International audienceDans ce document, nous présentons les résultats de caractérisation de la rétrodiffusion Brillouin dans une fibre optique microstructurée (FOM) en verre de chalcogénure As 42 S 58 . Les résultats obtenus montrent que cette fibre optique serait appropriée pour des applications en optique non-linéaire basées sur l'effet Brillouin. MOTS-CLEFS : Effet Brillouin ; verres chalcogénures ; fibres optiques microstructurées

Beugnot, J-C

Brilland, L

Maillotte, H

Méchin, D

Sylvestre, T

Tchahame, J.C.

Troles, J

HAL-Rennes 1

Caracte´risation de la re´trodiffusion Brillouin dans unefibre optique chalcoge´nure AS42S58 microstructure´eJ.C. Tchahame, J-C Beugnot, L Brilland, D Me´chin, J Troles, H Maillotte, TSylvestreTo cite this version:J.C. Tchahame, J-C Beugnot, L Brilland, D Me´chin, J Troles, et al.. Caracte´risation de lare´trodiffusion Brillouin dans une fibre optique chalcoge´nure AS42S58 microstructure´e. Journe´esnationales d’Optique Guide´e, Oct 2014, Nice, France. pp.70-72. <hal-01095470>HAL Id: hal-01095470https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01095470Submitted on 14 Sep 2015HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, estdestine´e au de´poˆt et a` la diffusion de documentsscientifiques de niveau recherche, publie´s ou non,e´manant des e´tablissements d’enseignement et derecherche franc¸ais ou e´trangers, des laboratoirespublics ou prive´s.CARACTE´RISATION DE LA RE´TRODIFFUSION BRILLOUIN DANS UNE FIBREOPTIQUE CHALCOGE´NURE As42S58 MICROSTRUCTURE´EJ. C. Tchahame1∗, J-C. Beugnot1, L. Brilland2, D. Me´chin2, J. Troles3, H. Maillotte1, et T.Sylvestre11 Institut FEMTO-ST, UMR CNRS 6174, Universite´ de Franche-Comte´, 25030 Besanc¸on2 Photonics Bretagne, 11 rue Louis de Broglie, 22300 Lannion3 Universite´ de Rennes I, UMR CNRS 6226, Campus de Beaulieu, 35042 Rennesjoelcabrel.tchahame@femto-st.frRE´SUME´Dans ce document, nous pre´sentons les re´sultats de caracte´risation de la re´trodiffusion Brillouindans une fibre optique microstructure´e (FOM) en verre de chalcoge´nureAs42S58. Les re´sultatsobtenus montrent que cette fibre optique serait approprie´e pour des applications en optiquenon-line´aire base´es sur l’effet Brillouin.MOTS-CLEFS : Effet Brillouin ; verres chalcoge´nures ; fibres optiques microstructure´es.1. INTRODUCTIONLes verres chalcoge´nures ont e´te´ re´cemment identifie´s comme des mate´riaux optiques tre`s attrac-tifs pour de nombreuses applications aux domaines des capteurs, des te´le´communications optiques et dela spectroscopie dans le moyen-infrarouge [1]. Leurs avantages par rapport aux verres a` base de silicesont d’une part une grande feneˆtre de transparence allant de 1 µm jusqu’a` 12 µm et, d’autre part, de tre`sfortes non-line´arite´s optiques [2]. A titre d’exemple, L’indice non-line´aire Kerr n2 et le gain Raman gRpeuvent atteindre des valeurs 100 fois supe´rieures a` celles de la silice [2]. Par conse´quent, de nombreusese´tudes sont actuellement consacre´es a` l’e´tude ces verres et en particulier aux de´veloppement de fibresoptiques pour notamment re´aliser des sources de lumie`re supercontinuum [3]. Parmi les non-line´arite´soptiques du troisie`me ordre, l’effet Brillouin est une interaction acousto-optique fondamentale qui sur-vient e´galement dans les fibres optiques et qui se traduit par une diffusion ine´lastique de la lumie`re pardes ondes acoustiques. Malgre´ ses applications potentielles aux domaines des lasers et des capteurs [4],l’effet Brillouin a e´te´ relativement peu e´tudie´ dans les fibres de verres chalcoge´nures [5–7].Dans cette communication, nous pre´sentons les re´sultats de l’e´tude expe´rimentale re´alise´e dansune nouvelle fibre optique microstructure´e avec une composition originale de type As42S58. Un desprincipaux avantages de ce verre par rapport aux autres verres chalcoge´nures, par exemple a` base deSelenium, est sa bien meilleure tenue au flux de puissance. Nos mesures de spectres Brillouin re´ve`lentdes coefficients de gain 20 fois supe´rieurs a` des fibres monomodes de silice a` 1550 nm, et des largeurspectrale de gain d’environ 80 MHz.2. RE´SULTATS EXPE´RIMENTAUXAfin d’observer et caracte´riser la re´trodiffusion Brillouin dans la fibre As42S58, nous avons re´alise´le montage expe´rimental sche´matise´ sur la figure 1, et dont le principe de mesure repose sur la de´tectionhe´te´rodyne [8]. Pour ce faire, on utilise un laser a` fibre e´mettant en re´gime continu a` la longueur d’ondede 1550 nm avec une largeur de raie relativement e´troite ('10 kHz). Le faisceau laser est ensuite in-jecte´ dans la fibre As42S58 a` l’aide d’un circulateur optique et d’une fibre a` grande ouverture nume´rique(HNA) afin d’assurer un bon taux de couplage. Les pertes relatives entre les deux fibres sont d’environ17%. Une came´ra infrarouge situe´e en sortie de montage nous permet e´galement de ve´rifier le caracte`reunimodal de la fibre. Le signal re´trodiffuse´ et de´cale´ en fre´quence du cote´ Stokes par effet Doppler est re-dirige´ par le circulateur vers un coupleur 90/10 afin d’effectuer un battement optique avec la source laserinitiale. La de´tection he´te´rodyne s’effectue ainsi dans le domaine radio-fre´quence (RF) au moyen d’uneCoupleur 90 : 10 Amplificateur RFPhotodiodeCirculateurIsolateurAnalyseur de spectreélectriqueEDFA 1,5 m HNADiode laser1550 nm8 m As42S58mWPuissance-mètrePompeStokes1 23FIGURE 1 : Montage expe´rimental et image prise au microscope e´lectronique a` balayage de la fibre chalcoge´nure.photodiode rapide, d’un amplificateur RF et d’un analyseur de spectre e´lectrique. La fibre microstruc-ture´e teste´e posse`de une maille triangulaire avec un cœur de diame`tre dc = 8,24µm. Les trous d’air, bienque peu uniformes, ont en moyenne un diame`tre d = 3,2µm sur la premie`re couronne autour du cœur.Le pas moyen Λ est 5,48µm et dΛ ' 0,6. L’indice de re´fraction du verre As42S58 est de 2,37 a` 1550nm et l’atte´nuation d’environ 1dB/m [9]. A` l’aide du logiciel de calcul COMSOL base´ sur les e´le´me´ntsfinis, nous avons estime´ nume´riquement l’indice effectif du mode fondamental ne f f ' 2,36 et son aireeffective a` 16,13 µm2. Le spectre du signal Brillouin est mesure´ pour plusieurs puissances injecte´es. Lesre´sultats obtenus sont pre´sente´s sur la figure 2. On note clairement une augmentation de la courbe de7 7.5 800.050.10.150.20.25Fréqences (GHz)Intensité (u.a.)ExpérienceApproximation7 7.2 7.4 7.6 7.8 8 8.20.10.20.30.40.5Fréqences (GHz)Intensité (u.a.)15,47 dBm16,66 dBm17,41 dBmFIGURE 2 : Spectres Brillouin expe´rimentaux de la fibre microstructure´e As42S58 de longueur 8 m. (a) Mesuresdu spectre pour plusieurs puissances incidentes, les re´flexions de Fresnel sont prises en compte. (b) Approximationlorentzienne du spectre a` 15,47 dBm pour la de´termination de la largeur a` mi-hauteur.gain Brillouin en fonction de la puissance incidente. Plus la puissance incidente se rapproche du seuil depuissance critique (the´oriquement estime´ a` 28dBm), plus le signal re´trodiffuse´ est prononce´. Le de´calageen fre´quence Brillouin νB induit par l’onde acoustique longitudinale est de 7,605GHz. Cette mesure esten bon accord avec l’e´quation de la fre´quence Brillouin donne´e par νB = 2neffvA/λ , ou` vA est la vitesseacoustique longitudinale (vA = 2600 m.s−1) et λ la longueur d’onde du laser dans le vide [7]. Un traite-ment nume´rique incluant moyennage et de´bruitage nous permet d’extraire la largeur a` mi-hauteur ∆νBdes spectres et d’estimer the´oriquement le gain Brillouin gB a` partir de la relation suivante 1.gB =2pin7eff p212λ 2Pρ0vAc∆νB(1)Dans le tableau suivant nous avons regroupe´ les re´sultats de mesures. Les coefficients P12 = 0,299,ρ0 = 3198kg/m3, vA = 2600 m.s−1 [10] sont ceux de la composition As2S3, qui est stoechiome´triquementproche de As42S58. Dans le tableau 1, on peut constater que ∆νB croit avec la puissance incidente,Puissances incidentes (dBm) 15,47 16,66 17,41∆νB (MHz) 74 77 94gB(×10−10m/W ) 5,3 5,1 4,2TABLE 1 : Largeur a` mi-hauteur des spectres mesure´s a` 1550 nm pour plusieurs puissances incidentes et estimationsdu gain Brillouin. neff ' 2,36 a` 1550 nm, c = 3×108m/s.contrairement a` ce qui est ge´ne´ralement observe´ dans les fibres optiques de silice. Nous trouvons e´galementun gain Brillouin moyen de 4,9× 10−10m/W qui est presque 20 fois supe´rieur a` celui d’une fibre mo-nomode de silice (gsilice = 2,71× 10−11m/W [7]), malgre´ une largeur spectrale de gain relativementimportante.CONCLUSIONNous avons observe´ et caracte´rise´ la re´trodiffusion Brillouin dans une fibre optique microstruc-ture´e en verre chalcoge´nure As42S58, re´ve´lant ainsi un facteur de gain Brillouin de 4,9× 10−10m/W ,20 fois supe´rieur a` celui d’une fibre monomode de silice. Ces re´sultats montrent un potentiel applicatifinte´ressant de ces fibres chalcoge´nures pour la re´alisation de laser Brillouin a` fibre dans le proche etmoyen-infrarouge ainsi que des capteurs re´partis a` fibre pour mesurer la tempe´rature ou la contrainte.RE´FE´RENCES[1] B. J. Eggleton, B. Luther-Davies, and K. Richardson, “Chalcogenide photonics,” Nat. Photon. 5, 141-148(2011).[2] R. E. Slusher, G. Lenz, J. Hodelin, J. Sanghera, L. B. Shaw, and I. D. Aggarwal, “Large Raman gain andnonlinear phase shifts in high-purity As2Se3 chalcogenide fibers,” J. Opt. Soc. Am. B 21, 1146 (2004).[3] O. Mouawad, J. Picot-Cle´mente, F. Amrani, C. Strutynski, J. Fatome, B. Kibler, F. De´se´ve´davy, G. Gadret,J.-C. Jules, D. Deng, Y. Ohishi, and F. Smektala, “Multioctave midinfrared supercontinuum generation insuspended-core chalcogenide fibers,” Opt. Lett. 39, 2684-2687 (2014).[4] K. H. Tow, Y. Leguillon, P. Besnard, L. Brilland, J. Troles, P. Toupin, D. Me´chin, D. Tre´goat, and S. Molin,“Relative intensity noise and frequency noise of a compact Brillouin laser made of As38Se62 suspended-core chalcogenide fiber,” Opt. Lett. 37, 1157-1159 (2012).[5] K. Ogusu, H. Li, and M. Kitao, “Brillouin-gain coefficients of chalcogenide glasses,” J. Opt. Soc. Am. B21, 1302-1304 (2004).[6] K. S. Abedin, “Observation of strong stimulated Brillouin scattering in single-mode As2Se3 chalcogenidefiber,” Opt. Express 13, 10266-10271 (2005).[7] J.-C. Beugnot, R. Ahmad, M. Rochette, V. Laude, H. Maillotte, and T. Sylvestre, “Reduction and controlof stimulated brillouin scattering in polymer-coated chalcogenide optical microwires,” Opt. Lett., vol. 39,no. 3, pp. 482–485, 2014.[8] J-C. Beugnot, T. Sylvestre, D. Alasia, H. Maillotte, V. Laude, A. Monteville, L. Provino, N. Traynor, S.Foaleng Mafang, and L. The´venaz, “Complete experimental characterization of SBS in photonic crystalfiber,” Opt. Express 15, 15522 (2007).[9] J. Hu, N.-N. Feng, N. Carlie, L. Petit, J. Wang, A. Agarwal, K. Richardson, and L. Kimerling, “Low-losshigh-index-contrast planar waveguides with graded-index cladding layers,” Opt. Express, vol. 15, no. 22, pp.14 566–14 572, Oct 2007.[10] T. Shchurova and N. Savchenko, “Correlation between mechanical parameters for amorphous chalcoge-nide films,” 2001.

Caractérisation de la rétrodiffusion Brillouin dans une fibre optique chalcogénure AS42S58 microstructurée

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