Description du modulateur acousto-optique

Description du modulateur acousto-optique

L’indice de réfraction d’un milieu optique peut être modifié par la propagation d’une onde acoustique. Cet effet, nommé effet acousto-optique, est à l’origine de plusieurs composants actifs.

Un dispositif acousto-optique se compose généralement d’un élément piézo-électrique permettant de générer une onde acoustique de fréquence fs, d’un cristal acousto-optique et d’un absorbant acoustique (figure 1.1). En se propageant à l’intérieur du matériau optique, l’onde acoustique modifie les propriétés du milieu, dont l’indice de réfraction du cristal et crée un réseau d’indice de période Λ=vs/fs. Sur le bord opposé à l’élément piézo-électrique, un absorbant sonore est inséré empêchant le réseau d’indice de s’établir de manière stationnaire au sein du cristal. Une onde lumineuse incidente pénétrant le dispositif voit donc une partie de son énergie diffractée par le réseau dans la direction θ et l’autre partie transmise dans la direction de l’onde incidente.

Interaction entre la lumière et l’onde acoustique 

Cette partie sera consacrée à la description de l’interaction entre une onde acoustique et une onde lumineuse à l’intérieur d’un matériau acousto-optique. L’objectif est de présenter l’approche théorique permettant d’obtenir le champ transmis et non de faire une description rigoureuse des phénomènes physiques présents au sein du cristal. Ceci nous permettra d’établir deux propriétés essentielles des dispositifs acousto-optiques : la condition de Bragg et le décalage en fréquence. Enfin, nous terminerons cette présentation en évoquant de manière succincte quelques applications de cet effet.

Champs transmis par un dispositif acousto-optique 

Dans un premier temps, il s’agit d’étudier l’interaction entre une onde acoustique plane et une onde optique. Une onde acoustique plane se propageant dans la direction positive de l’axe x peut être définie de la manière suivante :

A 0 (x,t)=A cos(Ωt-qx), (1.1)

où A0 représente l’amplitude de l’onde, Ω=2πfs, la fréquence angulaire et q=2π/Λ, le nombre d’onde. Cette onde acoustique, en se propageant à l’intérieur d’un cristal acousto-optique, entraîne une modification de l’indice de réfraction du matériau, qui  devient fonction de la perturbation. Cette variation d’indice reste faible et nous pouvons généralement le développer en série de Taylor autour A=0 [1].

Lorsqu’une onde optique se propage dans un milieu dont l’indice de réfraction est une structure périodique, elle est soumise au phénomène de la diffraction. L’optique classique nous donne une description simple et visuelle de la diffraction . Pour calculer les caractéristiques du champ en sortie d’un réseau de diffraction, il faut tout d’abord calculer la déviation infinitésimale de l’onde incidente en divisant le cristal étudié en de nombreuses sections perpendiculaires à la direction de propagation de l’onde sonore . Pour obtenir l’expression de l’onde diffractée en sortie du dispositif, on somme l’ensemble des champs élémentaires calculés pour chaque section.

Applications des dispositifs acousto-optique 

Les éléments acousto-optiques ont tout d’abord été utilisés pour la modulation des ondes lumineuses. En effet, l’intensité de la lumière diffractée est proportionnelle à l’intensité de l’onde acoustique. Donc, en modulant l’onde acoustique à l’aide d’une variation du signal électrique commandant le piézo-électrique, il est possible de faire varier l’intensité du signal optique en sortie du modulateur. Comme nous le verrons dans les paragraphes suivants, les premiers lasers émettant en régime de modes déclenchés ont été réalisés à l’aide de modulateurs acousto-optiques.

Une autre propriété de l’effet acousto-optique, utilisée pour la réalisation de composant optique, est la dépendance de l’angle de diffraction avec la fréquence du signal acoustique. Cette caractéristique permet la réalisation de déflecteurs de faisceau laser que l’on trouve par exemple lors de spectacles visuels. Cette propriété est aussi employée dans le domaine des télécommunications optiques, pour le développement de routeurs optiques, qui dirigent spatialement l’information transportée suivant différent canaux optiques. Les routeurs acousto-optique sont des dispositifs simples et très utiles pour la distribution de l’information vers les usagers.

Enfin, la condition de Bragg a permis le développement de filtres accordables acoustooptiques. En effet, selon (1.9) l’angle de Bragg dépend de la longueur d’onde lumineuse et du pas du réseau acousto-optique. Si θi est fixé, il est possible d’obtenir une sélection en longueur d’onde en faisant varier le pas du réseau acoustique (  λ=2Λsinθ ). On obtient alors un filtre dont on peut faire varier la longueur d’onde centrale. Les applications de ce type de filtre sont nombreuses et variées. On citera le domaine des télécommunications optiques pour lequel ce type de filtre permet de rendre les réseaux reconfigurables ou encore le domaine des lasers où ce filtre est l’élément de base de sources accordables.

Cavité laser utilisant les propriétés d’amplitude 

Comme nous l’avons énoncé dans le paragraphe précédent, les dispositifs acousto optiques sont couramment utilisés dans les cavités lasers. On recense principalement deux applications : la réalisation de sources accordables et la mise en œuvre de lasers impulsionnels émettant en régime de modes déclenchés actif2. Les lasers accordables utilisent la caractéristique de sélectivité en longueur d’onde par variation de la fréquence acoustique. En ce qui concerne les sources lasers impulsionelles, c’est la propriété de diffraction qui est utilisée. Dans ce paragraphe, nous allons présenter le fonctionnement général de ces modulateurs acousto optiques pour ces deux systèmes lasers. Il est à noter que d’autres technologies sont disponibles pour réaliser des sources accordables ou impulsionelles. Nous allons dans les paragraphes suivants mettre en avant les avantages d’une technologie s’appuyant sur des composants acousto-optiques.

Les lasers accordables 

Une source accordable est un laser dont on peut sélectionner la longueur d’onde d’émission dans une plage spectrale donnée. Les applications de ces sources sont nombreuses comme par exemple la spectroscopie et la caractérisation de composants optiques tels que des filtres. Ainsi, à l’aide de sources accordables, on peut aisément obtenir la réponse spectrale d’un dispositif en mesurant simplement la puissance de sortie en fonction de la longueur d’onde.

Afin d’obtenir une émission laser ayant une fréquence accordable, plusieurs technologies ont été développées. La technique la plus courante, car utilisée dans des systèmes commerciaux[2], est l’emploi d’un réseau de diffraction placé sur un étage de rotation. En permettant au réseau d’effectuer une rotation, il est alors possible de sélectionner la longueur d’onde suivant les lois de diffraction d’un réseau optique. La théorie de la diffraction prévoit que l’angle du (des) faisceau(x) diffracté(s) (en sortie du réseau) est relié à l’angle d’incidence ainsi qu’à la longueur d’onde du champ optique. Cependant, cette technologie souffre d’un manque de précision et de reproductibilité, car elle utilise un élément mécanique : l’étage de rotation. Une alternative intéressante est l’utilisation d’éléments acousto-optiques et notamment de filtres accordables acousto-optiques. L’angle de Bragg étant fixé, la variation du pas du réseau par l’intermédiaire de la fréquence de l’onde acoustique permet d’obtenir une accordabilité sur une plage de longueur d’onde conséquente.

L’accordabilité a été démontrée à l’aide de plusieurs technologies lasers. Le premier laser de ce type a été réalisé en utilisant un laser à colorant en 1971 par Taylor[3], qui utilisait un filtre accordable développé en 1969 par Harris[4]. La plage d’accordabilité était de 78 nm pour une variation de la fréquence acoustique comprise entre 58.2 et 45 MHz. De nos jours, les principales technologies utilisées pour la réalisation de sources accordables aux longueurs d’onde de l’industrie des télécommunications optiques sont celles du semi-conducteur et des fibres dopées aux terres rares.

Lasers émettant en régime de modes déclenchés

ien que les filtres acousto-optiques offrent plusieurs avantages dans la réalisation de sources laser accordables, il n’existe pas à notre connaissance de source commerciale utilisant cette technique. Cependant, les dispositifs acousto-optiques sont les éléments de base dans la réalisation des sources lasers émettant en régimes de modes déclenchés. Puisque le régime de modes déclenchés est basé sur la modulation des pertes de la cavité, le modulateur acousto-optique s’est imposé comme une solution performante pour effectuer cette modulation. Les principaux avantages des dispositifs acoustooptiques résident dans leurs temps de commutation rapides et un contrôle électronique du taux de répétition.

Durant une période ∆t, les pertes de la cavité sont suffisamment importantes pour qu’aucun signal laser ne puisse se développer au sein de la cavité. L’absence de signal dans la cavité permet une augmentation conséquente du gain. Puis à un instant t, les pertes sont amenées à un niveau inférieur à celui du régime stationnaire. Une impulsion de très forte amplitude se construit alors jusqu’à ce que le milieu ne puisse plus fournir l’inversion de population nécessaire pour entretenir ce niveau de signal. Une manière simple de schématiser ce régime est d’imaginer que le laser est périodiquement allumé et éteint, l’interrupteur couramment utilisé est un modulateur acousto-optique.

Des sources émettant en régime de modes déclenchés ont été réalisées en utilisant de nombreuses technologies laser, comme les milieux de gain à état solide, les semi-conducteurs, les colorants ou les fibres optiques dopées aux terres rares. Toutes ces solutions utilisent des éléments acousto-optiques pour la modulation des pertes. Le travail de recherche est très souvent focalisé sur l’amélioration de la durée et de la puissance crête des impulsions lumineuses plutôt que sur la conception d’un nouveau dispositif de modulation des pertes. Nous présentons à titre d’exemple une solution utilisant une fibre optique dopée à l’erbium comme milieu de gain[10].

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1
I.1 Introduction
I.2 Description du modulateur acousto-optique
I.2.1 Interaction entre la lumière et l’onde acoustique
a) Champs transmis par un dispositif acousto-optique
b) Condition de Bragg
c) Décalage en fréquence
I.2.2 Applications des dispositifs acousto-optique
I.3 Cavité laser utilisant les propriétés d’amplitude
I.3.1 Les lasers accordables
I.3.2 Lasers émettant en régime de modes déclenchés.
I.4 Cavité laser utilisant un décaleur de fréquence dans la boucle de contre-réaction
I.4.1 Lasers émettant en régime de modes bloqués passif
I.4.2 Laser multi-longueurs d’onde émettant en régime continu
a) Description succincte du fonctionnement de ces lasers
b) Travaux antérieurs
I.5 Conclusion
I.6 Bibilographie
CHAPITRE 2
II.1 Introduction
II.2 Laser à fibre dopée : aspects technologiques
II.2.1 Dopage aux terres rares, ion erbium
II.2.2 Les cavités fibrées
a) Cavité Fabry-Perot : ondes stationnaires
b) Cavités en anneaux : ondes progressives
II.2.3 Filtres spectraux : réseaux de Bragg fibrés
a) Concepts fondamentaux
b) Montages d’écriture
c) Inventaire des différents type de réseaux
d) Filtres Fabry-Perot fibrés
II.3 Laser à fibre dopée: aspects physiques
II.3.1 Milieu de gain Erbium: description élémentaire
a) Élargissement spectral de la transition
b) Systèmes à trois niveaux
c) Les sections efficaces d’absorption et d’émission
II.3.2 Milieu de gain: modélisation
a) Modèle théorique d’un amplificateur à fibre dopée erbium
b) Simulations numériques des deux fibres dopées erbium
c) Configuration utilisant un double pompage
II.4 Conclusion
II.5 Bibliographie
CHAPITRE 3
III.1 Introduction
III.2 Principe de fonctionnement d’un laser utilisant un décaleur de fréquence
III.2.1 Description de la cavité
III.2.2 Spécificités de l’utilisation d’un décaleur de fréquence
a) Obtention d’un régime multi-longueurs d’onde
b) Point de fonctionnement d’un laser à décalage de fréquence permanent
III.3 Démonstration de l’émission laser
III.3.1 Identification des paramètres
a) Le seuil laser
b) Discrimination spectrale
III.3.2 Mesures expérimentales
a) Montage expérimental
b) Mesure du seuil
c) Mesure de la largeur à mi-hauteur du spectre
III.4 Définition des régimes d’émission du laser
III.4.1 Caractérisation élémentaire en configuration mono longueur d’onde
III.4.2 Cartographie des régimes d’émission du laser.
III.5 Conclusion
III.6 Bibliographie
CHAPITRE 4
IV.1 Introduction
IV.2 Investigations expérimentales
IV.3 Formalisme théorique du régime de modes déclenchés
IV.3.1 Approximations et simplifications du problème
IV.3.2 Modèle d’ondes propagatives
IV.3.3 Modèle point
IV.4 Résolution numérique du système d’équations
IV.4.1 Simplification du système d’équations
IV.4.2 Méthode de résolution numérique
IV.4.3 Validation du processus numérique
a) Simulation des résultats expérimentaux publiés par Chandonnet et al.
b) Premières simulations d’une cavité laser utilisant un décaleur de fréquence dans la boucle de contre réaction
IV.5 Analyse du régime en modes déclenchés
IV.5.1 Premières investigations
IV.5.2 Origine de la dynamique du régime de modes déclenchés
a) Détermination de l’origine du régime pulsé
b) Description de la dynamique du régime de modes déclenchés
c) Discussion
IV.6 Transition entre le régime d’émission continue et le régime d’émission pulsée
IV.6.1 Investigations expérimentales
IV.6.2 Analyse numérique
a) Évolution du régime d’émission en fonction du courant de pompe pour une cavité utilisant un réseau de Bragg
b) Évolution du régime d’émission en fonction du courant de pompe pour une cavité utilisant un filtre Fabry-Perot
c) Influence de la largeur à mi-hauteur du filtre sur le régime d’émission du laser
d) Discussion
IV.7 Conclusion
IV.8 Bibliographie
CHAPITRE 5
V.1 Introduction
V.2 Étude des propriétés spectrales du laser
V.2.1 Concept de la structure modale chirpée
V.2.2 Concept du laser sans modes
V.2.3 Étude de la structure modale en cavité froide
a) Concepts fondamentaux
b) Étude d’une cavité froide incorporant un décaleur de fréquence
V.2.4 Discussions
V.3 Réalisation d’un laser multi-longueurs d’onde couvrant toute la bande C
V.3.1 Technique d’écriture de réseaux intra-cavité
a) Montage d’écriture
b) Protocole expérimental
V.3.2 Résultats expérimentaux et discussion
a) Résultats expérimentaux
b) Discussion
V.4 Mesure de la dispersion chromatique d’un lien optique
V.4.1 Introduction
V.4.2 Mesure de la dispersion chromatique
a) Dispositif expérimental
b) Détermination de la dispersion chromatique
V.4.3 Discussion
V.5 Conclusion
V.6 Bibliographie
CHAPITRE 6
VI.1 Introduction
VI.2 Revue Bibliographique
VI.2.1 Rappels des formats de codage
VI.2.2 Laser utilisant les semi-conducteurs comme milieu de gain
a) Configuration laser utilisant une modulation directe du gain
b) Configuration laser utilisant une modulation externe
VI.2.3 Laser utilisant la fibre dopée à l’erbium comme milieu de gain
a) Solutions intuitives
b) Solutions utilisant des décalages temporels
VI.3 Réalisation d’un laser multi-longueurs d’onde en régime de modes bloqués actif
VI.3.1 Description de la cavité laser
VI.3.2 Résultats expérimentaux
VI.3.3 Amélioration des caractéristiques de la source
a) Augmentation de la puissance de sortie du laser
b) Amélioration des caractéristiques temporelles de la source
c) Montage expérimental
d) Résultats expérimentaux
VI.3.4 Discussion
a) Importance du décaleur de fréquence
b) Structure modale du régime de modes bloqués
c) Uniformité du train d’impulsions
d) Fréquence de modulation
VI.4 Investigations théoriques
VI.4.1 Modèle gaussien analytique
a) Description du modèle gaussien
b) Utilisation du modèle gaussien pour l’étude de la cavité laser
VI.4.2 Discussion
VI.5 Investigations numériques
VI.5.1 Description du modèle numérique
a) Approximations et validité du modèle
b) Description du modèle
c) Présentation du modèle
d) Méthode numérique
VI.5.2 Résultats numériques
VI.5.3 Discussion
VI.6 Conclusion
VI.7 Bibliographie
CONCLUSION

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