CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen
27 – 30 Avril 2009, JPU, Bordeaux, France
Amélie Cabasse, Gilles Martel
CORIA-G20, UMR 6614, Université de Rouen, Avenue de l'université BP 12,
76801 Saint Etienne du Rouvray, France
Jean-Louis Oudar
Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, UPR20, Route de Nozay,
91460 Marcoussis, France
Génération d’impulsions courtes dans un laser à
fibre dopée erbium à dispersion fortement normale
CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen
Plan
1) Introduction
2) Résultats expérimentaux
3) Simulations numériques
CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen
Introduction
Objectif
Obtenir un régime mono-impulsionnel auto-démarrant générant
une forte puissance de sortie
Montée en énergie = régime de dispersion purement normale (1,2)
(1) A. Chong et al., Opt. Express 14, 10095 (2006) (2) A. Chong et al., JOSA B 25, 140 (2008)
Dispersion
Durée
CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen
Introduction
Objectif
Obtenir un régime mono-impulsionnel auto-démarrant générant
une forte puissance de sortie
Montée en énergie = régime de dispersion purement normale (1,2)
(1) A. Chong et al., Opt. Express 14, 10095 (2006) (2) A. Chong et al., JOSA B 25, 140 (2008)
Dispersion
Durée
Périodicité temporelle : emploi d’un absorbant saturable
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Introduction
Filtrage passif intra-cavité (3)
(3) A. Chong et al., Opt. Lett. 32, 2408 (2007)
= 1030 nm
Epulse = 26 nJ
Pout = 325 mW
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Introduction
Filtrage par le gain (4,5)
(4) L. M. Zhao et al., Opt. Lett. 31, 1788 (2006) / (5) A. Cabasse et al., Opt. Express 16, 19322 (2008)
= 1550 nm
Epulse = 933 pJ
Pout = 30 mW
CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen
Introduction
Filtrage par le gain (4,5)
(4) L. M. Zhao et al., Opt. Lett. 31, 1788 (2006) / (5) A. Cabasse et al., Opt. Express 16, 19322 (2008)
= 1550 nm
Epulse = 933 pJ
Pout = 30 mW
Fibres à compensation de dispersion
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Plan
1) Introduction
2) Résultats expérimentaux
Configuration expérimentale
Résultats expérimentaux
3) Simulations numériques
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Configuration expérimentale
CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen
Configuration expérimentale
Fibre dopée Erbium :
Pic d’absorption = 80 dB/m @ 1530 nm
β2 = 0,061 ps²/m @ 1550 nm ( D = -48 ps/nm/km)
Ouverture numérique = 0,29
Diamètre du coeur = 4,9 µm (MFD)
Diamètre de la gaine = 125 µm
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Configuration expérimentale
Fibre à compensation de dispersion :
β2 = 0,116 ps²/m @ 1550 nm ( D = -91 ps/nm/km)
Dispersion fortement normale
Multiplexeur :
Hi1060 : β2 = -0,011 ps²/m @ 1550 nm ( D = 8,7 ps/nm/km)
Coupleur de sortie :
SMF28 : β2 = -0,022 ps²/m @ 1550 nm ( D = 17,7 ps/nm/km)
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Configuration expérimentale
Longueur totale de la cavité = 3,1 m
frép = 33,5 MHz
Dispersion totale de la cavité :
2-net = +0,19 ps² ( Dnet = -0,14 ps/nm)
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Configuration expérimentale
Absorbant Saturable à base de multi-puits quantiques (*) :
= 1550 nm
Profondeur de modulation = 37%
Pertes non saturable = 12%
Fluence de saturation = 17 µJ/cm²
Temps de relaxation = 2 ps
(*) Collaboration avec LPN – J.L. Oudar
1 10 100 10000,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
R
Pump Fluence (µJ/cm2)
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Résultats expérimentaux
Accepté Opt. Express : High power dissipative soliton in an Erbium-doped fiber laser
Puissance de sortie = 60 mW
Energie par impulsion = 1,8 nJ
Impulsion étiréeSpectre optique ‘steep-edge’
Coupleur 50/50 – frép = 33,5 MHz
1550 1555 1560 1565 1570 1575 15800,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1540 1550 1560 1570-60
-50
-40
-30
-20
-10
Inte
ns
ité
(u
.a.)
Longueur d'onde (nm)
11,8 nm
-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 1200,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 80,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,41x528 fs
Experience Fit gaussien
1,41x10,3 psInte
nsi
té (
u.a
.)
Temps de retard (ps)
Régime mode-lock : 320 mW < Pp < 750 mW (pump power limited)
CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen
-40 -20 0 20 40
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,54x5,6 ps
Inte
nsi
té (
u.a
.)
Temps de retard (ps)
Experience Fit sech²
Puissance de sortie = 71 mW
Energie par impulsion = 2 nJ
1550 1555 1560 1565 1570 1575 15800,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1540 1550 1560 1570 1580
-50
-40
-30
-20
-10
0
13 nm
Inte
nsi
té (
u.a
.)
Longueur d'onde (nm)
Résultats expérimentaux
Impulsion étiréeSpectre optique ‘steep-edge’
Coupleur 70/30 – frép = 35,7 MHz
Régime mode-lock : 360 mW < Pp < 750 mW (pump power limited)
CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 50,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Inte
nsi
té (
u.a
.)
Temps de retard (ps)
Experience Fit sech²
1,54x264 fs
= 0,42 (théorie = 0,31)
Puissance crête = 7,5 kW
Fluctuations d’amplitude < 0,2 % régime ML très stable
Impulsion compressée Spectre BF (6)
Résultats expérimentaux
(6) D.Von der Linde, Appl. Phys. B 39, 201 (1986)
-2 -1 0 1 2
-80
-60
-40
-20
0
Inte
nsi
té (
dB
m)
Fréquence (MHz)
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Plan
1) Introduction
2) Résultats expérimentaux
3) Simulations numériques
Modèle théorique
Résultats numériques
CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen
Résolution de l’équation de Schrödinger non linéaire (NLSE)
β2 : dispersion
: effet Kerr
g : saturation du gain de la fibre dopée Er
β’: Filtrage spectral )(1
20
psat PE
dtE
gg
2' 1
g
22 I
eff
n
A
²
²'
22²
²
222
t
AgA
gAA
t
Ai
z
A
Modèle thérorique
CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen
Résolution de l’équation de Schrödinger non linéaire (NLSE)
²
²'
22²
²
222
t
AgA
gAA
t
Ai
z
A
Modèle thérorique
Absorbant saturable (7) :
psTR 2
]))(1
(exp[)(2
dtE
tE
Ttf
SAMR
)()()( 0 tqRRtItI inout
]1)(1
[)(
)( 0 dttfTtf
qtq
R
Avec : g
g
(7) N.N.Akhmediev et al., Opt. Lett. 23, 280 (1998)
CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen
0 20 40 60 80 100 120 1400,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
SAMOC
OCSMF
DCF (aller-retour)
Hi1060+SMF
Erbium
Erbium
SMF+Hi1060
SMFEn
erg
ie (
nJ)
Evolution intra-cavité (u.a.)
Résultats numériques
Ep = 1,77 nJ ( 1,8 nJ exp.)
Cavité Fabry-Pérot dépliée
ΔλG_FWHM = 25 nm Esat = 610 pJ
Pertes = 0,8 m-1 (55%)
g0 = 4,4 m –1 (21 dB)
CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen
1520 1540 1560 1580 16000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Inte
nsi
té (
u.a
.)
14,7 nm
Longueur d'onde (nm)
-40 -20 0 20 40 60 80 100 1200,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Inte
nsi
té (
u.a
.)
Temps (ps)
-4 -2 0 2 40,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
560 fs
12,4 ps
0 20 40 60 80 100 120 140
11,0
11,2
11,4
11,6
11,8
12,0
12,2
12,4
12,6
12,8
14,68
14,69
14,70
14,71
14,72
14,73
14,74
14,75SASMF+Hi1060
Erbium
DCFErbium
SMF+Hi1060
F
WH
M (
ps)
Evolution intra-cavité (u.a.)
F
WH
M (nm
)
Résultats numériques
ΔτFWHM = 12,4 ps ( 10,3 ps exp.)
ΔλFWHM = 14,7 nm ( 11,8 nm exp.)
CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen
1520 1540 1560 1580 16000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Inte
nsi
té (
u.a
.)
14,7 nm
Longueur d'onde (nm)
-40 -20 0 20 40 60 80 100 1200,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Inte
nsi
té (
u.a
.)
Temps (ps)
-4 -2 0 2 40,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
560 fs
12,4 ps
0 20 40 60 80 100 120 140
11,0
11,2
11,4
11,6
11,8
12,0
12,2
12,4
12,6
12,8
14,68
14,69
14,70
14,71
14,72
14,73
14,74
14,75SASMF+Hi1060
Erbium
DCFErbium
SMF+Hi1060
F
WH
M (
ps)
Evolution intra-cavité (u.a.)
F
WH
M (nm
)
Résultats numériques
ΔτFWHM = 12,4 ps ( 10,3 ps exp.)
ΔλFWHM = 14,7 nm ( 11,8 nm exp.)
)(1
20
psat PE
dtE
gg
CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen
1520 1540 1560 1580 16000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Inte
nsi
té (
u.a
.)
14,7 nm
Longueur d'onde (nm)
-40 -20 0 20 40 60 80 100 1200,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Inte
nsi
té (
u.a
.)
Temps (ps)
-4 -2 0 2 40,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
560 fs
12,4 ps
0 20 40 60 80 100 120 140
11,0
11,2
11,4
11,6
11,8
12,0
12,2
12,4
12,6
12,8
14,68
14,69
14,70
14,71
14,72
14,73
14,74
14,75SASMF+Hi1060
Erbium
DCFErbium
SMF+Hi1060
F
WH
M (
ps)
Evolution intra-cavité (u.a.)
F
WH
M (nm
)
Résultats numériques
ΔτFWHM = 12,4 ps ( 10,3 ps exp.)
ΔλFWHM = 14,7 nm ( 11,8 nm exp.)
Solitons dissipatifs (5)
(5) A. Cabasse et al., Opt. Express 16, 19322 (2008)
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Conclusions / Perspectives
Génération d’impulsions femtosecondes d’énergie égale à 2 nJ
< 71 mW >
Configuration Fabry Pérot
Cavité à dispersion fortement normale : 0,19 ps²
Régime limité par la puissance de pompe
Comment améliorer le régime ?
Coupleurs 75/15 – 80/20 – 85/15 à tester
Passer en régime « all-normal »
Prédiction en terme d’énergie > 8 nJ
0 20 40 60 80 100 12018,519,019,520,020,521,021,522,022,523,023,524,024,5
21,35
21,36
21,37
21,38
SA
DCFErbiumErbium
F
WH
M (
ps)
Position intra-cavité (u.a.)
F
WH
M (n
m)
CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen
Merci pour votre attention !
CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen
CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen
Montée en énergie
0 20 40 60 80 100 120 140 1600
1
2
3
4
5
6
2,4 nJ
En
erg
ie (
nJ)
Position intra-cavité (u.a.)
1520 1540 1560 1580 16000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
19,7 nm
Inte
nsi
té (
u.a
.)
Longueur d'onde (nm)
-20 0 20 40 600,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 50,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
425,6 fs
9,46 ps
Inte
nsi
té (
u.a
.)
Temps (ps)
0 20 40 60 80 100 120 1407,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
19,63
19,64
19,65
19,66
19,67
19,68
19,69
19,70
19,71Hi1060+SMFSMF+Hi1060
F
WH
M (
ps)
Intra-cavity position (a.u.)
DCF
Erbium
Erbium
SA
F
WH
M (nm
)
Esat = 900 pJ
CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen
0 20 40 60 80 100 1200
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20E
ner
gie
(n
J)
Position intra-cavité (u.a.)
8,18 nJ
1530 1540 1550 1560 1570 1580 15900,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
21,4 nm
Inte
nsi
té (
u.a
.)
Longueur d'onde (nm)
-40 -20 0 20 40 60 80 100 1200,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 80,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
460 fs
21,6 ps
Inte
nsi
té (
u.a
.)
Temps (ps)
0 20 40 60 80 100 12018,519,019,520,020,521,021,522,022,523,023,524,024,5
21,35
21,36
21,37
21,38
SA
DCFErbiumErbium
F
WH
M (
ps)
Position intra-cavité (u.a.)
F
WH
M (nm
)
Montée en énergie
ANDi
CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen
Inte
nsité
Fréquence (
c/2nLCourbe de gain
Domaine spectral Domaine temporel
0
10
20
30
40
50
Inte
nsité
(u
. a.
)
Temps
R= 2nL/c
= K/
Chaque mode est défini par :- Amplitude : Ak
- Fréquence : k
- Phase : k
L’émission laser :
Verrouillage de phase [k=cste (=0)] :
02 2 ( )2k k
ck
nL
01
( ) exp 2 ( )2
m
k k
cE t A i t i k t
nL
01
( ) exp exp 2 ( )2
k m
kk
cE t i t A i k
nL
Colloque UMR CORIA, 21-22 Janvier 2009
Le verrouillage de modes
CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen
Régimes de dispersion
[1] K. Tamura et al., Electr. Lett. 28, 2226 (1992)[2] A. Albert et al., IEEE Phot. Techn. Lett. 16, 416 (2004) [3] A. Chong et al., Opt. Lett. 32, 2408 (2007)
Régime soliton
Dispersion purement anormale
Énergie du pulse limitée à 100 pJ [1]
Régime étiré
Fibres de dispersion normale et anormale
Énergie du pulse 12 nJ [2]
Régime purement normal
Dispersion purement normale
Énergie du pulse 26 nJ [3]
GVD<0, NL, Gain S A
GVD>0, NL, Gain SA GVD<0, NL
GVD>0, NL, Gain SA
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Mesure du bruit d’amplitude d’un laser impulsionnel
Bruit d’amplitude (5) :
0
C J
A resn
P fE
E P f
(5) D.Von der Linde, Appl. Phys. B 39, 201 (1986)
Mesures du spectre de puissance (basse fréquence) du signal laser