27 – 30 avril 2009, jpu, bordeaux, france

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


Plan

1) Introduction

2) Résultats expérimentaux

3) Simulations numériques


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


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


Introduction

Filtrage passif intra-cavité (3)

(3) A. Chong et al., Opt. Lett. 32, 2408 (2007)

= 1030 nm

Epulse = 26 nJ

Pout = 325 mW


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


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


Plan

1) Introduction


Configuration expérimentale

Résultats expérimentaux




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



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)



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)



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)



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)


-40 -20 0 20 40

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,54x5,6 ps

Inte

nsi

té (

u.a

.)


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

.)



Impulsion étiréeSpectre optique ‘steep-edge’

Coupleur 70/30 – frép = 35,7 MHz

Régime mode-lock : 360 mW < Pp < 750 mW (pump power limited)


-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

.)


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)


(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)


Plan

1) Introduction



Modèle théorique

Résultats numériques


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


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)


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.)


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)


1520 1540 1560 1580 16000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsi

té (

u.a

.)

14,7 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)


F

WH

M (nm

)


ΔτFWHM = 12,4 ps ( 10,3 ps exp.)

ΔλFWHM = 14,7 nm ( 11,8 nm exp.)


1520 1540 1560 1580 16000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsi

té (

u.a

.)

14,7 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)


F

WH

M (nm

)




)(1

20

psat PE

dtE

gg


1520 1540 1560 1580 16000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsi

té (

u.a

.)

14,7 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)


F

WH

M (nm

)




Solitons dissipatifs (5)

(5) A. Cabasse et al., Opt. Express 16, 19322 (2008)


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)


Merci pour votre attention !


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)


1520 1540 1560 1580 16000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

19,7 nm

Inte

nsi

té (

u.a

.)


-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


0 20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20E

ner

gie

(n

J)


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

.)


-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)


F

WH

M (nm

)

Montée en énergie

ANDi


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


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


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

27 – 30 avril 2009, jpu, bordeaux, france

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