Development of a dual-frequency VECSEL source for the measurement of the Brillouin effect in the optical fibers
Développement d'une source VECSEL bi-fréquence pour la mesure de l'effet brillouin dans les fibres optiques
Résumé
The purpose of our project is the realization of an optically-pumped, dual frequency VECSEL at telecom wavelength (1.5 µm) with a frequency difference in the radiofrequency range (e.g. around 11 GHz), to be used in a sensor unit based on Brillouin scattering in optical fibers. The targeted frequency difference is close to the Brillouin frequency in a standard single mode fiber, and one laser frequency can be used to probe the fiber, while the second one acts as the reference for the detection of the backscattered signal. Dual-frequency emission is achieved by inserting in the VECSEL cavity a birefringent crystal.
We have examined in details the influence of the intra cavity elements on the dual frequency emission. The experiments have shown that the optimization of the free spectral range and the bandwidth of the intra-cavity Fabry-Perot etalon is of practical importance in order to achieve a single longitudinal laser emission for each of the two orthogonal polarizations. The optimization of the output power has also been investigated and it is shown that up to 50 mW output power can be expected by adjusting the reflectivity of the output coupling mirror of the VECSEL cavity.
The achievement of a highly-stable RF signal is crucial for sensing applications. For this reason the influence of different parameters on the stability of the dual frequency emission, such as the pump laser diameter, the cavity mode waist, the mechanical vibrations, and the mode coupling strength between the two orthogonally-polarized modes, have been studied. It is concluded that the mechanical vibrations are the main cause of the RF signal instability, whereas the mode coupling strength has a lower impact, allowing to adapt the cavity mode size to the pump spot size.
The obtained frequency difference was not always stable, so we studied the tunability of this frequency difference by varying parameters (cavity length, birefringent crystal thickness and rotation angle).
Le but du projet de thèse, est la réalisation d’une source VECSEL bi-fréquence émettant à 1.5 µm avec une différence de fréquence dans le domaine de radio fréquence (RF) proche de 11 GHz, pour les capteurs de Brillouin à base de fibres optiques. La valeur 11 GHz correspond au décalage de Brillouin dans les fibres optiques monomodes (SMF). L’émission bi-fréquence est obtenue en insérant une lame biréfringente dans la cavité laser, nous avons choisi la lame YVO4 puisqu’elle assure une séparation spatiale du faisceau laser. Cette même lame assure aussi une séparation fréquentielle, les deux fréquences obtenues sont polarisées orthogonalement. Pour obtenir une émission monomode longitudinale sur chaque fréquence nous avons inséré dans la cavité laser un étalon Faby-Pérot (F-P). Avec les capteurs, une des fréquences sera utilisée comme oscillateur local (OL) et une autre fréquence jouera le rôle de la pompe. Un hétérodynage sera réalisé entre le signal rétrodiffusé et le signal de l’OL. Ceci permettra la détection et l’analyse du signal dans le domaine de moyennes fréquences (< 1 GHz).
Après avoir réalisé l’émission bi-fréquence, nous avons examiné l’influence des éléments intra cavité sur l’obtention de deux fréquences polarisées orthogonalement. Les expériences ont montré que l’optimisation de l’intervalle spectral libre (ISL) de l’étalon F-P permet l’obtention facile d’une émission laser monomode longitudinale. Les expériences ont montré aussi que l’optimisation de la réflectivité du miroir de sortie permet d’obtenir une puissance de sortie autour de 50 mW en émission bi-fréquence. Avec les capteurs, il est nécessaire d’obtenir une émission laser stable. Pour cela nous avons examiné l’influence de différents paramètres tel que le diamètre du spot de pompage, le waist du mode de la cavité, les vibrations mécaniques, la force de couplage entre les modes orthogonaux de cavité… sur la stabilité de l’émission laser bi-fréquence. Les vibrations mécaniques étaient une cause de l’instabilité de l’émission bi-fréquence alors que la force de couplage entre ces modes avait peu d’influence sur la stabilité de cette émission.
La différence de fréquence obtenue entre les modes orthogonaux n’était pas stable. Pour cela nous avons fait des calculs pour voir l’influence de la variation de certains paramètres (la température d’YVO4, la rotation d’YVO4 et la longueur de la cavité) sur cette différence.
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