Purity and Tunability of a Highly Stable Hybrid Laser

Les sources laser ayant une structure simple et compacte et à faible coût sont un but ultime pour les industriels. En effet, plusieurs applications, telles que la détection et localisation de la lumière, la météorologie optique et la détection cohérente dans les systèmes de communication, exigent une largeur de ligne étroite ainsi qu'une source laser assez stable. À titre d'exemple, La course incessante vers des capacités de transmission de données de plus en plus importantes dans les systèmes de télécommunications avait comme conséquence le déploiement de la méthode d'accès : multiplexage de longueur d'onde ultra dense au sein de la bande de fréquences optiques. Toutefois, à cause du volume du trafic de données et l'augmentation incessante de la demande des utilisateurs, la conception de sources laser ayant une efficacité spectrale plus importante, une meilleure stabilité et une précision plus performante représente un défi sans précédent surtout pour les systèmes de détection cohérente. La stabilité et la largeur de bande étroite réduisent considérablement la dispersion inter modale et améliorent ainsi l'efficacité spectrale. Selon le critère de Shannon, la suppression du rapport des modes secondaires qui est indépendant du courant d'alimentation, a pour conséquence l'augmentation de la capacité d'un canal alloué ainsi qu'éviter des effets non linéaires qui se produisent lors de l'utilisation des puissances importantes. En effet, le potentiel spectral d'une fibre optique peut être amélioré en s'appuyant sur un control assez précis de la longueur d'onde utilisée. Jusqu'à présent, ces critères sont mis en évidence par le biais de systèmes haute gamme qui sont assez chers, de structures complexes et de taille assez grande. Au sein de cette thèse, on présente un laser hybride de taille compacte, ayant une structure trop simple, opérant à une largeur de ligne qui est au plus égale à 2 kHz, ayant un rapport de suppression modale supérieur à 40 dB et présentant une excellente stabilité sur une plage de 22 Hz. Un prototype assez simple a été réalisé dans le but de montrer en pratique les performances déjà évoquées. Ce travail se focalise sur la combinaison des caractéristiques des fibres Bragg, de la fibre dopée de type polarization maintaining erbium ainsi que celles de l'amplificateur optique semi-conducteur tout au sein d'un laser hybride. Le prototype conçu a été fabriqué soigneusement et assemblé de manière à garantir une pureté spectrale assez considérable. En fait, la fibre Bragg a été insérée directement à l'intérieur de la fibre dopée dont l'absorption mesurée était de l'ordre de 30 dB aux alentours de la longueur d'onde 1528 nm. Alors que la fibre Bragg constitue le premier réflecteur, le second miroir qui ferme la cavité résonnante est localisé sur la facette haute de l'amplificateur optique à base de semi-conducteurs.

Abstract

Cost-effective, simple structure and compact laser sources with high spectral quality are sought by many segments of industry. Diverse applications require narrow linewidth and highly stable laser sources such as in light detection and ranging, optical frequency metrology and coherent detection communications. For instance in the telecommunication industry, the growing problem of transmission capacity congestion has led to the deployment of the dense wavelength-division-multiplexed systems utilizing the broad spectral window of optical fiber links. However, owing to the rapidly rising data-traffic volume and ever increasing demand for higher transmission capacities, portable laser sources with higher spectral purity, excellent stability and better accuracy form a significant milestone for a solution, especially in coherent detection. Such high stability and narrow linewidth reduces the intra-modal dispersion and hence, enhance the spectral efficiency. According to the Shannon limit, a high side-mode suppression ratio that is independent of the drive current increases the capacity of an allocated channel, while severe nonlinear effects emerging at high powers are avoided. In this case, the full potential bandwidth of fiber communication links can be exploited through a high precision wavelength control. To date, those needs are fulfilled by lasers that are usually bench-top systems, prohibitively expensive, large in size and high in complexity. In this dissertation, we report on a realization of a compact size, simple structure hybrid laser operating with ~2-kHz or less linewidth, more than 40-dB of side mode suppression ratio and featuring an excellent stability within 22 Hz. A simple and user-friendly device that may fulfill the stringent requirements of the above mentioned applications. This work focuses on combining attributes of a fiber Bragg grating, polarization-maintaining erbium-doped fiber and semiconductor optical amplifier in a hybrid laser. The demonstrated single-frequency device is carefully engineered and assembled to operate with high spectral purity. The fiber Bragg grating is inscribed directly into the polarization-maintaining erbium doped fiber, whose absorption was measured at 1528 nm to be ~30 dB. While this grating constitutes the first reflector, the second mirror closing the cavity resonator is located at the high reflection coated facet of the semiconductor optical amplifier. The other facet is anti-reflection coated and coupled to the fiber via a micro-lens, sculpted on the fibre tip ~34 cm away from the fiber Bragg grating. Eventually, the fiber cavity is fully made of polarization-maintaining erbium-doped fiber. The semiconductor optical amplifier is mounted on a heatsink, placed on a thermoelectric cooler.