Département d'électricité

L'émission laser par diffusion Brillouin stimulée dans les fibres optiques

Küng, Alain ; Robert, Philippe Alain (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1997 ; no 1740.

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    Summary
    Among all scattering processes, spontaneous Brillouin scattering originates from the interaction between light and thermal acoustic waves propagating in the medium. The interference resulting from the incident light and its spontaneously backscattered fraction generates an acoustic wave through the electrostriction process, which in turns also scatter the incident light and reinforce the backscattered intensity. It appears throughout the equations of this stimulated process that this energy transfer from the incident light to the backscattered light is formally equivalent to an optical gain that can be used to obtain a laser emission. In optical fibers, the spectral characteristics of this Brillouin gain not only depend on the fiber type, but also on temperature and applied strain. Continuous and stable Brillouin laser operation is obtained using high quality fiber ring resonators. Since precise characterization of those resonators is of key importance, a new method based on the analysis of Rayleigh backscattering within the fiber ring resonator using an optical time domain reflectometer has been developed in the present work. By increasing the incident pump intensity, the Stokes wave increases and in turns act as a pump to create a second order Stokes wave. That way multiple Stokes orders can be generated. Using both Brillouin gain and ring cavity equations, a model depending only on the pump intensity has been established. It allows evaluation of the threshold and the intensity of each generated Stokes wave. Necessary criteria for obtaining lowest threshold, as well as considerations about efficiency and temperature influence are discussed and compared to the measurements performed on different Brillouin ring lasers. Since the Brillouin gain comes from the interference between pump and backscattered Stokes waves, a model based only on circulating intensities cannot be complete. The analysis of the ring polarization eigenmodes as a function of the fiber birefringence is necessary in order to compute at every location in the ring the polarization state of both pump and Stokes waves to determine their mixing efficiency. The Brillouin gain over one round trip can thus be precisely calculated. Although this analysis is only relevant on rings having well known birefringence, a linear or circular birefringence, some conclusions can be drawn for rings having an uncontrolled birefringence. Measurements performed on a circular birefringence ring resonator confirms the theoretical prediction. The emission frequency of the Brillouin laser is fixed by the ring resonance and will adapt to any environmental changes. However, the optical waves themselves also modify the emission frequency throughout Kerr effect and dispersion of the Brillouin gain expressed by Kramers-Kronig relations. The process that leads Brillouin laser light to exhibit an exceptional coherence has been studied and values of its linewidth are proposed. The measurement of the beat note between two Stokes waves asses these considerations. Increasing the length of the fiber ring decreases the laser threshold, but gain competition between the different resonances underneath the Brillouin gain curve tends to make the emission unstable. Depending on the ring configuration or pump noise, a continuous, chaotic or pulsed regime can be addressed. The study of the Brillouin laser has highlighted many of its interesting properties, such as coherence, frequency shift in the range of 10 to 12 GHz, Brillouin gain directivity, etc. Among all applications that can take advantage of these remarkable characteristics, the Brillouin gyroscope is probably the one which motivated the biggest interest. However, all applications presented in this work: the Brillouin current sensor, the coherent laser linewidth measurement setup, the phase modulated microwave generator and the PSK signal sender, bring new solutions addressed to a wide variety of domains such as sensing, metrology, instrumentation and telecommunication.
    Résumé
    Parmi les diverses sources de diffusion figure la diffusion Brillouin spontanée, qui résulte de l'interaction entre la lumière et les ondes acoustiques d'origine thermique se propageant dans le milieu. A partir d'une certaine intensité lumineuse, l'interférence entre la lumière incidente et la fraction de lumière ainsi rétrodiffusée, appelée onde Stokes, est capable par le biais de l'électrostriction de générer une onde acoustique, qui à son tour diffuse la lumière incidente et renforce l'intensité de la lumière rétrodiffusée. La mise en équation de ce processus de diffusion Brillouin stimulée montre que ce transfert d'énergie de l'onde incidente à l'onde Stokes est formellement équivalente à un gain optique et permet donc d'obtenir une émission laser. Dans le cas des fibres optiques, les caractéristiques spectrales de ce gain Brillouin dépendent non seulement du type de fibre utilisé, mais aussi de la température et des contraintes qui lui sont appliquées. Une émission laser stable et continue n'est obtenue qu'à l'aide d'une rétroaction, qui peut être réalisée grâce à un résonateur en anneau. Il est alors primordial de bénéficier d'une caractérisation précises de ces résonateurs, et une nouvelle méthode, basée sur la diffusion Rayleigh dans l'anneau à fibre mesurée par un réflectomètre optique, a été développée lors de ce travail. Lorsque la puissance de l'onde incidente injectée à la cavité en anneau, appelée onde de pompe, est augmentée, l'intensité de l'onde Stokes s'accroît pour à son tour jouer le rôle de pompe et génère une onde Stokes du deuxième ordre. Suivant ce schéma, une multitude de d'ordres Stokes peuvent être obtenue. A partir des équations du gain Brillouin et de celles de la cavité en anneau, un modèle dépendant uniquement de l'intensité de l'onde de pompe permet de trouver les expressions du seuil et de l'intensité de chaque onde Stokes générée. Les critères pour l'obtention d'un seuil minimal ainsi que les considérations de rendement et de comportement en température sont abordés, et étayés par des mesures réalisées sur différents lasers Brillouin en anneau. Cependant, la modélisation du laser Brillouin basée uniquement sur l'intensité des ondes optiques circulant dans l'anneau est incomplète, car le gain Brillouin dépend de l'interférence entre l'onde de pompe et l'onde Stokes. L'analyse des modes propres de polarisation de l'anneau en fonction de sa biréfringence permet de connaître en tout point la polarisation respective de l'onde de pompe et de l'onde Stokes pour en déterminer leur "efficacité de mélange". Le gain Brillouin sur un tour de l'anneau est ainsi précisément déterminé. Bien que cette analyse ne porte que sur des anneaux dont la biréfringence est connue, anneaux utilisant des fibres à biréfringence linéaire ou circulaire, elle sert aussi à tirer quelques conclusions au sujet d'anneaux ou la biréfringence n'est pas contrôlée. Des mesures effectuées sur un anneau à biréfringence circulaire confirment ce développement théorique. La fréquence de l'émission du laser Brillouin est imposée par la condition de résonance de la cavité et s'adapte en permanence à toute grandeur modifiante, comme par exemple lors d'un changement de température. Cette fréquence d'émission est aussi modifiée par les ondes optiques elles-mêmes au travers de l'effet Kerr et de la dispersion de l'interaction Brillouin exprimée par les relations de Kramers-Kronig. Le mécanisme permettant au laser Brillouin d'exhiber une cohérence exceptionnelle est étudié et des valeurs limites à sa largeur de raie sont proposées. La mesure du battement entre deux ondes Stokes viendra finalement étayer ces explications. Lorsque la longueur de l'anneau est augmentée, le seuil Brillouin s'abaisse, mais la compétition de gain entre les différents modes sous la courbe de gain tend à rendre l'émission instable. En fonction de la configuration de l'anneau ou du bruit de la pompe, une émission pulsée, chaotique ou continue est observée. L'étude du laser Brillouin en anneau a mis en évidence plusieurs propriétés intéressantes, telles que: sa cohérence, son décalage de fréquence de l'ordre de 10 GHz par rapport à la pompe, la directivité du gain Brillouin, etc. Nombreuses sont les applications à pouvoir tirer avantage de ces diverses caractéristiques remarquables, et celle ayant drainé le plus d'intérêt est probablement le gyroscope Brillouin. Les applications réalisées au cours de cette thèse: tel que le capteur de courant électrique, le système permettant de mesurer la largeur de raie de lasers cohérents, le générateur de signaux micro-ondes modulés en phase ou l'émetteur de signaux PSK, apportent des solutions nouvelles à des domaines aussi différents que celui des capteurs, de la métrologie, de l'instrumentation et des télécommunications.