Développement d`une source VECSEL bi-fréquence pour

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Thèse présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Paris-Est
Spécialité : Physique
par
Léa Chaccour
Ecole Doctorale : SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT
Développement d’une source VECSEL bi-fréquence
pour la mesure de l’effet brillouin dans les fibres
optiques
Thèse soutenue le 23 Septembre 2016 devant le jury composé de :
M. Patrice Chatellier
Directeur de recherche, IFSTTAR-MLV
Directeur de thèse
M. Aghiad Khadour
Chargé de recherche, IFSTTAR-MLV
Co-encadrant
M. Razvigor Ossikovski
Professeur chargé de cours, LPICM
Rapporteur
M. Abdelhamid Kellou
Professeur des universités, USTHB
Rapporteur
M. Xavier Marie
Professeur des universités, INSA- Toulouse
Examinateur
Mme. Sophie Bouchoule
Chargée de recherche, CNRS-LPN
Examinatrice
M. Jean-louis Oudar
Docteur émérite, CNRS-LPN
Invité
Mme. Anne-laure Billabert
Chargée de recherche, CNAM
Invité

Remerciement
Cette thèse est le fruit d’une collaboration entre l’IFSTTAR et le laboratoire LPN-CNRS, où
j’ai effectué le travail expérimental. Les travaux de thèse n'auraient pu aboutir sans la
contribution de plusieurs personnes.
Je tiens tout d’abord à remercier Mme Sophie Bouchoule pour son accueil, son encadrement
scientifique, son soutien, sa patience et son encouragement au cours de ces trois ans. Outre
les acquis scientifiques j’ai appris avec Sophie la patience et la logique.
Je tiens également à remercier les membres de jury, M. Razvigor Ossikovski et M.
Abdelhamid Kellou pour m’avoir fait l’honneur d’accepter de rapporter ce travail, ainsi que
M. Xavier Marie pour avoir accepté le rôle d'examinateur. Je remercie de même Mme Anne-
Laure Billabert et M. Jean-Louis Oudar. Je n’oublie pas le directeur de ma thèse M. Patrice
Chatellier.
Je souhaite également exprimer mes remerciements au directeur scientifique délégué de
l’IFSTTAR M. Jean-Luc Clément, je n’oublie pas l’école doctorale SIE de l’université Paris-
Est, notamment Mme Cécile Blanchemanche et M. Denis Duhamel pour leur aide et leur
disponibilité.
Je souhaite exprimer ma gratitude à M. Guy Aubin et M. Kamel Merghem pour m’avoir prêté
leur analyseur de spectre électrique, et les autres instruments qui ont été indispensables pour
réaliser les mesures de la dérive du battement fréquentiel et de la FWHM. Un sincère merci à
Mme Joëlle Guitton qui gère l’administration au LPN-CNRS. Je remercie aussi M. Yannick
Olivier, M. Sébastien Le Baut et M. Olivier Benaud pour avoir aidé aux développements de
mes différents setups au LPN-CNRS. Je n’oublie pas les agents du service informatique au
LPN.
Je pense notamment à tous mes collègues à l’IFSTTAR : Laura, Janelle, Ha, Elias, Pierre…
qui ont été tous d’une très agréable compagnie. Je remercie aussi Gonzague Six, Jean-Luc
Bachelier, Sylvie Koudoukouho…. de l’IFSTTAR. Je n’oublie pas mes collègues au
laboratoire LPN-CNRS : Ahmad, Vivek, Vishnu… Merci également à tous mes amis
extérieurs au campus pour l’ambiance exceptionnelle qu’ils ont apportée durant ma période
de préparation doctorale – je n’oublie pas Mireille.
Un grand merci à mes parents pour leur soutien pendant les moments difficiles, surtout à mon
frère Youssef qui a été une source constante de motivation et de persévérance et à qui cette
thèse est dédiée.
J’ai fait tout mon possible pour n’oublier personne dans ces remerciements. Si je n’ai pas
réussi dans cette tâche, que les absents sachent que j’ai eu plaisir à les rencontrer.

Résumé
Ce travail de thèse concerne la réalisation d’une source VECSEL bi-fréquence émettant à
1550 nm pour les capteurs à fibres optiques à base de l’effet Brillouin. Nous présentons la
conception et la réalisation de la source VECSEL bi-fréquence. Nous comparons les
caractéristiques de notre source réalisée avec les spécifications visées pour la source à utiliser
dans un capteur sur fibre optique fondé sur l’effet Brillouin.
Mots clés : VECSEL bi-fréquence, capteurs à fibres optiques, laser à semi-conducteur,
rétrodiffusion Brillouin.
Dans un premier temps, nous avons testé les structures VECSELs fabriquées dans le but de
sélectionner la structure la plus performante pour notre système final. La structure
sélectionnée délivre en cavité plan-concave simple une puissance de sortie ~200 mW avec
une évacuation de chaleur à travers le miroir de Bragg et le substrat.
L’objectif est de réaliser un VECSEL bi-fréquence avec une différence de fréquence proche
de la fréquence Brillouin dans une fibre optique, νB ~11 GHz. Après une analyse du principe
utilisé pour l’obtention d’un VECSEL bi-fréquence, nous avons calculé l’accordabilité du
décalage fréquentiel pouvant être obtenue selon plusieurs méthodes (rotation du cristal
biréfringent intra-cavité, variation de la température du cristal biréfringent, et variation de la
longueur de cavité). Nous avons observé qu’une accordabilité grossière (de l’ordre du GHz)
pourrait-être assurée avec la rotation de la lame biréfringente alors qu’une accordabilité plus
fine (de l’ordre du MHz) pourrait être assurée avec la variation de la température du cristal
ainsi que la variation de la longueur de cavité.
Nous avons ensuite démontré la possibilité de réaliser une émission bi-fréquence avec nos
structures semi conductrices. Les premières expériences ont montré une émission instable,
mais la stabilité (observée avec un analyseur de spectre optique de résolution ~1 GHz) a pu
être améliorée en optimisant la table optique utilisée. Un meilleur contrôle de la stabilité de
l’émission bi-fréquence a aussi été obtenu avec une diode de pompe monomode transverse
qui a permis une meilleure focalisation du spot de pompe pour l’excitation du mode
fondamental de cavité. La puissance de sortie du VECSEL en émission bi-fréquence a été
étudiée et comparée aux spécifications visées pour le capteur. Nous avons conclu qu’une
puissance de sortie de 50 mW pouvait être obtenue en optimisant la réflectivité du miroir de
sortie ainsi que la fonction de filtre et l’intervalle spectral libre de l’étalon Fabry-Pérot. Nous
avons aussi comparé la stabilité de l’émission bi-fréquence pour différentes valeurs du
recouvrement spatial entre les deux modes orthogonaux de cavité. Une émission bi-fréquence
stable (mesurée avec une résolution de 1 GHz) a pu être observée avec un coefficient de
recouvrement spatial allant de 0% à 70%. Pour finir, des mesures plus fines du signal de
battement ont été réalisées dans le domaine électrique. Nous avons mesuré une largeur de raie
de 200 kHz du signal de battement. En cavité non-asservie, le signal de battement présentait
une dérive ou gigue temporelle estimée à ~1 MHz/min.