Montée en puissance des lasers à fibres

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Journées de l’optique – Réseau Optique et Photonique
9/10/07 - 11/10/07
Montée en puissance des lasers à
fibres : Etat de l’art et perspectives
P. Bourdon (ONERA/DOTA/SLS)

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Plan
1) Les lasers à fibres
- historique,
- l’optique guidée et ses principes physiques,
- intérêt des lasers à fibres.
2) Montée en puissance des lasers à fibres
- performances atteintes par les lasers à fibres,
- les composants clés pour la montée en puissance des lasers à fibres,
- la problématique de la montée en puissance,
- exemples de réalisation de lasers à fibres de puissance,
- défaut principal des lasers à fibres.
3) Combinaison de lasers à fibres
- techniques de couplage incohérent de lasers,
- techniques de couplage cohérent de lasers,
- combinaison cohérente de lasers à fibres par contrôle actif de la phase.
4) Perspectives
- montée en puissance de chaînes MOPA fibrées,
- combinaison de lasers à fibres.
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Historique des lasers à fibres
2002 : Fin du "boom" des télécommunications
par fibres optiques
1990 : Développement des EDFA et des
télécommunications par fibres optiques
Réduction des pertes à 0,16 dB/km
1982 :
Réalisation de fibres optiques en silice
avec des pertes de 20 dB/km
1970 :
Réalisation de la première fibre optique
en silice, pertes = 1000 dB/km
1966 :
Idée de réaliser un guide d'onde
électromagnétique cylindrique = fibre
1910 :
Démonstration du guidage de la lumière
dans une fine couche d'eau
1870 :
Bragg (père et fils) = Prix Nobel de
physique sur la diffraction des rayons X
dans des cristaux
1915 :
Idée de réaliser une structure périodique
tridimensionnelle à bandes interdites
photoniques (Yablonovitch)
1987 :
Réalisation de la première fibre optique
microstructurée
1996 :
Très nombreuses équipes étudiant les
fibres optiques microstructurées
2001 :

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Le guidage par réflexion totale interne
lumière
n1
n2
Fibre optique
n1< n2
Guide d'onde plan
lumière
n1
n2
Cristal photonique
n1n2n1
n1< n2
Fibre optique microstructurée
n1
n2
Guidage par réflexion totale interne modifiée
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Intérêt des sources laser fibrées
• Rendement à la prise maximisé
• Pompage par diode laser souvent possible
• Longueur du milieu actif (au minimum 1 m) + confinement
de la lumière dans la fibre efficacité optique optimale
• Gestion de la thermique facilitée
• Longueur du milieu actif répartition progressive de la
puissance de pompe absorbée
• Longueur du milieu actif surface d’échange thermique
accrue)
• Très bonne qualité de faisceau potentielle
• Confinement dans la fibre filtrage spatial du faisceau
• Compacité, tenue à l'environnement (climatique,
vibrations), alignement robuste
• Système tout fibré pas de désalignement, compacité
(fibre enroulée + fort rendement à la prise)

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Performances atteintes en continu
Dopage Yb : pompe : 920 - 980 nm, émission : 1000 - 1100 nm
-1,96 kW, efficacité 68 %, M² < 1,2
-1,36 kW, efficacité 83 %, M² = 1,4 (longueur fibre = 12 m)
-1,3 kW, efficacité 60 %, M² < 3
-633 W, efficacité 67 %, M² < 1,2, polarisé linéairement (longueur fibre = 6,5 m)
- 264 W, efficacité 68 %, M² < 1,1, polarisé linéairement, ∆ν
∆ν∆ν
∆ν < 60 kHz
Dopage Er - Yb : pompe : 920 - 980 nm, émission : 1500 - 1600 nm
-100 W, M² < 1,1, polarisé linéairement, ∆ν
∆ν∆ν
∆ν < 4 nm (≈
≈≈
≈500 GHz)
-103 W, efficacité 30 %, M² = 2
-87 W, efficacité 27 %, M² < 1,7 (longueur fibre = 4 m)
Dopage Tm - Yb : pompe : 920 - 980 nm, émission : 1900 - 2100 nm
-75 W @ 2,04 µm, efficacité 32 %, M² = 1,3
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1
er
composant clé pour la montée en puissance : la fibre
double gaine
Guidage par l'indice de l'onde lumineuse laser dans le cœur de la fibre :
-cœur dopé = milieu laser amplificateur (silice dopée Ge pour accroître son indice), Φ
ΦΦ
Φ= 2 µm
-gaine interne = guide pour l'onde de pompe (silice non dopée), Φ
ΦΦ
Φ= 100 µm
-gaine externe = polymère bas indice, Φ
ΦΦ
Φ= 200 µm
Fibre à gaine simple
(simple-clad)
r
n
r
n
Fibre à double gaine
(double-clad)
onde laser
onde pompe

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2
ème
composant clé pour la montée en puissance : la fibre
optique microstructurée
K. Furusawa, A. Malinowski, J.H.V. Price, T.M. Monro et al., Optics Express 9 9 (13) (2001) – Univ. Southampton
J. Knight, T. Birks, B. Mangan and P.St.J. Russell, Optics and Photonics News (March 2002) – Univ. Bath
Fibre optique double gaine à cœur dopé Yb : Fibre optique à cristaux photoniques
à cœur creux :
AVANTAGE = SECONDE GAINE EN SILICE TRES RESISTANTE THERMIQUEMENT
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Un des problèmes de la montée en puissance : le
pompage efficace de la fibre (1/2)
Pompage par le côté de la fibre :
Difficulté = coupler de fortes puissances sans pertes, si possible en "tout fibré"
Structure VSP de pompage d ’un amplificateur
forte puissance par KEOPSYS
Entaille en V
Fibre double gaine
Substrat de verre
Micro-lentille
ruban large
diode laser
2 mm
VSP
VSP
®
®
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