L’arrivée des fibres et l’évolution des lasers : de la CSF à Thomson-CSF

26/08/2017
Auteurs : Erich Sptiz
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2012-1:19594
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Résumé

L’arrivée des fibres et l’évolution des lasers : de la CSF à Thomson-CSF

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REE N°1/2012 ◗ 41 Lasers, fibres et télécommunications Erich Spitz Ancien directeur général chargé de la R&D de Thomson-CSF (Thalès aujourd’hui) Académie des sciences, Académie des technologies En 2010, était célébré le cinquantenaire de la pu- blication de la première observation d’une émission cohérente de lumière donnant naissance au LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Ra- diation) [1]. Alors que les travaux menés dans les laboratoires portaient leurs efforts sur les systèmes atomiques dilués (gaz) ou moléculaires pour obtenir un effet Laser, la spécificité du travail de Theodore Maiman était représentée par l’emploi d’un pompage optique par flash hélicoïdal d’un milieu solide : le rubis (Cr3+: Al2O3). Cette démonstration se situe dans la logique des avancées scientifiques qui ont marqué la première moitié du vingtième siècle. En particulier, ce cristal était un candidat de substitution au MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) à ammoniaque (NH3) en sa qualité d’état solide et faisant office d’amplificateur micro-onde. C’est donc cette publication de 1960, bénéficiant d’un fort retentissement scientifique et médiatique, qui a contribué au développement de cet instrument. A cette époque, les communications en espace libre par faisceaux hertziens exploitent les propriétés des micro-ondes issues des travaux menés au milieu du vingtième siècle sur le RADAR et sur les antennes. La liaison entre les composants actifs et rayonnants utilise le guide d’onde métallique, le câble coaxial pré- sentant des pertes trop élevées en transmission. Les transmissions optiques Les propriétés physiques qui caractérisent la pro- pagation de faisceaux Laser (faible divergence, cohé- rences spatiale et temporelle) font que l’on envisage leur propagation libre dans l’atmosphère pour réali- ser des transmissions de données point à point. Le sémaphore de Chappe revient d’actualité sous une forme plus sophistiquée. Les longueurs d’onde opti- que permettent l’emploi d’antennes (système téles- copique) de petite dimension. Le rapport entre les fréquences optique et micro-onde est de l’ordre de : 300 THz (à 1 µm)/10 GHz = 3 104 . C’est avant tout la réalisation du laser He-Ne (à la longueur d’onde 1,153 µm) par Ali Javan et ses colla- borateurs aux Bell Labs1 , opérant en mode continu qui contribue à donner forme à ce mode de transmission optique. A cette époque, la modulation est fondée sur l’exploitation de l’effet Pockels2 dans des cristaux. Très vite, on mesure les limites d’une telle architec- ture devant affronter les effets liés aux turbulences atmosphériques qui se développent surtout au niveau 1 A. Javan et al. “Population inversion and continuous optical maser oscillation in a gas discharge containing a He-Ne mix- ture”, Phys. Rev. Lett., 6,3, p. 106, 1961. 2 Effet Pockels : suite à l’application d’un champ électrique dans un matériau, apparition d’une biréfringence proportionnelle au champ. L’arrivée des fibres et l’évolution des lasers : de la CSF à Thomson-CSF Some memories of an exciting time, between 1960 and 1980, in the laboratories of Thomson-CSF Corbeville: Erich Spitz ex- plains how he and other researchers from Corbeville have used the new optical device, the laser, for optical communications and then for guided optics. In this paper he reviews quickly the importance of that period in the Corbeville laboratory for the whole evolution of laser based technology. abstract 42 ◗ REE N°1/2012 Lasers, fibres et télécommunications du sol, ainsi que la diffusion de type Mie (aérosols) associée aux conditions météorologiques3 . Avant de considérer la propagation en régime guidé, on passe par la voie de la propagation libre en milieu confiné afin de s’affranchir des perturbations atmosphériques. Dans ce but, G. Goubau et F. Schwering4 proposent l’insertion pé- riodique de lentilles de focalisation dans une structure tu- bulaire. Cette configuration sera largement étudiée aux Bell Labs5 avec les lentilles à gaz (minimisant ainsi les pertes en transmission), le multiplexage spatial ainsi qu’au CNET à Is- sy-les-Moulineaux jusqu’au début des années soixante-dix. C’est en 1961, qu’un jeune chercheur de l’American Optical Company, Elias Snitzer décrit dans un article de référence6 la propagation guidée dans une structure à deux diélectriques et à configuration cylindrique. Il établit les modes pouvant se propager ainsi que leurs fréquences de coupure en fonc- tion des paramètres opto-géométriques du guide et de la fréquence de l’onde électromagnétique. Il démontre l’exis- tence de modes hybrides dont le mode HE11 qui présente une fréquence de coupure nulle. A ce stade, on doit observer que la communauté des mi- cro-ondes s’est appropriée la physique du LASER (Light Am- plification by Stimulated Emission of Radiation) en passant par la voie détournée qu’a représenté le MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). On doit noter que les acteurs de la spectroscopie hyperfine (spec- troscopie hertzienne) de systèmes atomiques ont également 3 Diffusion de Mie : diffusion élastique des ondes électromagnétiques, elle a lieu lorsque les particules sont d’une taille comparable ou supé- rieure à la longueur d’onde incidente. 4 G. Goubeau et al. “On the guided propagation of electromagnetic wave beams” IRE Trans. On antenna and propagation, 9, p. 239, 1961 5 D.W. Berreman, “A lens or light guide using convectively distorded ther- mal gradients in gases”, BSTJ, 43, p. 1 469, 1964. D. Marcuse, S.E. Miller, “Analysis of a tubular gas lens”, BSTJ, 43, p. 1 759, 1964. 6 E. Snitzer, “Cylindrical dielectric waveguide modes”, JOSA, 51, p. 491, 1961. participé à ces développements. Les purs opticiens académi- ques ne furent pas au rendez-vous, à quelques exceptions près. Il en sera de même pour les transmissions optiques où les spécialistes des ondes hyperfréquences (soit au sens large de l’électromagnétisme) en furent les acteurs et les pro- moteurs. Ainsi, Jean-Claude Simon publie un article7 analy- sant la différence qui existe entre un rayonnement cohérent micro-onde et un rayonnement incohérent thermodynami- que. Il définit le concept de degré de liberté d’une surface rayonnante applicable à l’émission micro-onde de sources élémentaires et aux modes laser. Les prémices de l’optique guidée Dans les années 1959-1960, le guidage d’ondes millimétri- ques dans des structures cylindriques diélectriques fait l’objet de travaux. Dans cette mouvance, Jean Claude Simon et Erich Spitz (Figure 1) imaginent au laboratoire de CSF dès 1963, la propagation guidée d’une onde optique cohérente8 . La structure considérée était de type pseudo cœur sus- pendu (micro protubérance sur film de verre). La structure proposée est voisine de celle qui sera publiée par une équipe des Bell Labs dans les années soixante-dix (Figure 2). En fait, Stewart E. Miller de Bell Labs avait déposé un brevet (US Ser. N° 347, 211, Feb. 25, 1964) où il était fait mention de la publication de Simon et Spitz. Ce brevet fut abandonné, puis réactivé en 1969 avec l’émergence des fibres optiques à faible atténuation9 . L’approche unimodale de la propagation guidée en optique étant problématique à l’époque avec la seule mé- thode de fabrication explorée (méthode du « barreau dans tube » pour réaliser une structure à deux indices pour la gaine 7 J.-C. Simon, « Degrés de liberté d’une surface d’onde en micro-onde et en optique », Appl. Opt., 4, 10, p. 1 317, 1965. 8 J.-C. Simon et E. Spitz, « Propagation guidée de lumière cohérente », communication à la SFP, 24, 2, p. 149, 1963. 9 S. E. Miller, “Waveguide for millimetre and optical waves”, brevet US 3, 434, (March 25, 1969). Figure 1 : Erich Spitz et Jean-Claude Simon (1963). Figure 2 : Structure de fibre optique à gaine d’air “A new optical fiber” P. Kaiser, E. A. J. Marcatili, and S. E. Miller, Bell Syst. Tech. J., vol. 52, p. 265, Feb. 1973. REE N°1/2012 ◗ 43 L’arrivée des fibres et l’évolution des lasers : de la CSF à Thomson-CSF et le cœur), on comprend mieux pourquoi la première struc- ture testée fut celle représentée sur la figure 2. La première illustration de la propagation guidée dans une fibre optique unimodale au laboratoire de la CSF est repré- sentée par la publication de Alain Werts10 , qui résulte d’une étude soutenue par la DRME. Avec Erich Spitz, il fit fondre un barreau de verre réalisé par Saint-Gobain, le transformant en une fibre selon les lois de la gravitation. Le fibrage était des plus rudimentaires utilisant une lampe à souder, des poids et un escabeau. En injectant un faisceau laser He-Ne à 0,6328 µm ils observèrent les modes transverses de pro- pagation, le diamètre minimum du cœur obtenu étant de l’ordre de 0,5 µm. A l’époque, les atténuations dans les ver- res étaient très élevées (plusieurs milliers de dB/km) et les applications dans le domaine des communications étaient illusoires. En 1965, Charles K. Kao de Standard Telecom- munications Laboratories Ltd visitant en compagnie de F. F. Roberts (British Post Office) le Laboratoire de la CSF découvre les travaux menés sur les fibres optiques. A cette occasion, il mentionne une possible réduction des pertes en transmis- sion si l’on réduit la teneur en ions Fer dans les verres. Tout change effectivement à la fin des années soixante avec la publication de K. C. Kao et G. A. Hockham11 qui pré- disent une importante réduction des pertes par absorption dans les verres si l’on minimise le dopage résiduel en ions métalliques de transition : “It is foreseeable that glasses with a bulk loss of about 20 dB/km at around 0,6 µm will be obtained, as the iron-impurity concentration may be reduced to 1 part per million”. Puis avec les publications en 1970 et 1972 d’une équipe des laboratoires R&D de Corning Glass Works qui obtient une atténuation inférieure à 10 dB/km dans une fibre optique à base de silice. Cette rupture techno- logique coïncidait avec la réalisation de diodes laser opérant en mode continu et à température ambiante à partir d’une structure à double hétéro-jonction qui permettait de réaliser le confinement de porteurs ainsi que le confinement optique par la constitution d’un guide d’onde12 . La conjonction de ces deux avancées ouvre la voie aux télécommunications opti- ques, ce qui valut à C. K. Kao d’être le récipiendaire du prix Nobel de Physique en 2009 et à Zhores I. Alfernov (prénom donné par ses parents en hommage à Jaurès) de recevoir le prix Nobel de Physique en 2000. 10 A. Werts, « Propagation de la lumière cohérente dans les fibres opti- ques », L’onde électrique, XLVI, 474, p. 967, 1966 11 K. C. Kao et G. A. Hockham, “Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies”, proc. IEE, 113, 7, p. 1 151, 1966. 12 Zh. I. Alferov et al., “AlAs-GaAs heterojunction injection lasers with a low room-temperature threshold”, Fiz. Tekh. Poluprovodn, 3, p. 1 328, March 1969. [Sov. Phys. Semicond. 3, p. 1 107, 1970]. Les perspectives ouvertes font que de nombreux labora- toires industriels développent une activité sur les composants pouvant constituer des liaisons optiques. Une équipe dirigée par Erich Spitz du Laboratoire Central de Recherche (LCR) de Thomson-CSF est de ceux-là. Un numéro de la Revue Technique de Thomson-CSF, consacré aux travaux menés au LCR et à Thomson-CSF dans le domaine des télécommuni- cations optiques est publié en 197413 . Sur le plan national, cette publication est une référence pour l’époque. La réalisa- tion de fibres optiques s’effectue au sein du laboratoire Ma- tériaux Opto-électroniques. Jean-Claude Reymond participe à la réalisation de fibres optiques à partir d’une machine de tirage et de préformes « barreau dans tube ». Cette préforme cylindrique est composée de deux verres d’indice de réfrac- tion différents afin d’obtenir une propagation par réflexion totale interne à l’interface entre les deux milieux. Des bancs de mesure de l’atténuation spectrale de fibres optiques et des pertes de verres massifs par l’intermédiaire d’un spec- trophotomètre à double faisceau sont construits et servent à qualifier les différents processus technologiques mis en œu- vre. Dès 1973, des câbles en nappe (12 fibres optiques et deux conducteurs en cuivre sous Mylar) sont réalisés dans la division Tréfileries et Câbleries de Thomson-Brandt en colla- boration avec les établissements de Chauny et de Bohin pour des liaisons entre calculateurs. Au sein du Laboratoire d’optique intégrée, Luigi d’Auria développe une activité autour des fibres optiques et il réalise les premières liaisons optiques numériques courte distance à partir d’une DEL couplée à un faisceau de fibres pour un dé- bit en ligne de 25 Mbit/s. Une analyse bibliographique fait le point sur les travaux menés à l’époque autour de la propaga- tion dans les fibres optiques. Plus tard, il réalisera une liaison TV par fibre optique sur le site de Corbeville en bénéficiant des développements des composants d’extrémités (émet- teurs DEL et DL, photodétecteurs) réalisés au LCR. Dans ce numéro de la Revue Technique, l’emploi des fi- bres optiques pour la transmission numérique d’informations à bord d’aéronefs fait l’objet d’un article co-signé par Guy de Corlieu et Thaddeus A. Hawkes de la Division Equipements Avioniques et Spatiaux de Thomson-CSF. Les techniques mo- dernes développées aujourd’hui en avionique sont déjà le sujet de réflexions pertinentes dans cette publication (distri- bution de données multi-capteurs par visualisation centralisée, calculateurs embarqués, commande électrique de vol …). Le procédé de fabrication des préformes, utilisé initialement par Corning, était fondé sur un processus d’hydrolyse à la flamme (OVD: Outside Vapor Deposition). En 1974, les travaux me- 13 « Télécommunications optiques », Revue Technique de Thomson-CSF, numéro spécial, 6, 4, décembre 1974 44 ◗ REE N°1/2012 Lasers, fibres et télécommunications nés aux laboratoires de Bell Telephone consistaient à exploi- ter un procédé en phase vapeur. Le dépôt de silice plus ou moins dopée était effectué à l’intérieur d’un tube support de silice (MCVD: Modified Chemical Vapor Deposition). Les dif- férents procédés étaient naturellement solidement couverts par des brevets. Dans le but de s’affranchir de ces contraintes, une équipe travaille sur un procédé permettant, à partir d’un verre multi-composants avec une distribution des éléments de dopage, de réaliser des préformes à gradient d’indice par séparation de phase14 . Cette tentative ne sera pas concluante en termes d’atténuation spectrale (20 dB/km à 850 nm) à partir de la composition Na2 O-GeO2 -B2 O3 -SiO2 . Le meilleur résultat rapporté avec cette technique (PHASIL: PHAse Sepa- ratIon and Leaching) sera de 6,5 dB/km. Les travaux sur les diodes laser débutent au Centre de Recherche Physico-Chimique de la CSF localisé à Puteaux. La section « Applications quantiques » est dirigée par Pierre Leclerc. Baudoin de Crémoux et Michel Voos composent l’équipe de recherche. Pierre Aigrain, qui avait créé le Labo- ratoire de Physique des Solides à l’Ecole Normale Supérieure de Paris en 1950, devient directeur scientifique de la DRET et à ce titre il propose à P. Leclerc l’étude d’un laser accor- dable afin d’ajuster la longueur d’onde d’émission sur une résonance de l’Uranium 235. Une émission laser est obtenue en 1963 et l’accordabilité est démontrée entre 1964 et 1965. Cependant, l’emploi de la méthode de croissance pour réa- liser une homojonction ne permet d’observer une émission cohérente qu’à basse température (77 K) et en régime de fonctionnement impulsionnel. Ce projet sera abandonné et l’équipe de P. Leclerc rejoint en 1966 le Centre d’Etude de Physique et des Composants Avancés (CEPCA) situé à Cor- beville. A partir de 1974, les premières diodes Laser opérant en continu et à température ambiante sont réalisées au La- 14 A. de Panafieu et M. Faure “Direct fabrication of medium-loss graded- index preforms by the phase separation and leaching technique”, Proc. 3rd ECOC, p. 21, 1976.. boratoire Central de Recherches de Thomson-CSF à partir du procédé d’épitaxie en phase liquide. En parallèle, des travaux sont menés sur l’optique inté- grée (ou « circuiterie » optique par analogie avec la concep- tion de l’électronique moderne naissante), dès 1970 sous la direction de Daniel Ostrowsky. Le concept de modulateur électro-optique de lumière guidée est mis en œuvre par Michel Papuchon et bien d’autres fonctions verront le jour par la suite. Enfin, de nombreux travaux portant sur la pro- pagation et les composants pour les transmissions optiques multimodales15 et unimodales16 sont menés à Thomson-CSF LCR. Conclusion Pour l’ingénieur qui a travaillé avec les ondes hyperfré- quences, l’optique cohérente n’était qu’un changement de fréquences… Aux laboratoires CSF à Corbeville, on a immé- diatement pressenti les avantages des sources laser pour des applications qui nous ont fait rêver. Depuis ces premiers travaux dans les transmissions opti- ques et l’optique guidée, l’apport des structures à puits quan- tiques dans le domaine des diodes laser, de l’amplification optique par dopage de terres rares de la silice, du multiplexa- ge en longueur d’onde, et le retour du cohérent associé aux aspects modernes du traitement du signal (liés aux moyens de calculs d’aujourd’hui) permettent de mesurer les avan- cées observées en quarante ans. L’Internet à 100 Gbit/s, la transmission transocéanique et le débit en ligne de dizaines de Tbit/s sont maintenant ac- cessibles : on est loin de l’époque des travaux des pionniers des années soixante. 15 Ouvrage collectif Thomson-CSF, «  Télécommunications optiques  : fibres multimodes, composants actifs, systèmes », Masson, 1981. 16 Ouvrage collectif Thomson-CSF, « L’optique guidée monomode et ses applications », Masson, 1983. Erich Spitz, ingénieur de l’école Polytechnique de Prague, d’abord chercheur au laboratoire de la CSF, puis directeur du Laboratoire Central de la Thomson CSF de Corbeville il est ensuite directeur général adjoint chargé de la R&D du Groupe Thomson. Il est membre correspondant de l’Académie des sciences et membre de l’Académie des technologies. l'auteur