Ce travail de thèse concerne la réalisation d’une source VECSEL bi-fréquence émettant à 1550 nm pour les capteurs à fibres optiques à base de l’effet Brillouin. Nous présentons la conception et la réalisation de la source VECSEL bi-fréquence. Nous comparons les spécifications de notre source réalisée avec ceux recommandés pour la source utilisée avec les capteurs de Brillouin. Dans un premier temps, nous avons testé les structures VECSELs fabriquées au laboratoire LPN-CNRS dans le but de sélectionner la structure la plus performante pour notre cavité finale. La structure sélectionnée fournit une puissance de sortie ~200 mW avec un schéma d’évacuation de chaleur à travers le miroir de Bragg. Il est nécessaire de générer un décalage fréquentiel autour de 11 GHz, pour cela, dans un second temps, nous avons calculé l’accordabilité du décalage fréquentiel par plusieurs façons (la rotation de la lame biréfringente, la variation de la longueur de cavité et la variation de la température du cristal biréfringent). Nous avons trouvé qu’une accordabilité grossière (de l’ordre du GHz) peut-être assurée avec la rotation de la lame biréfringente alors qu’une accordabilité plus fine (de l’ordre de MHz) peut-être assurée avec la variation de la température du cristal ainsi que la variation de la longueur de cavité. Dans un troisième temps, nous avons démontré la possibilité de réaliser une émission bi-fréquence avec nos structures semi conductrices, néanmoins l’émission obtenue était instable. Après l’optimisation de la table optique l’émission obtenue observée sur un analyseur de spectre optique (avec une résolution de 1 GHz) était stable. Un meilleur contrôle de la stabilité de l’émission bi-fréquence est assuré avec la focalisation du diamètre du spot de pompage. Pour obtenir de faibles diamètres du spot de pompage, nous avons utilisé une diode laser de pompage monomode qui permet de pomper le mode fondamental de cavité. Les puissances de sorties ont été examinées. Nous avons remarqué qu’une puissance de sortie de 50 mW peut être obtenue en optimisant la réflectivité du miroir de sortie ainsi que la fonction de filtre et l’ISL de l’étalon Fabry-Pérot. Dans un quatrième temps nous avons examiné la stabilité de l’émission bi-fréquence avec une résolution ~ 1 GHz pour de différentes valeurs de recouvrement spatial entre les modes de cavité. Une émission bi-fréquence stable était observée avec un coefficient de recouvrement spatial allant jusqu’à 70%. Une examination de la stabilité avec une résolution de l’ordre de kHz était réalisée. Nous avons observé une largeur de raie de 200 kHz. Pour estimer la dérive du battement fréquentiel sur des temps longs, nous avons examiné l’évolution de l’enveloppe fréquentielle sur des intervalles temporels d’une minute. Une dérive de 0.8 MHz/minute était observée / In this thesis, we focus on the development of a dual-frequency VECSEL source operating at 1550 nm for Brillouin based optical fiber sensors. We present the design and the realization of this dual-frequency source. We compare the obtained results to the recommended specifications for Brillouin fiber sensors. In a first step, we have examined the output power of VECSEL structures fabricated in the LPN-CNRS labs. The selected structure ensure an output power of ~200mW using a downward heat dissipation scheme. For our application, it is crucial to ensure a frequency difference between the two cavity modes close to 11 GHz. For this reason, in a second step, we have calculated the frequency difference tunability with several ways (rotation of the birefringent crystal, temperature variation of the birefringent crystal and cavity length variation). A large tunability (GHz order) is ensured when the birefringent crystal is rotated. A weak tunability (MHz order) is ensured by varying the cavity length and the crystal temperature. In a third step, we have demonstrated the realization of a dual-frequency VECSEL at 1550 nm; however, the obtained laser emission was unstable. By optimizing our optical table, the observed dual frequency emission was stable (using a resolution ~1 GHz). A better control of the laser emission stability is ensured by a better focalization of the pump spot diameter. For this reason we have used a single mode laser diode as a pump source. This type of source ensures the pumping of the fundamental cavity modes only. By examining the influence of intra cavity elements on output powers, we have concluded that, an output power around 50 mW can be obtained using an output coupler of 99% reflectivity and a Fabry-Perot etalon with FSR= 15 nm and filter function close to 0.56 nm at 99.5% transmission. In a fourth step, we have examined the stability of the dual-frequency emission with a resolution ~1 GHz for different values of the coupling constant coefficient. A stable dual-frequency emission is obtained with a coupling coefficient between the modes up to 70 %. By investigating the stability with a kHz resolution we have obtained a FHWM close to 200 kHz.To estimate the jitter of the beat frequency obtained we have examined the evolution of the frequency envelope over a minute. A jitter of 0.8 MHz/minute was observed

Thèse en cotutelle : Université Laval Québec, Canada et Université Rennes 1 / ENSSAT Lannion, France / 337931\u La diffusion Brillouin stimulée se manifeste, à partir d’une certaine intensité lumineuse, par la génération d’une onde « Stokes » rétrodiffusée, suite à l’interaction entre la lumière incidente de la « Pompe » et les ondes « acoustiques » présentes dans le milieu diffusant. À partir de ce seuil, toute la puissance supplémentaire peut être transférée à l’onde Stokes. Si dans ce sens, la diffusion Brillouin stimulée constitue une limitation majeure pour les télécommunications par fibres optiques, elle revêt néanmoins une importance particulière pour bien d’autres domaines. En effet, lors de sa génération, l’onde Stokes subit un décalage de fréquence (que l’on appelle décalage Brillouin ou encore fréquence Brillouin), qui est directement proportionnel entre autres à l’indice de réfraction effectif du milieu diffusant et à la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans ce milieu. Le décalage Brillouin dépend des propriétés chimiques et physiques des fibres optiques. Il présente une grande sensibilité à tous les effets qui peuvent modifier la vitesse de l’onde acoustique (variation de température, contraintes, concentration de dopants, …). Cette propriété permet d’étudier la composition des fibres et confère à la diffusion Brillouin stimulée la potentialité pour la réalisation de capteurs à fibres optiques. Le processus de diffusion Brillouin stimulée s’accompagne aussi d’un gain pour l’onde Stokes rétrodiffusée. Il peut donc être utilisé pour la réalisation d’amplificateurs et de lasers à fibres optiques. Les premiers travaux sur le laser à fibre Brillouin ont permis de montrer que celui-ci peut être très cohérent et très peu bruité, favorisant ainsi son utilisation dans de multiples domaines comme la défense, la métrologie et les télécommunications. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons étudié expérimentalement les propriétés statiques et dynamiques du laser à fibre Brillouin multi-Stokes, obtenu en cascadant l’effet non-linéaire Brillouin dans la fibre optique. En effet, l’onde Stokes générée (que nous appelons désormais l’onde Stokes d’ordre 1), placée dans une cavité doublement résonante, peut créer, lorsque la puissance est suffisante, une deuxième onde Stokes (l’onde Stokes d’ordre 2) dans la cavité Brillouin, pouvant donner naissance à un laser à fibre Brillouin à 2 ordres de Stokes. On peut imaginer, en augmentant la puissance de Pompe incidente, reproduire le même effet pour obtenir un laser à fibre Brillouin à plusieurs ordres d’ondes Stokes. Notre objectif est d’abord de caractériser correctement la diffusion Brillouin stimulée dans une fibre optique, ensuite de placer cette fibre dans une cavité Brillouin en vue d’en réaliser un laser à fibre Brillouin et enfin de caractériser celui-ci en termes de puissance de sortie, de bruit de fréquence et de bruit d’intensité. Nous montrons expérimentalement que : toute onde circulant dans la cavité Brillouin et qui atteint la puissance (critique) de seuil Brillouin peut générer une onde Stokes dans la cavité. L’onde génératrice voit alors sa puissance clampée au profit de l’onde Stokes créée ; le bruit de fréquence de la Pompe (incidente à la cavité Brillouin) est toujours plus fort que celui du laser Brillouin. La génération d’une onde Stokes d’ordre N+1 fait diminuer le bruit de fréquence du laser Brillouin d’ordre N tandis que la présence d’une onde Stokes d’ordre N+2 le fait augmenter ; le bruit d’intensité du laser Brillouin d’ordre N peut devenir inférieur à celui de la Pompe incidente lorsque la puissance de l’onde Stokes d’ordre N circulant dans la cavité est verrouillée à la puissance de seuil Brillouin. Un réglage de l’asservissement du laser est alors nécessaire pour minimiser les effets de « mode-pulling », qui peut faire varier l’intensité du laser / 337932\u La diffusion Brillouin stimulée se manifeste, à partir d’une certaine intensité lumineuse, par la génération d’une onde « Stokes » rétrodiffusée, suite à l’interaction entre la lumière incidente de la « Pompe » et les ondes « acoustiques » présentes dans le milieu diffusant. À partir de ce seuil, toute la puissance supplémentaire peut être transférée à l’onde Stokes. Si dans ce sens, la diffusion Brillouin stimulée constitue une limitation majeure pour les télécommunications par fibres optiques, elle revêt néanmoins une importance particulière pour bien d’autres domaines. En effet, lors de sa génération, l’onde Stokes subit un décalage de fréquence (que l’on appelle décalage Brillouin ou encore fréquence Brillouin), qui est directement proportionnel entre autres à l’indice de réfraction effectif du milieu diffusant et à la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans ce milieu. Le décalage Brillouin dépend des propriétés chimiques et physiques des fibres optiques. Il présente une grande sensibilité à tous les effets qui peuvent modifier la vitesse de l’onde acoustique (variation de température, contraintes, concentration de dopants, …). Cette propriété permet d’étudier la composition des fibres et confère à la diffusion Brillouin stimulée la potentialité pour la réalisation de capteurs à fibres optiques. Le processus de diffusion Brillouin stimulée s’accompagne aussi d’un gain pour l’onde Stokes rétrodiffusée. Il peut donc être utilisé pour la réalisation d’amplificateurs et de lasers à fibres optiques. Les premiers travaux sur le laser à fibre Brillouin ont permis de montrer que celui-ci peut être très cohérent et très peu bruité, favorisant ainsi son utilisation dans de multiples domaines comme la défense, la métrologie et les télécommunications. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons étudié expérimentalement les propriétés statiques et dynamiques du laser à fibre Brillouin multi-Stokes, obtenu en cascadant l’effet non-linéaire Brillouin dans la fibre optique. En effet, l’onde Stokes générée (que nous appelons désormais l’onde Stokes d’ordre 1), placée dans une cavité doublement résonante, peut créer, lorsque la puissance est suffisante, une deuxième onde Stokes (l’onde Stokes d’ordre 2) dans la cavité Brillouin, pouvant donner naissance à un laser à fibre Brillouin à 2 ordres de Stokes. On peut imaginer, en augmentant la puissance de Pompe incidente, reproduire le même effet pour obtenir un laser à fibre Brillouin à plusieurs ordres d’ondes Stokes. Notre objectif est d’abord de caractériser correctement la diffusion Brillouin stimulée dans une fibre optique, ensuite de placer cette fibre dans une cavité Brillouin en vue d’en réaliser un laser à fibre Brillouin et enfin de caractériser celui-ci en termes de puissance de sortie, de bruit de fréquence et de bruit d’intensité. Nous montrons expérimentalement que : toute onde circulant dans la cavité Brillouin et qui atteint la puissance (critique) de seuil Brillouin peut générer une onde Stokes dans la cavité. L’onde génératrice voit alors sa puissance clampée au profit de l’onde Stokes créée ; le bruit de fréquence de la Pompe (incidente à la cavité Brillouin) est toujours plus fort que celui du laser Brillouin. La génération d’une onde Stokes d’ordre N+1 fait diminuer le bruit de fréquence du laser Brillouin d’ordre N tandis que la présence d’une onde Stokes d’ordre N+2 le fait augmenter ; le bruit d’intensité du laser Brillouin d’ordre N peut devenir inférieur à celui de la Pompe incidente lorsque la puissance de l’onde Stokes d’ordre N circulant dans la cavité est verrouillée à la puissance de seuil Brillouin. Un réglage de l’asservissement du laser est alors nécessaire pour minimiser les effets de « mode-pulling », qui peut faire varier l’intensité du laser

Cette étude va servir à comprendre la source des instabilités observées expérimentalement dans les lasers à fibre de puissance. La première partie de ce travail est consacrée a la mise en oeuvre d'un modèle cinétique qui décrit l'évolution spatio-temporelle de l'intensité d'un laser de puissance à fibre dopée ytterbium en présence de la DBS. La cavité de ce laser est de type Fabry Pérot. Elle est constituée de deux miroirs ce qui conduit à l'existence de deux ondes laser (aller-retour) qui se propagent en sens contraire, ainsi que de deux ondes Stokes associées aux ondes laser. La présence de toutes ces ondes sous la courbe de gain nécessite la prise en compte de la saturation croisée entre les ondes laser et les ondes Stokes. Le résultat original le plus important de cette étude est qu'en présence de la diffusion Brillouin stimulée, le laser à fibre de puissance dopée ytterbium présente un fonctionnement auto-impulsionnel dans le cas d'une cavité à forte pertes sans aucun absorbant saturable. Pour le cas d'une bonne cavité où cavité à faibles pertes la dynamique présente un fonctionnement continu quel que soit le taux de pompage, ce qui est conforme aux observations expérimentales. Dans Ia deuxième partie nous avons étudié numériquement l'influence de la diffusion BriIlouin dans une cavité laser à faibles pertes, en utilisant le modèle des amplitudes couplées et en tenant compte de la dynamique de l'onde acoustique. Des fonctionnements dynamiques riches et complexes sont observés.