Développement d'une source VECSEL bifréquence pour la mesure de l'effet brillouin dans les fibres optiques

Development of a dual-frequency VECSEL source for mesure of the Brillouin effect in optical fibers

• Auteur / Autrice : Léa Chaccour
• Direction : Patrice Chatellier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/09/2016
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Laboratoire Instrumentation, Simulation et Informatique Scientifique (Marne-la-Vallée) - lisis
• Jury : Président / Présidente : Xavier Marie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Chatellier, Sophie Bouchoule, Aghiad Khadour
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Razvigor Ossikovski, Abdelhamid Kellou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rétrodiffusion

Lasers à semi-conducteur

Capteurs optiques

Brillouin, Effet

Mots clés libres

Effet brillouin

Vecsel

Fibres

Fibers

Vecsel

Brillouin effect

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 spécifications de notre source réalisée avec ceux recommandés pour la source utilisée avec les capteurs de Brillouin. Dans un premier temps, nous avons testé les structures VECSELs fabriquées au laboratoire LPN-CNRS dans le but de sélectionner la structure la plus performante pour notre cavité finale. La structure sélectionnée fournit une puissance de sortie ~200 mW avec un schéma d’évacuation de chaleur à travers le miroir de Bragg. Il est nécessaire de générer un décalage fréquentiel autour de 11 GHz, pour cela, dans un second temps, nous avons calculé l’accordabilité du décalage fréquentiel par plusieurs façons (la rotation de la lame biréfringente, la variation de la longueur de cavité et la variation de la température du cristal biréfringent). Nous avons trouvé qu’une accordabilité grossière (de l’ordre du GHz) peut-être assurée avec la rotation de la lame biréfringente alors qu’une accordabilité plus fine (de l’ordre de MHz) peut-être assurée avec la variation de la température du cristal ainsi que la variation de la longueur de cavité. Dans un troisième temps, nous avons démontré la possibilité de réaliser une émission bi-fréquence avec nos structures semi conductrices, néanmoins l’émission obtenue était instable. Après l’optimisation de la table optique l’émission obtenue observée sur un analyseur de spectre optique (avec une résolution de 1 GHz) était stable. Un meilleur contrôle de la stabilité de l’émission bi-fréquence est assuré avec la focalisation du diamètre du spot de pompage. Pour obtenir de faibles diamètres du spot de pompage, nous avons utilisé une diode laser de pompage monomode qui permet de pomper le mode fondamental de cavité. Les puissances de sorties ont été examinées. Nous avons remarqué qu’une puissance de sortie de 50 mW peut être obtenue en optimisant la réflectivité du miroir de sortie ainsi que la fonction de filtre et l’ISL de l’étalon Fabry-Pérot. Dans un quatrième temps nous avons examiné la stabilité de l’émission bi-fréquence avec une résolution ~ 1 GHz pour de différentes valeurs de recouvrement spatial entre les modes de cavité. Une émission bi-fréquence stable était observée avec un coefficient de recouvrement spatial allant jusqu’à 70%. Une examination de la stabilité avec une résolution de l’ordre de kHz était réalisée. Nous avons observé une largeur de raie de 200 kHz. Pour estimer la dérive du battement fréquentiel sur des temps longs, nous avons examiné l’évolution de l’enveloppe fréquentielle sur des intervalles temporels d’une minute. Une dérive de 0.8 MHz/minute était observée

In this thesis, we focus on the development of a dual-frequency VECSEL source operating at 1550 nm for Brillouin based optical fiber sensors. We present the design and the realization of this dual-frequency source. We compare the obtained results to the recommended specifications for Brillouin fiber sensors. In a first step, we have examined the output power of VECSEL structures fabricated in the LPN-CNRS labs. The selected structure ensure an output power of ~200mW using a downward heat dissipation scheme. For our application, it is crucial to ensure a frequency difference between the two cavity modes close to 11 GHz. For this reason, in a second step, we have calculated the frequency difference tunability with several ways (rotation of the birefringent crystal, temperature variation of the birefringent crystal and cavity length variation). A large tunability (GHz order) is ensured when the birefringent crystal is rotated. A weak tunability (MHz order) is ensured by varying the cavity length and the crystal temperature. In a third step, we have demonstrated the realization of a dual-frequency VECSEL at 1550 nm; however, the obtained laser emission was unstable. By optimizing our optical table, the observed dual frequency emission was stable (using a resolution ~1 GHz). A better control of the laser emission stability is ensured by a better focalization of the pump spot diameter. For this reason we have used a single mode laser diode as a pump source. This type of source ensures the pumping of the fundamental cavity modes only. By examining the influence of intra cavity elements on output powers, we have concluded that, an output power around 50 mW can be obtained using an output coupler of 99% reflectivity and a Fabry-Perot etalon with FSR= 15 nm and filter function close to 0.56 nm at 99.5% transmission. In a fourth step, we have examined the stability of the dual-frequency emission with a resolution ~1 GHz for different values of the coupling constant coefficient. A stable dual-frequency emission is obtained with a coupling coefficient between the modes up to 70 %. By investigating the stability with a kHz resolution we have obtained a FHWM close to 200 kHz.To estimate the jitter of the beat frequency obtained we have examined the evolution of the frequency envelope over a minute. A jitter of 0.8 MHz/minute was observed