps /unité arbitraire
Les spectres obtenus sont présentés sur la figure 2. Nous pouvons également tracer l’évolution de la
puissance de pompe et de la puissance des 4 ordres Stokes en fonction de la puissance moyenne en
entrée de fibre.
Pompe
Stokes 1
Stokes 2
Stokes 3
0.8
0.6
0.4
0.2
0
140
240
340
Puissance moyenne de pompe /mW
Fig. 3 : Evolution des puissances de pompe et des
différents Stokes en fonction de la puissance injectée
dans la fibre
Le rendement d’injection est estimé à 84 %. Ce rendement est calculé en tenant compte des
réflexions sur les faces d’entrée et de sortie de la fibre ainsi que des pertes linéiques (estimées à
1dB/m). Le spectre mesuré permet d’observer 4 ordres Stokes décalés de 360 cm-1 de leur pompe
respective (ΔAs2S3 = 345 cm-1). Nous constatons un bon transfert d’énergie de la pompe vers le
Stokes 1 puisque la différence de niveau entre les deux raies spectrales est de 4,25 dB. Cependant,
au cours de la propagation, en raison du caractère multimode, certains modes existants ne génèrent
pas de SRS, ce qui explique la non déplétion des différentes pompes. Une fibre de plus grande
longueur et monomode à la longueur d’onde de pompe permettra un meilleur transfert d’énergie et
l’apparition d’ordres Stokes élevés. L’autre facteur limitant l’apparition d’ordres Stokes élevés est
la faible intensité seuil de dommage du verre As2S3 évaluée à 1,28 GW/cm2. Cette valeur est en
accord avec celle donnée par Kulkarni et al [1]. L’évolution des puissances des différents ordres
Stokes en fonction de la puissance injectée est représentée sur la figure 3. L’effet de seuil pour les
ordres 2 et 3 est bien visible Le seuil du Stokes 2 est d’environ 140 mW tandis que le Stokes 3
présente un seuil de 230 mW. Une tendance oscillatoire est à noter, elle peut être attribuée au
caractère multimode de la fibre.
3. SRS : ETUDE THEORIQUE
La SRS est un effet non linéaire basé sur un échange d’énergie entre une molécule (ou groupe de
molécules) et une onde optique.
L’évolution des amplitudes des champs électriques de pompe et Stokes est régie par les équations
couplées suivantes [3] :
dAp =−α p Ap − G0 Ap As1 + N s1 Ap 2
(1)
dz
2
2
(
dAsi =−α si Asi + G0 npλp Asi −12( Asi + N si Asi −1 )− Asi Asi +1 + N si +1 Asi 2
dz
2
2 nsiλi
)
(2)
dAsN =−α sN AsN + G0 npλ p As N −1 2(AsN + N sN AsN −1)
(3)
dz
2
2 nsN λN
où z est l’axe de propagation, Asi et Ap sont les amplitudes des champs électriques liés aux ondes
Stokes et pompe, G0 est le gain Raman défini par G0 = gr/Aeff, nsi et np sont les indices de réfraction
aux longueurs d’onde Stokes et pompe, Įs et Įp sont les pertes linéiques et Nsi correspond à
l’amplitude de l’émission spontanée dans le matériau. N est l’indice du dernier Stokes calculé. La
fibre modélisée est une fibre que nous envisageons de faire réaliser au FORC. Son diamètre de cœur
est égal à 2,9 µm et son ouverture numérique vaut 0,2. Ces paramètres conduisent à un caractère
monomode à la longueur d’onde de pompe. Dans cette configuration, les pompes (pompe et Stokes
1, 2 et 3) seront converties intégralement comme le montrent les figures 4 et 5 au bout de 3 m de
fibre.
60
Pompe
Stokes 1
Stokes 2
Stokes 3
Stokes 4
25
Ps /W
40
Ps /W
30
Pompe
Stokes 1
Stokes 2
Stokes 3
Stokes 4
50
30
20
15
20
10
10
5
0
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Z /m
Fig. 4 : Evolution des puissances pompe et Stokes
en fonction de z pour P pompe = 60 W
0
10
20
30
40
Puissance de pompe /W
50
60
Fig. 5 : Evolution des puissances pompe et
Stokes en fonction de la puissance de pompe
en L = 3 m
CONCLUSION
En conclusion, grâce à un zéro de dispersion très éloigné de la longueur d’onde de pompage
(très forte dispersion normale), la génération Raman dans une fibre chalcogénure est possible à
1550 nm. Un caractère monomode à la longueur d’onde de travail (d = 2,9 µm) permettrait
d’accroître le transfert d’énergie entre les différents ordres Stokes successifs. Cette étude est une
étude préliminaire dans le but de concevoir et réaliser des sources laser dans le moyen infrarouge et
notamment dans les bandes I et II. La prochaine étape sera la réalisation ainsi que la caractérisation
de la fibre modélisée. Une autre étape consistera en la caractérisation non linéaire de la fibre utilisée
dans la première partie en pompant celle-ci à l’aide de sources émettant dans l’infrarouge moyen.
Nous remercions grandement le Fiber Optics Research Center de l’Académie des Sciences de
Russie pour la fabrication de la fibre présentée dans cet article.
RÉFÉRENCES
[1] O. P. Kulkarni et al, "Third order cascaded Raman wavelength shifting in chalcogenide fibers and
determination of Raman gain coefficient," Opt. Express 14, 7924-7930 (2006).
[2] P. T. Rakich et al., “Efficient mid-IR spectral generation via 4th order cascaded-Raman amplification “,
CLEO US (2008).
[3] S. Yiou, et al, "Stimulated Raman scattering in an ethanol core microstructured optical fiber," Opt.
Express 13, 4786-4791 (2005).