Laser micro-sphérique en verre oxyde dopé Erbium
L. Ghisa
1
, M. Thual
1
, Y. Dumeige
1
, P. Féron
1
, M. Ferrari
2
1
Laboratoire d'Optronique, CNRS - UMR 6082, ENSSAT, Lannion, France
Tel : 02 96 46 90 42, Fax : 02 96 37 01 99, e-mail :
feron@enssat.fr
2
CNR-IFN, Istituto di Fotonica e Nanotecnologie, CSMFO group, Povo-Trento Italia
Abrégé : Nous avons étudié l'effet laser associé à la transition
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de l'ion Erbium (~1540
nm) dans des microsphères en verre silicate « Baccarat ». Nous montrons que l'utilisation de ces
verres pour la fabrication des résonateurs supprime notablement le problème de la durée de vie
limitée des lasers microsphériques.
1. Introduction
La lumière peut-être confinée dans des modes de très haut facteur de surtension et de faible volume appelés
modes de galerie (Whispering Gallery Modes = WGMs). Ces modes sont observés dans différents types de
micro- résonateurs [1]. De nombreuses publications indiquent un intérêt croissant pour les modes de galerie de
haut facteur de qualité Q dans les résonateurs microsphériques diélectriques solides[2,3]. Ces résonateurs sont
fabriqués par fusion d'un matériau massif amorphe. Les forces de tension superficielle donnent la forme
sphérique au résonateur. Les microsphères en verre silicate sont utilisées pour des applications aussi diverses que
la réalisation de Lasers que d'expériences d'électrodynamique quantique en cavité. Jusqu'à maintenant, dans ces
applications, l'obtention de facteurs de qualité les plus élevés possibles a été recherchée (1.10
6
< Q < 0.9 10
10
).
Pour les verres SiO
2
, il a été montré par Gorodetsky et al [4] que le facteur Q (intrinsèque) est atténué par la
diffusion de molécules H
2
O dans le matériau. Le schéma habituellement retenu est le suivant : après une phase
rapide d'adsorption d'oxygène par la surface de SiO
2
, l'hémosorption de l'eau atmosphérique conduit à la
formation de groupes OH chimiquement liés à la surface (durée du processus ~ 100 s). La surface hydratée
résultante sert de substrat pour l'adsorption ultérieure de molécules H
2
O (durée du processus ~30'). A partir de là
la contamination par d'autres aérosols présents dans l'atmosphère est possible. Ainsi sans protection
particulière, la durée d'utilisation des résonateurs à modes de galerie de haut facteur Q se trouve limitée à
quelques mois quel que soit le dispositif de couplage (prisme, tapers) utilisé.
2. Expérience
D
p
g
Pompe
Att.
variable
Demux
P
ASO
P
s
Fig.1 : Montage expérimental
Les sphères sont réalisées dans un verre silicate « baccarat » dopé Erbium [7] (0.5% mol en Erbium) d'indice
n
s
> n
f
. La figure 2 présente le spectre de fluorescence d'une sphère juste après sa fabrication. On remarque la
très faible intensité due à un très faible couplage. En laissant la sphère à l'air libre (1 an) elle se recouvre d'une
couche (eau + contaminants) qui permet une adaptation d'indice. La figure 3 présente un spectre de fluorescence
caractéristique de l'excitation de modes de galerie d'ordre radiaux élevés. Suivant les conditions de couplage et
la puissance de pompe l'effet laser obtenu peut être mono (fig 4) ou multi (fig 5) fréquences.
Dans nos expériences l'effet laser a été obtenu en
utilisant des fibres optiques amincies (tapers) [5,6] ou
effilées (demi taper
sonde en champ proche) ces
méthodes simples offrent un large potentiel
d'intégration. Ces dispositifs présentent une haute
efficacité d'excitation (par rapport à celle par prisme)
mais sont moins sélectifs i.e plusieurs familles de
modes (n différents) sont excitées. Figure 1
l'excitation est réalisée par un taper bi-conique fixé
sur des platines de translations qui permettent le
positionnement par rapport à la sphère, fixe. Pour le
pompage on utilise une diode à 1463 nm. Le coupleur
sépare la pompe résiduelle du signal à 1540 nm.
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