Amplificateurs à fibre dopée à l’erbium (EDFA)

Amplification d’impulsions femtosecondes

Par rapport aux amplificateurs optiques booster (BOA) et aux amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA), les amplificateurs à fibre dopée à l’erbium (EDFA) peuvent amplifier des impulsions femtosecondes à des niveaux de puissance de crête significativement plus élevés. Des détails sur les mécanismes d’amplification impliqués sont fournis dans la section Comparaison des amplificateurs au bas de cet onglet.

Ci-après, nous présentons des mesures qui montrent comment le profil temporel d’une impulsion d’entrée de 430 fs FWHM à 1550 nm est affecté par la propagation à travers l’amplificateur EDFA100P.

Montage expérimental
Des impulsions laser femtosecondes centrées à 1550 nm ont été émises par un oscillateur à fibre d’erbium. La largeur de bande spectrale à 3 dB de ces impulsions a été mesurée à 9 nm, ce qui correspond à une largeur d’impulsion limitée par la transformation de 290 fs FWHM ; la largeur d’impulsion réelle a été mesurée par un autocorrélateur d’intensité à 430 fs FWHM. La puissance de sortie moyenne de l’oscillateur à fibre était de 1,1 mW. Comme la fréquence de répétition de l’oscillateur à fibre était de 50 MHz, l’énergie d’impulsion mesurée était de 22 pJ.

Ces impulsions de 430 fs FWHM, 22 pJ ont été propagées dans l’amplificateur EDFA100P. Dans certains cas, l’oscillateur à fibre était connecté directement à l’amplificateur, tandis que dans d’autres, l’oscillateur à fibre était connecté à l’amplificateur par un câble de raccordement intermédiaire à fibre à compensation de dispersion. La puissance de sortie totale a été modifiée en ajustant le courant de pompe de l’EDFA100P. Nous avons mesuré le profil temporel des impulsions de sortie amplifiées en fonction de la puissance de sortie en utilisant un autocorrélateur d’intensité.

Résultats
Nous avons caractérisé les impulsions de sortie amplifiées à trois énergies d’impulsion de sortie : 0,3 nJ, 0,6 nJ et 1,1 nJ. Les mesures ont été arrêtées à l’énergie d’impulsion de sortie de 1,1 nJ car des non-linéarités sont apparues dans le profil temporel. Les données de chaque graphique ont été normalisées pour rendre les formes des autocorrélations plus faciles à comparer.

Conclusion
Lorsque la puissance de crête de l’impulsion de sortie est ~1 kW ou moins, les non-linéarités dans le profil temporel de l’impulsion de sortie sont minimes. (Cette limite de puissance de crête correspond à une intégrale B entre 1 et 2, en dessous de la limite à laquelle les effets optiques non linéaires peuvent devenir significatifs). Lorsque la puissance de crête augmente au-delà de ~1 kW, l’élargissement spectral dû à l’auto-modulation de phase et à d’autres effets optiques non linéaires comprime la largeur d’impulsion et déforme le profil temporel. Un équilibre minutieux entre la modulation initiale de l’impulsion, la dispersion de l’amplificateur et l’énergie de l’impulsion peut produire des impulsions comprimées de manière non linéaire avec une faible distorsion.

Un exemple de ceci est montré dans le cas de 0,6 nJ ci-dessus. Lorsqu’il est utilisé avec un oscillateur erbium femtoseconde et une fibre de précompensation, l’amplificateur EDFA100P est capable de produire des impulsions <100 fs qui ont une puissance de crête de 6 kW. Sans fibre de précompensation, l’amplificateur fournit encore un gain élevé et une distorsion temporelle minimale en maintenant la puissance de crête de l’impulsion de sortie (et l’intégrale B) en dessous du seuil de non-linéarité.

Comparaison des amplificateurs

Les amplificateurs à fibre tels que les EDFA et les YDFA sont généralement mieux adaptés que les amplificateurs optiques à semi-conducteurs (par exemple, les BOA et les SOA) pour amplifier les impulsions laser femtosecondes. Ces types d’amplificateurs diffèrent par leur énergie de saturation, leur dynamique de saturation du gain et leur durée de vie des porteurs libres. Dans les amplificateurs à semi-conducteurs, les énergies de saturation sont relativement faibles, de l’ordre de quelques picojoules. Cela limite l’énergie d’impulsion amplifiée qui peut être obtenue par les amplificateurs à semi-conducteurs. À titre de comparaison, dans les amplificateurs à fibre, les énergies de saturation dépassent les niveaux microjoules. De plus, les temps de récupération du gain dans les amplificateurs à semi-conducteurs sont régis par la durée de vie de la porteuse, qui est comprise entre 10 et 100 ps. La durée de vie des porteuses des amplificateurs à fibre est généralement comprise entre 10 µs et 1 ms.
Prenons le cas d’un laser femtoseconde à verrouillage de mode avec un taux de répétition de l’ordre de 1 MHz. Pour des énergies d’impulsion bien inférieures à l’énergie de saturation des amplificateurs à semi-conducteurs, les impulsions seront amplifiées avec une distorsion minimale. Cependant, lorsque l’énergie de l’impulsion dépasse l’énergie de saturation, l’amplification saturera pendant l’impulsion, ce qui entraînera une différence de gain sur le profil temporel de l’impulsion et déformera la forme de l’impulsion. Comme les amplificateurs à fibre ont des énergies de saturation plus élevées que les amplificateurs à semi-conducteur, ils sont moins susceptibles de subir une saturation du gain par ce mécanisme.
Parce que le temps de récupération du gain d’un amplificateur à semi-conducteur (échelle de temps de 10 ps à 100 ps) est plus court que la période de répétition, le milieu de gain récupère avant que l’impulsion suivante du train d’impulsions n’arrive à l’amplificateur à semi-conducteur. Le même processus est donc répété pour chaque impulsion. Dans les amplificateurs à fibre, la durée de vie de la porteuse libre (échelle de temps de 10 µs à 1 ms) est beaucoup plus longue que la période de répétition. Par conséquent, on peut considérer que les amplificateurs à fibre répondent à la puissance moyenne de l’impulsion, par opposition à sa puissance de crête.
Un autre point particulièrement pertinent pour les impulsions femtosecondes est le rôle des processus non linéaires dans l’amplificateur. Alors que la réponse non linéaire d’un amplificateur à fibre est presque instantanée, le temps de réponse non linéaire d’un amplificateur à semi-conducteur est de l’ordre de 10 à 100 ps, car il est lié à la durée de vie de ses porteurs. Cette échelle de temps de ps représente une autre source de distorsions d’impulsion lorsque l’énergie de l’impulsion dépasse l’énergie de saturation.