Pratique de l`optoélectronique et des hyperfréquences

Travaux pratiques
Pratique de l’optoélectronique
et des hyperfréquences
HMEE319
Table des matières
TP1&2 : Amplificateur & lasers à fibre optique dopée erbium 1
TP3 : Popriétés Spectrales des Diodes Laser 7
TP4 : Simulation Numérique des Amplificateurs Optiques 15
TP5 : Gyroscope à fibre optique 23
DEPARTEMENT D'ENSEIGNEMENT
ELECTRONIQUE - ELECTROTECHNIQUE - AUTOMATIQUE

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TP1&2
Amplificateur & lasers à fibre optique dopée
erbium
Sécurité
Vous travaillez dans le cadre de ces travaux pratiques avec des lasers infrarouges (1550 nm
et 980 nm), ces lasers peuvent être dangereux en cas de vision directe et prolongée du faisceau.
Par précaution, évitez de regarder la sortie de la fibre optique lorsque le laser est allumé.
Consignes
•Gardez propres les extrémités des fibres optiques.
•Prenez soin des fibres optiques, évitez toute courbure de rayon inférieur à quelques cm,
évitez toute pression sur la fibre optique même gainée.
•Prenez soin des connecteurs optiques : maintenez le connecteur par les parties métal-
liques autant que possible (ne tirez surtout pas sur la fibre optique).
•Répondez aux questions théoriques indiquées par le symbole avant la séance.
•Nous vous conseillons l’utilisation du logiciel gratuit Open Office (installé en TP).
Attention : Les diodes laser craignent les pics de courant (risque de les détruire !). Pour éviter
cela, il faut utiliser correctement les boitiers d’alimentation :
•Pour alimenter une diode laser, allumez d’abord le bouton "LINE" en bas à gauche
du panneau avant de l’alimentation, puis appuyez sur le bouton "ON". Ensuite vous
pouvez ajuster et moduler le courant, l’alimentation protège la diode de tout effet
transitoire indésirable pour la diode.
•Pour éteindre la diode laser, il faut faire l’opération exactement inverse : appuyez
d’abord sur le bouton "ON", et ensuite seulement sur le bouton "LINE".
Notez que les diodes laser que vous utilisez en TP sont d’une fiabilité éprouvée (ce sont
des lasers télécom garantis pour fonctionner plus de 10 ans en continu), leur destruction ne
pourrait provenir que d’une mauvaise manipulation de votre part.
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1 Caractérisation de l’amplificateur
Dans ces travaux pratiques (TP), vous allez réaliser un laser à fibre optique dopée erbium.
Dans un premier temps, vous allez succinctement étudier le milieu amplificateur, l’étude fine
de l’amplificateur étant menée dans un autre TP. La figure 1 montre les niveaux énergétiques
de l’erbium dans le cas d’un ion isolé, ainsi que dans un cas environné, par exemple lorsqu’il
est incorporé dans une fibre de silice. L’utilisation typique de ce dopant pour les systèmes de
télécommunication consiste à exciter les électrons de l’état fondamental 4I15/2 vers l’état 4I11/2
à l’aide d’un pompage à 980 nm. Le temps de vie de ce niveau étant très court (quelques µs),
les électrons sont rapidement désexcités vers le niveau métastable 4I13/2 dont la durée de vie
est typiquement de 10 ms. Les transitions correspondant aux émissions spontanée et amplifiée
sont la désexcitation spontanée ou stimulée du niveau 4I13/2 vers le niveau 4I15/2.
Energie [x103], cm-1
0
15
20
10
5
0,54
0,66
0,80
0,98
1,53
Longueur d’onde, µm
4I15/2
4I13/2
4I11/2
4I9/2
4F9/2
4S3/2
2H11/2
Isolé Environné
1,53 µm
1,55 µm
FIGURE 1 – Niveaux énergétiques de l’erbium dans les cas d’un ion isolé ou environné.
Question 1.1 : Pompage de l’erbium
En utilisant le diagramme énergétique de l’erbium, proposez une autre longueur d’onde
permettant de pomper l’erbium afin de bénéficier d’une amplification autour de 1550 nm.
Question 1.2 : Niveaux énergétiques de l’ion isolé versus environné
Quel phénomène explique la différence entre les niveaux énergétiques de l’ion isolé de ceux
de l’ion environné ?
Le montage amplificateur que vous utiliserez est présenté Fig. 2. Le milieu amplificateur est
une fibre dopée erbium pompée par un laser de pompe émettant autour de 980 nm. Une petite
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portion du signal de pompe (1%) est prélevée à l’aide d’un coupleur 99/1 afin de mesurer cette
puissance de pompage. Le signal de pompe traverse ensuite un multiplexeur 980 / 1550 nm,
pompe la fibre optique de longueur 10 m (environ), puis le résidu de pompe est séparé du
signal par un démultiplexeur 980 / 1550 nm. Une fois pompée, la fibre erbium émet un si-
gnal issu de l’émission spontanée amplifiée (1520–1560 nm). Ce signal est séparé du signal de
pompe aux deux extrémités de la fibre dopée erbium à l’aide des multiplexeurs.
Diode laser
de pompage
à 980 nm
out
RAYONNEMENT LASER
NE PAS REGARDER
DANS LE FAISCEAU
APPAREIL A RAYONNEMENT
LASER DE CLASSE 3R
JDS Uniphase
Multiplexeur
980/1550
Fibre dopée
erbium
980/1550 980/1550
980
1550
Multiplexeur
980/1550
980
1550
Coupleur
99/1
FIGURE 2 – Système de pompage de la fibre optique dopée erbium.
Dans un premier temps, vous allez calibrer les puissances optiques de pompe et de signal.
Ces mesures sont importantes car elles seront utilisées tout au long de ce TP !
Question 1.3 : caractérisation de la diode pompe
a) Polarisez la diode pompe avec un courant de 100 mA et observez son spectre optique
avec une extension spectrale de 100 nm puis 5 nm, commentez.
b) Supposant un indice de 3,3 dans la cavité laser, estimez la longueur de cavité.
c) En utilisant l’analyseur de spectre optique, mesurez la puissance de la diode pompe en
fonction du courant de polarisation, en veillant à ne pas dépasser 200 mA. Pour cette ques-
tion, vous mesurerez la puissance totale de la pompe (intégrée sur le spectre) en utilisant la
mesure proposée dans le menu Analysis de l’analyseur de spectre optique.
d) Tracez le P(i)du laser pompe en utilisant unités et échelles linéaires, et commentez.
Question 1.4 : caractérisation de la puissance signal injectée
L’amplificateur optique étant dimensionné pour amplifier de faibles signaux, nous utilise-
rons un atténuateur optique en sortie du laser pour toutes les mesures.
b) Observez maintenant le spectre optique du laser émettant à 1550 nm en le polarisant à
75 mA, et en ayant pris soin d’ajouter l’atténuateur optique 10 dB, puis commentez.
c) Supposant un indice de 3,3 dans la cavité laser, estimez la longueur de cavité.
d) Toujours à l’aide de l’analyseur de spectre optique, mesurez la puissance du laser en
fonction du courant de polarisation, en veillant à ne pas dépasser 100 mA. La mesure sera
effectuée en relevant la valeur en dBm du maximum de puissance du spectre laser (pour
une résolution donnée qui sera relevée). Vous tracerez le P(i)en utilisant unités et échelles
linéaires.
Par la suite, nous placerons un isolateur optique entre la sortie de l’atténuateur optique
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