FR2864632A1

FR2864632A1 - Amplified output wave phasing device for fiber optic network, has beam splitter connected by single mode optical fiber to extremity of network, and frequency shift producing device allowing generation of retro-diffused waves with shift

Info

Publication number: FR2864632A1
Application number: FR0315356A
Authority: FR
Inventors: Jean Pierre Huignard; Arnaud Brignon; Eric Lallier
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2005-07-01
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: FR2864632B1

Abstract

The device has a beam splitter (2) placed between a laser oscillator (1) and a coupling device (5). The splitter is connected by a single mode optical fiber (10) to an extremity of a fiber optic network (7) via a coupling device (8). A frequency shift producing device (9) is coupled to the optical fiber and allows generation of retro-diffused waves with frequency shift.

Description

DISPOSITIF DE MISE EN PHASE D'UN RESEAU DE FIBRES OPTIQUESDEVICE FOR PHASING A NETWORK OF OPTICAL FIBERS

La présente invention se rapporte à un dispositif de mise en phase d'un réseau de fibres optiques. The present invention relates to a device for phasing an optical fiber network.

Lorsque l'on utilise des sources laser du type MOPA, comportant essentiellement un oscillateur laser et un réseau de fibres optiques amplificatrices dopées, l'onde amplifiée obtenue à la sortie de ces fibres est rarement une onde plane, à cause de phénomènes pouvant affecter les fibres optiques, en particulier des dérives thermiques différentes des fibres optiques. When using laser sources of the MOPA type, essentially comprising a laser oscillator and a doped amplifying optical fiber grating, the amplified wave obtained at the output of these fibers is rarely a plane wave, because of phenomena which may affect the optical fibers, in particular thermal drifts different from optical fibers.

La présente invention a pour objet un dispositif permettant de remettre en phase l'onde optique de sortie amplifiée d'un tel réseau de fibres optiques. The present invention relates to a device for re-phasing the amplified optical output wave of such an optical fiber network.

Le dipositif conforme à l'invention est du type comportant un oscillateur laser suivi d'un dispositif de couplage à une extrémité d'un réseau de fibres optiques amplificatrices et il est caractérisé en ce qu'il comporte entre l'oscillateur et le dispositif de couplage un dispositif de prélèvement d'onde relié par une liaison optique à l'autre extrémité du réseau de fibres optiques via un autre dispositif de couplage, un dispositif de création de décalage en fréquence étant couplé à ladite liaison optique, et des moyens de formation d'ondes rétrodiffusées à décalage de fréquence disposés entre les deux dispositifs de couplage. The dipositif according to the invention is of the type comprising a laser oscillator followed by a coupling device at one end of a network of amplifying optical fibers and it is characterized in that it comprises between the oscillator and the device of coupling a wave pickup device connected by an optical link to the other end of the optical fiber network via another coupling device, a frequency shift generating device being coupled to said optical link, and training means backscattered frequency offset waves arranged between the two coupling devices.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est un blocdiagramme simplifié d'un premier mode de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, la figure 2 est un bloc-diagramme simplifié d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, et, la figure 3 est un schéma simplifié d'une variante de réalisation des moyens de fromation de réseaux holographiques dynamiques du dispositif de la figure 2. The present invention will be better understood on reading the detailed description of an embodiment, taken by way of nonlimiting example and illustrated by the appended drawing, in which: FIG. 1 is a simplified block diagram of a first embodiment embodiment of a device according to the invention, Figure 2 is a simplified block diagram of a second embodiment of a device according to the invention, and Figure 3 is a simplified diagram of a variant embodiment of the dynamic network holographic grating means of the device of FIG. 2.

Sur le bloc-diagramme de la figure 1, on a représenté un oscillateur laser 1, monomode et monofréquence, qui peut fonctionner en régime impulsionnel ou continu. Il est suivi d'une lame séparatrice de faisceaux 2. Pour la commodité de l'exposé, on décrira de préférence les cheminements des faisceaux issus de l'oscillateur 1, comme si le dispositif était en fonctionnement, plutôt que la simple disposition des éléments constitutifs du dispositif de l'invention. L'un des faisceaux de sortie de la lame 2 est envoyé sur une lame 3 séparatrice de polarisations, tandis que l'autre est envoyé sur une lame 4 séparatrice de faisceaux. La lame 3 est suivie d'un dispositif 5 de couplage de type un faisceau vers N faisceaux. Ce dispositif 5 peut être soit un réseau de micro-lentilles, comme représenté sur le dessin, soit un composant de multiplexage du type à hologramme. Le dispositif 5 est suivi d'une lame 6 quart-d'onde, qui intercepte, bien entendu, la totalité des N faisceaux issus du dispositif 5. Les N faisceaux ayant traversé la lame 6 sont dirigés chacun vers une extrémité d'une fibre individuelle qui lui correspond parmi un ensemble ou réseau de N fibres optiques amplificatrices, référencées 7 dans leur ensemble. Ces fibres sont des fibres monomodes à maintien de polarisation, dopées par exemple avec Er ou Yb. Leur longueur peut être de quelques mètres ou plus. Les fibres de cet ensemble peuvent être disposées soit de façon que leurs axes soient tous alignés, soit de façon que ces axes soient disposés selon une matrice rectangulaire ou carrée. Les autres extrémités des fibres de l'ensemble 7 font face aux N sorties d'un dispositif de couplage 8 similaire au dispositif 5. L'un des faisceaux issus de la lame 4 est envoyé vers l'extrémité d'un dispositif 9 produisant un décalage en fréquence avec une émission stimulée. Dans le présent exemple, le dispositif 9 est une fibre optique à effet Brillouin, d'une longueur de quelques mètres ou plus. Selon d'autres modes de réalisation (non représentés), le dispositif 9 peut être un milieu laser, une fibre optique faisant fonction de miroir à conjugaison de phase (pour les N fibres de l'ensemble 7), ou tout autre dispositif connu de translation de fréquence. L'autre faisceau issu de la lame 4 est envoyé vers l'entrée du dispositif 8, par exemple à l'aide d'une fibre optique monomode 10 et de miroirs de renvoi 11, 12. Le faisceau de sortie du dispositif, en provenance des fibres amplificatrices 7, passe par la lame 6 qui modifie sa polarisation, le dispositif 5, et est renvoyé par la lame 3 en tant que faisceau de sortie 13. On the block diagram of Figure 1, there is shown a laser oscillator 1, single mode and single frequency, which can operate pulse or continuous mode. It is followed by a beam splitter 2. For the sake of convenience, the paths of the beams coming from the oscillator 1 will preferably be described, as if the device were in operation, rather than the simple arrangement of the elements. constituting the device of the invention. One of the output beams of the blade 2 is sent to a polarization separator blade 3, while the other is sent to a beam splitter blade 4. The blade 3 is followed by a beam coupling device 5 to N bundles. This device 5 may be either a microlens array, as shown in the drawing, or a hologram type multiplexing component. The device 5 is followed by a quarter-wave plate 6, which intercepts, of course, all of the N beams from the device 5. The N beams passed through the blade 6 are each directed towards one end of a fiber individual corresponding to it among a set or network of N optical amplifying fibers, referenced 7 as a whole. These fibers are single-mode polarization-maintaining fibers, doped for example with Er or Yb. Their length can be a few meters or more. The fibers of this assembly may be arranged either so that their axes are all aligned, or so that these axes are arranged in a rectangular or square matrix. The other ends of the fibers of the assembly 7 face the N outputs of a coupling device 8 similar to the device 5. One of the beams coming from the blade 4 is sent towards the end of a device 9 producing a frequency shift with stimulated emission. In the present example, the device 9 is an optical fiber Brillouin effect, a length of a few meters or more. According to other embodiments (not shown), the device 9 may be a laser medium, an optical fiber acting as phase conjugation mirror (for the N fibers of the assembly 7), or any other known device of frequency translation. The other beam coming from the blade 4 is sent to the input of the device 8, for example using a monomode optical fiber 10 and reflecting mirrors 11, 12. The output beam of the device, coming from amplifying fibers 7, passes through the blade 6 which modifies its polarization, the device 5, and is returned by the blade 3 as output beam 13.

Le fonctionnement du dispositif de la figure 1 est le suivant. Le faisceau laser produit par l'oscillateur 1 a une fréquence coo (en fait, en toute rigueur, le terme w est appelé pulsation, et il est lié à la fréquence F par la relation co=2ltF, mais par simplification, on parle ici de fréquence) . La partie de ce faisceau qui arrive au dispositif 9 y subit une translation de fréquence égale à - cos, ce qui fait que la fréquence du faisceau envoyé via la fibre 10 vers l'entrée du dispositif 8 est coo cos. On appellera par la suite ce faisceau S, et on notera qu'il est cohérent avec le faisceau issu de l'oscillateur 1. Ce faisceau S interfère, en mode réflexion, dans chacune des fibres amplificatrices 7 avec le faisceau amplifié correspondant. La mise en cohérence de phase de l'ensemble des faisceaux amplifiés est réalisée de la façon suivante. Dans chaque fibre de l'ensemble 7, la puissance injectée est suffisante pour générer une onde rétrodiffusée par effet Brillouin. Cette onde est la conjuguée en phase de l'onde amplifiée incidente et sa phase est contrôlée par l'onde de pompe (provenant du dispositif 8). Il en résulte que la phase à l'origine des ondes rétrodiffusées Z=0 est imposée par l'onde S en tout point du plan P, qui est le plan d'onde à l'extrémité des fibres 7, du côté du dispositif 8. Compte tenu des propriétés de l'onde conjuguée rétrodiffusée, chaque fibre optique du réseau 7 restitue une onde plane amplifiée, et l'ensemble de ces ondes planes amplifiées constitue le faisceau émis par la source laser de la figure 1. Dans le cas où l'on n'aurait pas l'injection du signal S, c'est-à-dire l'interaction habituellement utilisée dans l'art antérieur, la génération de l'onde rétrodiffusée par chacune des fibres optiques serait issue du bruit (bruit de phonons spontané dans l'interaction Brillouin), et son expression mathématique serait de la forme P*(Z=0)É Si exp j8; , expression dans laquelle Si et b; sont des termes d'amplitudes et de phases variant de façon aléatoire entre les différentes fibres du réseau 7. En d'autres termes, l'onde S sert à synchroniser les ondes pompes rétrodiffusées par effet Brillouin dans chaque fibre amplificatrice. The operation of the device of Figure 1 is as follows. The laser beam produced by the oscillator 1 has a coo frequency (in fact, in all rigor, the term w is called pulsation, and it is related to the frequency F by the relation co = 2ltF, but for simplification, we speak here frequency). The portion of this beam that arrives at the device 9 undergoes a translational frequency equal to - cos, so that the frequency of the beam sent via the fiber 10 to the input of the device 8 is coo cos. This beam S will be called later, and it will be noted that it is coherent with the beam coming from oscillator 1. This beam S interferes, in reflection mode, in each of the amplifying fibers 7 with the corresponding amplified beam. The phase coherence of all the amplified beams is performed as follows. In each fiber of the assembly 7, the injected power is sufficient to generate a backscattered wave by Brillouin effect. This wave is the conjugate phase of the incident amplified wave and its phase is controlled by the pump wave (from the device 8). As a result, the phase at the origin of the backscattered waves Z = 0 is imposed by the wave S at any point on the plane P, which is the wave plane at the end of the fibers 7, on the side of the device 8. Given the properties of the backscattered conjugate wave, each optical fiber of the grating 7 renders an amplified plane wave, and all of these amplified plane waves constitute the beam emitted by the laser source of FIG. we would not have the injection of the signal S, that is to say the interaction usually used in the prior art, the generation of the backscattered wave by each of the optical fibers would be noise (noise of spontaneous phonons in the Brillouin interaction), and its mathematical expression would be of the form P * (Z = 0) E Si exp j8; , wherein Si and b; are amplitude and phase terms varying randomly between the different fibers of the network 7. In other words, the S wave serves to synchronize the Brillouin backscattered pump waves in each amplifying fiber.

En résumé, dans le dispositif de la figure 1, chaque fibre amplificatrice génère par rétrodiffusion Brillouin une onde qui est la conjuguée de l'onde incidente. L'onde incidente est à la fréquence coo et provient directement de l'oscillateur via le coupleur 5) . L'invention permet ainsi de bénéficier d'un double passage dans le milieu à gain (fibres 7), qui extrait ainsi de façon efficace l'énergie amplifiée de ces fibres. In summary, in the device of FIG. 1, each amplifying fiber generates by Brillouin backscattering a wave which is the conjugate of the incident wave. The incident wave is at the coo frequency and comes directly from the oscillator via the coupler 5). The invention thus makes it possible to benefit from a double pass in the gain medium (fibers 7), which thus effectively extracts the amplified energy from these fibers.

On a représenté en figure 2 une variante de réalisation du dispositif de l'invention. Sur cette figure, des éléments similaires à ceux de la figure 1 ont été affectés des mêmes références numériques. Pour simplifier le dessin, on n'a pas représenté la liaison optique permettant de prélever une partie du faisceau de sortie de l'oscillateur pour l'injecter, avec un décalage en fréquence, via le dispositif de couplage 8, aux extrémités libres des fibres 15 (c'est-à-dire celles qui ne sont pas reliées aux fibres respectives du réseau 14). La différence essentielle par rapport au dispositif de la figure 1 réside dans le fait qu'au lieu du réseau 7 de fibres amplificatrices, on dispose entre les éléments 6 et 8 un premier réseau 14 de N fibres optiques amplificatrices (qui peut être le même que celui de la figure 1) dont les fibres sont reliées une à une à celles d'un second réseau 15 de N fibres optiques non dopées (ou, en variante, dopées mais non pompées). On constitue ainsi entre les éléments 6 et 8 un double réseau à N voies, chacune de ces N voies comportant une partie avec gain laser (fibres 14) et une partie sans gain laser (fibres 15). Il en résulte une séparation des fonctions amplification et rétrodiffusion Brillouin due à l'injection de l'onde S, c'est-à-dire une conjugaison de phase. La longueur des fibres du réseau 14 et du réseau 15 peut être de quelques mètres ou plus. Le fonctionnement de ce dispositif est similaire à celui du dispositif de la figure 1. On obtient à l'extrémité des fibres du réseau 14 qui est face à la lame 6 et dans le faisceau de sortie 13 un plan d'onde limité par diffraction et dont toutes les composantes (dans les N fibres) ont la même phase. Bien entendu, comme dans le cas de la figure 1, l'onde S doit être décalée en fréquence: si le faisceau produit par l'oscillateur 1 a une fréquence coo, celle de l'onde du faisceau S doit être coo - ws, le décalage en fréquence cos étant donné par: ws = 2n v/Xo, expression dans laquelle v est la vitesse de l'onde ultrasonore S, n l'indice de réfraction des fibres du réseau 15 et Xo la longueur d'onde du faisceau S. Selon un exemple de réalisation, la longueur d'onde Io est de 1 m, et le décalage en fréquence cos est d'environ 20GHz (ce qui correspond à une vitesse v de 6000ms-1). FIG. 2 shows an alternative embodiment of the device of the invention. In this figure, elements similar to those of FIG. 1 have been assigned the same numerical references. To simplify the drawing, it has not been shown the optical link for taking a portion of the output beam of the oscillator to inject it, with a frequency shift, via the coupling device 8, at the free ends of the fibers. 15 (i.e., those not connected to the respective fibers of the array 14). The essential difference with respect to the device of FIG. 1 lies in the fact that instead of the network 7 of amplifying fibers, between the elements 6 and 8 there is a first network 14 of N optical amplifying fibers (which may be the same as that of Figure 1) whose fibers are connected one by one to those of a second network 15 of N undoped optical fibers (or, alternatively, doped but not pumped). Thus, between the elements 6 and 8, a dual N-channel network is formed, each of these N channels comprising a portion with laser gain (fibers 14) and a portion without laser gain (fibers 15). This results in a separation of the Brillouin amplification and backscattering functions due to the injection of the S-wave, that is to say a phase conjugation. The length of the fibers of the network 14 and the network 15 may be a few meters or more. The operation of this device is similar to that of the device of FIG. 1. At the end of the fibers of the grating 14 which is opposite the blade 6 and in the output beam 13, a diffraction-limited wave plane is obtained. whose all components (in the N fibers) have the same phase. Of course, as in the case of FIG. 1, the wave S has to be shifted in frequency: if the beam produced by the oscillator 1 has a frequency coo, that of the wave of the beam S must be coo-ws, the frequency shift cos being given by: ws = 2n v / Xo, where v is the velocity of the ultrasonic wave S, n the refractive index of the fibers of the grating 15 and Xo the wavelength of the beam According to an exemplary embodiment, the wavelength Io is 1 m, and the frequency offset cos is approximately 20 GHz (which corresponds to a speed v of 6000 ms -1).

En variante de l'invention (non représentée), l'onde rétrodiffusée (conjuguée) est obtenue par génération d'un réseau à variation d'indice formé dans les fibres amplificatrices dopées Er ou Yb ou autre, qui, dans certaines conditions, est associé à la modulation spatiale du gain dans les fibres amplificatrices. C'est un processus physique du type à variation d'indice auto-induite de constante de temps t faisant intervenir un réseau formé par réflexion qui génère une onde conjuguée contrapropagative par rapport à l'onde incidente. En général, il faut injecter un faisceau dont la fréquence est décalée d'une valeur &o= 1/2rci pour pouvoir initier un réseau mobile dans les fibres amplificatrices. Un tel décalage est obtenu simplement à l'aide d'un translateur de fréquences électro-optique. As a variant of the invention (not shown), the backscattered (conjugated) wave is obtained by generating an index variation network formed in the Er or Yb or other doped amplifying fibers, which under certain conditions is associated with the spatial modulation of the gain in the amplifying fibers. It is a physical process of the self-induced constant-time index variation type t involving a reflection-formed array that generates a counterpropagating conjugate wave with respect to the incident wave. In general, it is necessary to inject a beam whose frequency is shifted by a value & o = 1 / 2rci to be able to initiate a mobile network in the amplifying fibers. Such an offset is obtained simply with the aid of an electro-optical frequency translator.

Le mode de réalisation des figures 1 et 2 met en oeuvre un réseau de fibres optiques amplificatrices à maintien de polarisation. Ce sont par exemple des fibres à gros coeur (d'un diamètre d'environ 50 m), dopées Er ou Yb, à faible ouverture numérique, qui assurent une propagation monomode. Selon une autre variante de réalisation de l'invention (non représentée), on utilise des fibres amplificatrices multimodes à très gros coeur (d'un diamètre supérieur à 50 m). Compte tenu des propriétés de l'onde conjuguée, la mise en cohérence de phase du plan d'onde dans ces fibres est maintenue après rétropropagation et injection de l'onde S. Si les fibres ne sont pas du type à maintien de polarisation, on traite séparément les deux composantes de polarisation à la sortie de chaque fibre amplificatrice à l'aide de moyens connus. The embodiment of FIGS. 1 and 2 implements an array of polarization-maintaining amplifying optical fibers. They are, for example, large-core fibers (with a diameter of about 50 m), doped Er or Yb, with low numerical aperture, which ensure monomode propagation. According to another embodiment of the invention (not shown), multimode amplifying fibers with a very large core (greater than 50 m in diameter) are used. Given the properties of the conjugate wave, the phase coherence of the wave plane in these fibers is maintained after backpropagation and injection of the wave S. If the fibers are not of the polarization-maintaining type, separately processes the two polarization components at the output of each amplifying fiber using known means.

Selon le mode de réalisation représenté en figure 3, qui est similaire à celui de la figure 2, on remplace le réseau de fibres 15 par une fibre unique 16 à gros coeur, le réseau de fibres amplificatrices 14 pouvant rester inchangé. Pour simplifier le dessin, on n'a pas représenté la liaison optique permettant de prélever une partie du faisceau de sortie de l'oscillateur pour l'injecter, avec un décalage en fréquence, à l' extrémité libre de la fibre 16. Cette fibre 16 a une longueur de lm ou plus, et les N fibres amplificatrices 14 lui sont reliées de façon appropriée, par exemple par soudage. Dans le dispositif de la figure 3, l'onde issue de l'oscillateur est injectée de façon classique dans les fibres optiques amplificatrices, dans lesquelles elle est équirépartie. Les différentes ondes individuelles, après amplification, interfèrent dans la fibre 16, qui sert de support à la génération d'une onde conjuguée en phase par rapport à l'ensemble des ondes incidentes. According to the embodiment shown in Figure 3, which is similar to that of Figure 2, the fiber network 15 is replaced by a single core fiber 16, the network of amplifying fibers 14 can remain unchanged. To simplify the drawing, it has not been shown the optical link for taking a portion of the output beam of the oscillator to inject it, with a frequency shift, at the free end of the fiber 16. This fiber 16 is 1 m long or longer, and the N amplifying fibers 14 are suitably connected thereto, for example by welding. In the device of FIG. 3, the wave originating from the oscillator is injected in a conventional manner into the amplifying optical fibers, in which it is equidistributed. The different individual waves, after amplification, interfere in the fiber 16, which serves as a support for the generation of a wave conjugate in phase with respect to all the incident waves.

En conclusion, le dispositif de l'invention peut fonctionner en mode impulsionnel ou en mode continu, dans la mesure où l'énergie est répartie sur un grand nombre de fibres amplificatrices. Les amplificateurs à fibre optique sont utilisés en double passage, ce qui permet d'extraire au mieux l'énergie du milieu à gain. Les fibres utilisées sont, de préférence du type à maintien de polarisation, et dans le cas contraire, on doit traiter séparément chaque composante de polarisation. In conclusion, the device of the invention can operate in pulse mode or in continuous mode, insofar as the energy is distributed over a large number of amplifying fibers. Fiber optic amplifiers are used in double pass, which makes it possible to extract the energy of the gain medium as well as possible. The fibers used are preferably of the polarization-maintaining type, and in the opposite case, each polarization component must be treated separately.

Dans le cas où la source ainsi réalisée fonctionne en régime impulsionnel, elle peut avantageusement être utilisée pour produire des impulsions de l'ordre de quelques nanosecondes. Les fibres amplificatrices peuvent être du type monomode ou multimode. In the case where the source thus produced operates in pulsed mode, it can advantageously be used to produce pulses of the order of a few nanoseconds. The amplifying fibers may be of the monomode or multimode type.

Claims

1. Device for phasing an optical fiber network of the type comprising a laser oscillator (1) followed by a coupling device (5) at one end of an amplifying optical fiber network (7, 14), characterized in that it comprises between the oscillator and the coupling device a wave pickup device (2) connected by an optical link (4, 10, 11, 12) to the other end of the optical fiber network via another coupling device (8), a frequency shift generating device (9) being coupled to said optical link, and frequency shift backscattered waveforming means (7, 15, 16) disposed between the two coupling devices.

2. Device according to claim 1, characterized in that the means for forming backscattered waves are the amplifying fibers themselves (7).

3. Device according to claim 1, characterized in that the means for forming backscattered waves are undoped fibers (15) connected one by one to the amplifying fibers (14).

4. Device according to claim 1, characterized in that the backscattered wave forming means are doped (15) and unpumped fibers, connected one by one to the amplifying fibers (14).

5. Device according to claim 1, characterized in that the means for forming backscattered waves comprise a single optical fiber (16) with a large core, to which are connected all the optical amplifying fibers (14).

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the frequency shift creation device is an optical fiber Brillouin effect appendix (9).

7. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the frequency shift creation device is an electro-optical frequency translator.