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STRUCTURE D'AMPLIFICATION OPTIQUE REALISEE EN OPTIQUE
INTEGREE ET BOITIER D'AMPLIFICATION INTEGRANT UNE TELLE
STRUCTURE
Domaine technique
La présente invention concerne une structure
d'amplification optique réalisée en optique intégrée
ainsi qu'un boîtier d'amplification intégrant une telle
structure.
Z0 Elle s'applique à tous les domaines nécessitant
une amplification d'une onde lumineuse et en
particulier dans le domaine des télécommunications
optiques par fibres optiques.
Etat de la technique
La figure 1 représente un schéma de principe
d'une structure classique d'amplification réalisée en
optique intégrée.
Pour amplifier une onde lumineuse, actuellement
les structures d'amplification optique réalisées en
optique intégrée, comprennent deux parties dans
lesquelles sont réalisés des guides optiques.
Un guide optique se ~ compose d'une partie
centrale appelée généralement coeur et de milieux
environnants situés tout autour du cour et qui peuvent
être identiques entre eux ou différents.
Pour permettre le confinement de la lumière
dans le cceur, l'indice de réfraction du mïlieu
composant le cour doit être différent et dans la
plupart des cas supérieur à ceux des milieux
environnants. Le guide peut être un guide planaire,
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lorsque le confinement de la lumière se fait dans un
plan-ou un mïcroguide, lorsque le confinement de la
lumière est réalisé aussi latéralement.
. Pour simplifier la description, on assimilera
le guide à sa partie centrale ou coeur. Par ailleurs,
on appellera tout ou partie des milieux environnants,
substrat, étant bien entendu que lorsque le guide est
pas ou peu enterré, un des milieux environnants peut
être extérieur au substrat et être par exemple de
l'air.
Suivant le type de technique utilisé, le
substrat peut être monocouche ou multicouche.
En outre, suivant les applications, un guide
optique dans un substrat peut être plus ou moins
enterré dans ce substrat et en particulier comporter
des portions de guide enterrées â des profondeurs
variables. Ceci est particulièrement vrai dans la
technologie d'échange d'ions dans du verre.
La première partie de la structure
d' amplification, qui est référencée 1 sur la figure l,
reçoit en entrêe, d'une part l'onde lumineuse S de
puissance Pe à amplifier et, d'autre part, une onde
pompe L issue généralement d'une source laser. Les
ondes S et L sont transportées respectivement dans deux
microguides 5 et 4 vers un coupleur 3. Ce dernier est
réalisé par les microguides 5 et 4 qui sont séparés
d' une distance telle que l' onde S est inj ectée dans le
microguide 4 transportant l'onde L. En sortie du
coupleur 3, il ne reste que le microguide 4 qui
transporte alors les ondes S et L. Cette première
partie r~'a pour rôle que le couplage des deux ondes.
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La deuxième partie de 1a structure
d'amplification, qui est référencée 2 sur la figure l,
reçoit en entrée d'un microguide 6, les ondes S et L
couplées de la première partie. Cette deuxième partie a
pour but d'amplifier l'onde S de puissance initiale Pe
à partir de l'onde de pompe L. L'amplification dans
cette deuxième partie est réalisée dans le microguide
6. L'onde lumineuse S en sortie du microguide 6
présente alors une puissance PS supérieure à la
puissance Pe .
Dans la technologie d'échange d'ions dans du
verre, la première partie est par exemple du silicate
et la deuxième partie est par exemple du verre
phosphate dopé à l'erbium. Ces deux parties sont
généralement collées ensemble.
La sortie de ces structures d'amplification ne
délivre pas cependant uniquement l'onde lumineuse S
amplifiée. En effet, à la sortie du microguide 6,
l'onde lumineuse résultante Comporte toujours une
composante résiduelle de l'onde de pompe L. Bien
qu'atténuêe dans le microguide 6, cette composante
résiduelle est susceptible de détériorer les composants
ou les systèmes recevant l'onde'lumineuse sortant de la
structure d'amplification.
Exposé de l'invention et brève description des
figures .
La présente invention a pour objet une
structure d'amplification optique réalisëe en optique
intêgrée, ne présentant pas les limitations e1t les
difficultës des dispositifs décrits ci-dessus.
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Un but de l'invention est en particulier de
réaliser une structure d'amplification permettant
d'éjecter au maximum l'onde de pompe, après
amplification de l'onde lumineuse, afin d'obtenir une
onde lumineuse amplifiée exempte au maximum de toutes
perturbations liées à l'onde de pompe.
Un autre but de l'invention est de réaliser
cette éjection de l'onde de pompe par des moyens
d'optique intégrée réalisés sur un même substrat que le
reste de la structure d'amplification pour obtenir une
structure d'amplification complètement intégrée et donc
compacte.
Un autre objet de l'invention est d'intégrer
cette structure d'amplification dans un boîtier
d'amplification, permettant d'offrïr un système
d'amplification compact et autonome.
De façon plus précise, la structure
d'amplification de l'invention permet d'amplifier au
moins une onde lumineuse S et comporte dans un substrat
pour chaque onde à amplifier un ensemble
d'amplification composé de .
- un premier microguide apte à recevoir l'onde
lumineuse S à amplifier,
- un deuxième microguide apte à recevoir une onde de
pompe L,
- un dispositif de multiplexage associé au premier
et au deuxième microguide, apte à fournir une onde
lumineuse composée de l'onde S et de l'onde L,
- un dispositif d'amplification relié à une sortie
du dispositif de multiplexage et apte à amplifïer
l'onde lumineuse S par absorption au moins
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partielle de l'onde de pompe L, le dispositï.f
-d'amplification étant apte à fournir sur une
sortie, l'onde lumineuse S amplifiée,
- un troisième microguide relié à la sortie du
5 dispositif d'amplification, apte à véhiculer
l'onde lumineuse S amplifiée, et
un dispositif de démultiplexage associé au
troisième microguide, apte à démultiplexer l'onde
de pompe L, de l'onde S amplïfiée, et à fournir en
ZO sortie sur un quatrième microguide, une onde
lumineuse S amplifiée, épurée de l'onde de pompe,
caractérisée en ce que le substrat est composé d'une
première partie dite passive et d'une deuxième partie
dite active et en ce que les premier, deuxième,
troisième et quatrième microguides ainsi que le
dispositif de multiplexage et le dispositif de
démultiplexage sont dans la partie passive tandis que
le dispositif d'amplification est dans la partie
active.
On entend par partie passive, un milieu non
apte à amplifier une onde lumineuse et, par opposition,
on entend par partie active, un milieu apte à amplifïer
une onde lumineuse.
L'utilisation comme substrat de deux parties
distinctes dont une est passive et l'autre est active
permet de réaliser toutes les fonctions de la structure
d'amplification en optique intégrée alors que si ces
fonctions avaient été réalisées dans un substrat
homogène tel qu'un substrat tout actif alors certaines
fonctions passives telles qu'un multiplexeur n'auraient
pu être rêalisées avec de bonnes performances optiques.
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Pour permettre l'intégration desdites
fonctions, la forme du dispositif d'amplification est
adaptée pour permettre que sa sortie soit du même côté
que la sortie du. dispositif de multiplexage. En
particulier, le dispositif d'amplification forme une
boucle, voire même une spirale permettant un retour de
l'onde amplifiée dans la partie passive.
~n entend par épuration de l'onde de pompe,
l'élimination de tout ou partie de l'onde de pompe.
Moins l'onde S amplifiée est associée à des composantes
résiduelles de l'onde de pompe, en sortie de la
structure d'amplification, meilleures sont les
caractéristiques de la structure.
L'onde lumineuse S peut être aussi bien à une
longueur d'onde qu'à plusieurs longueurs d'ondes ~,i
avec i entier, allant par exemple de 1 à n. Dans le
domaine particulier des télécommunications, l'onde
lumineuse permet de véhiculer des informations.
L'onde de pompe L est une onde lumineuse qui
peut êgalement être à une ou plusieurs longueurs
d' ondes ~,P avec p entier allant par exemple de 1 à k ;
elle apporte de l'énergie à la structure afin que le
dispositif d'amplification amplifie la puissance de
l'onde lumineuse S.
Selon un exemple de réalisation de l'inventïon,
dans la technologie d'échange d'ions dans du verre, la
première partie est du verre silicate et la deuxième
partie est du verre phosphate dopé par exemple avec de
l'erbium. Ces deux parties sont soit collées entre
elles, soit rapportées sur un support commun mais dans
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tous les cas elles forment un substrat unique bien que
non homogène.
Les différents éléments de la structure
d'amplification de l'invention sont réalisés sur ledit
substrat avec de préférence la même technologie, ce qui
permet d'avoir une structure facile à mettre en ouvre,
les éléments de la structure pouvant être réalisés
simultanément ou quasi simultanément par l'utilisation
de masques appropriés.
Selon un autre exemple de réalisation, la
première partie est en silice sur silicium et la
deuxième partie est du verre phosphate dopé.
Selon un mode de réalisation du dispositif de
multiplexage, celui-ci est choisi parmi un
multiplexeur, un coupleur.
Selon un mode de réalisation du dispositif de
démultiplexage, celui-ci est choisi parmi un
démultiplexeur, un coupleur.
Selon un mode de réalisation du dispositif
d'amplification, celui-ci est formé par un microguide
apte à amplifier l'onde lumineuse S par absorption au
moins partielle de l'onde de pompe L. Pour cela, le
microguide comprend en général~un dopage approprié au
moins du cour du microguide.
Plus le microguide du dispositif
d'amplification est long, meilleure est
l'amplification. De préférence, pour avoir une
structure d'amplification la plus compacte possible
avec de bonnes performances d'amplification, le
microguide forme une spirale de 1 à plusieurs spires.
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Quel que soit le nombre des spires, elles sont
de préférence enroulées de façon à ne jamais se couper.
Selon un autre mode de réalisation, l'ensemble
d'amplification comprend en outre un premier dispositif
de prélèvement d'une partie de l'onde lumineuse S
associé au premier mïcroguide et/ou un deuxième
dispositif de prêlèvement d'une partie de l'onde
lumineuse S associé au quatrième mïcroguide, ces
dispositifs de prélèvement étant aptes à être reliés
respectivement à un dispositif de traitement. Le
premier dispositif de prélèvement permet d'extraire un
faible pourcentage de l'onde lumineuse S injectée dans
la structure de l'invention et le deuxième dispositif
de prélèvement permet d'extraire un faible pourcentage
de l'onde lumineuse S amplifiée. Ces pourcentages
prélevés de f onde, sont transmis à un dispositif de
traitement par exemple un détecteur de puissance et/ou
un système de régulation,
A titre d'exemple, on peut utiliser un élément
de mesure et de contrôle du signal de sortie (par
exemple une photodiode) et ajuster éventuellement la
puissance de pompe via par exemple un asservissement
électronique.
Les premier et deuxième dispositifs de
prélèvement sont réalisés de préférence en optique
intégrée sur le même substrat que le reste de la
structure d'amplification.
Le premier et/ou le deuxième dispositif de
prélèvement est réalisé par exemple par un composant de
dérivation, tel qu'un coupleur asymétrique ou une
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jonction Y asymétrique, apte à prélever une petite
fraction (par exemple 1 %) du signal lumineux.
Lorsque la structure d'amplification de
l'invention doit amplifier plusieurs ondes lumineuses
S~ avec j entier allant de 1 à m, la structure comporte
m ensembles d'amplification tels que défïnis
précédemment, ces ensembles sont réalisés sur le méme
substrat et sont imbriquês les uns dans les autres pour
réaliser une structure compacte.
En particulier, lorsque le dispositïf
d'amplification de chaque ensemble est formé par un
microguide spiralé, les m microguides spiralés de la
structure forment une spirale à m microguides.
Selon un mode préféré de réalisation, le ou les
dispositifs d'amplifïcation de la structure de
l'invention sont formés dans la partie du substrat
nommée partie active et les autres éléments de la
structure sont formés dans l'autre partie du substrat
nommée partie passive.
L'invention concerne également un boîtier
d'amplification regroupant la structure d'amplification
en optique intêgrée de l'invention telle que définie
précédemment et des composants associés à cette
structure, ce boîtier permettant d'offrir ainsi un
systême d'amplification pouvant être compact et
autonome.
Pour chaque ensemble d'amplification d'une onde
lumineuse S, l'ensemble des composants associés
comporte .
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une première fibre optique reliée optiquement au
-premier microguide apte à vëhiculer l'onde
lumineuse S à amplifier,
- une deuxième fibre optique reliée optiquement au
5 quatrième microguide, apte à véhiculer l'onde
lumineuse S amplifiée,
- une source de l'onde de pompe P, reliée
optiquement au deuxième microguide.
De façon avantageuse, cet ensemble de
10 composants comporte en outre un premier disposïtif de
traitement de l'onde S relié optiquement au premier
dispositif de prélèvement lorsqu'il existe et/ou un
deuxième dispositif de traitement de l'onde S relié
optiquement au deuxième disposïtïf de prélèvement
lorsqu'il existe.
La liaïson optique peut être assurée
directement entre chaque dispositif de traitement et le
dispositif de prélèvement correspondant, dans ce cas le
dispositif de traitement est rapporté directement sur
le substrat de la structure d'amplification par exemple
par collage. Cette liaison peut être aussi réalisée de
façon indirecte via par exemple une fibre maintenue
entre les deux dispositïfs parades éléments mécaniques
tels que des fêrules.
De même, la liaison optique entre la source de
l'onde de pompe et le deuxième microguide est soit
directe par exemple par collage de la source sur la
structure soit indirecte via par exemple une fibre
maintenue entre la source et la structure par des
éléments mécaniques tels que des férules.
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Selon un mode de réalisation la première et la
deuxième fibres sont reliées respectivement au premier
et au quatrième microguide par des moyens de liaisons
choisis parmi une férule, un bloc de V.
De préférence, les moyens de liaisons de la
deuxième fibre comprennent en outre un isolateur
optique apte à éviter des réflexions qui peuvent
perturber le signal lumineux et introduire du bruit.
D'autres caractéristiques et avantages de
l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la
description qui va suivre. Cette description porte sur
des exemples de réalisation, donnés à titre explicatif
et non limitatif. Elle se réfère par ailleurs à des
dessins annexés sur lesquels .
- la figure 1, déjà décrite, représente
schématïquement une structure d'amplification
connue,
- la figure 2 représente schématiquement une
structure d'amplification selon l'invention, pour
une onde lumineuse S à amplifier,
- la figure 3 représente schématiquement une
structure d'amplification selon l'invention, pour
plusieurs ondes lumineusesià amplifier,
- la figure 4 représente schématiquement un boîtier
intégrant la structure d'amplification de
l'invention et des composants associés.
Exposé détaillé de modes de réalisation
La figure 2 représente schématiquement une
structure d'amplification selon l'invention, pour une
onde lumineuse S à amplifier. Sur ce schéma, on a
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représenté une coupe du substrat dans lequel est
réalisée la structure, selon un plan contenant les
différentes directions de propagation des ondes
lumineuses dans les microguides, étant bien entendu que
suivant les technologies utilisées ces directions ne
sont pas en pratique forcément contenues dans un même
plan.
La structure d'amplification représentée sur
cette figure permet d'amplïfier une onde lumineuse S et
comporte donc dans un substrat 5 un seul ensemble
d'amplification. Cet ensemble se compose .
- d'un premier microguide 7 apte à recevoir l'onde
lumineuse S à amplifier,
- d'un deuxième microguide 9 apte à recevoir une
onde de pompe L ,
- d'un dispositif de multiplexage 11 associë au
premier et au deuxïème microguide, apte à fournir
une onde lumineuse composée de l'onde S et de
l'onde L,
- d'un dispositif d'amplification 13 relié à une
sortie du dispositif de multiplexage et apte à
amplifier l'onde lumineuse S et apte à fournir sur
une sortie, l'onde lumineuse S amplifiée,
- d'un troisième microguide 15 relié à la sortie du
dispositif d'amplification, apte à véhiculer
l'onde lumineuse S amplifiée, et
- d'un dispositif de démultiplexage 19 associé au
troisième microguide, apte à démultiplexer l'onde
de pompe L , de l'onde S amplifiée, et à fournir
sur un quatrième microguide 17, une onde lumineuse
S amplifiëe, épurée de l'onde de pompe.
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En génêral, quelles) que soi(en)t la ou les
longueurs d'onde ~,i (généralement comprises) entre
1530 et 1560 nm) de l'onde lumineuse S, ~,i est toujours
supérieure à la ' ou aux longueurs d'onde
(généralement au voisinage de 980 nm (à + ou - 5nm)) de
l'onde de pompe.
De ce fait, l'onde évanescente associée au mode
de propagation de l'onde S a une distance de
pénétration latérale plus grande que celle de l'onde de
pompe pour des profils de guides donnés.
Le coupleur 11 et le coupleur 19 dans cet
exemple de réalisation de l'invention utïlisent cette
propriété pour réaliser respectivement un multiplexage
et un démultiplexage de l'onde S et de l'onde L, en
optique intégrée.
Ainsi, le coupleur 11 est réalisé par une
partie des microguides 9 et 7 qui sont écartés l' un de
l'autre dans ladite partie d'une distance da suffisante
et sur une longueur suffisante pour permettre à l'onde
S seule d' être transférée du guide 7, au guide 9, sans
que l'onde L ne subisse de modification de propagation
dans le coupleur. Cette distance da doit être
supérieure à la distance de pénétration latérale de la
partie évanescente de l'onde L dans le guide 9 et
inférieure à Ia dïstance de pénétration latérale de la
partie évanescente de l'onde S dans Ie guide 7, pour
que l'onde S puisse être transférée sur une longueur
raisonnable (par exemple quelques mm). En sortie du
coupleur 11, dans l'exemple de cette figure, il ne
subsiste que le microguide 9 qui est relié au
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dispositif d'amplification 13 et dans lequel les ondes
S et-L sont regroupées.
De même, le .coupleûr 19 est formé par une
partie des microguides 15 et 17 qui sont écartés l'un
de l'autre dans ladite partie, d'une distance db
suffisante et sur une longueur suffisante pour
permettre à l'onde issue du dispositif d'amplification
et comportant l'onde S amplifiée et des résidus de
l'onde de pompe L, de démultiplexer l'onde lumineuse S
qui passe dans le microguïde 17, de l'onde de pompe L
qui reste dans le microguide 15. Cette distance db doit
être supêrieure à la dïstance de pénétration latérale
de la partie évanescente de l'onde L dans le guide 15
et inférieure à la distance de pénétration latérale de
la partie évanescente de l'onde S dans le guide 15,
pour que l' onde S puisse être transférée dans le guide
17, sur une longueur raisonnable. En sortie du coupleur
19, dans l' exemple de cette fïgure, il ne subsiste que
le microguide 17.
Le dispositif d'amplification 13 représenté sur
la figure 2 est formé par un microguide spiralé. Plus
la spirale du microguide est longue, meilleures sont
les performances d'amplificat~'on du dispositif. Le
nombre de spires du dispositif est fonction de la
dïmension du substrat dans lequel le dispositif est
réalisé mais aussi de la longueur du microguide.
De façon avantageuse, la structure peut
comprendre un dispositif de prélèvement 21 d'une partie
de l'onde lumineuse S introduite dans le microguide 7.
De même, la structure peut comprendre également
un dispositif de prélèvement 23 d'une partie de l'onde
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lumineuse S amplifiée véhiculée par le microguide 19.
Ces dispositifs de prélèvement 21, 23 sont réalisés
dans cet exemple par des microguides reliés
respectivement aux ,microguides 7 et 17 de façon à
5 former une jonction Y. Pour ne prélever qu'un faible
pourcentage des ondes lumineuses transportées par les
microguides 7 et 17, les microguides 21 et 23 sont par
exemple de sections plus petites que celles dés
microguides 7 et 17.
10 On pourrait également réaliser ces dispositifs
de prélèvement par un coupleur dont la longueur
d'interaction est courte pour que le prélèvement soit
faible.
Les ondes lumïneuses prélevées par les
15 dispositifs 21 et 23 sont référencées respectivement d1
et d~ et sont disponibles en sortie de la structure
pour être traitées et permettre par exemple d'avoir un
suivi de la puissance d'entrée de l'onde S et de la
puissance de sortie de cette onde et éventuellement de
réaliser une régulatïon de ces puissances.
Dans cet exemple le dispositif d'amplification
13 est formé dans une partie du substrat nommé deuxième
partie B ou partie active et le's autres éléments de la
structure sont formës dans une autre partie du substrat
nommée première partie A ou partie passive. Dans la
technologie d'échange d'ions dans du verre, la première
partie est du verre silicate et la deuxième partie est
du verre phosphate. Ces deux parties sont soit collées
entre elles, soit rapportées sur un support commun mais
dans tous les cas elles forment un substrat unique.
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La figure 3 représente schématiquement une
structure d'amplification selon l'invention, pour
plusieurs ondes lumineuses à amplifier. Dans cet
exemple on a représenté quatre ondes lumineuses S1, Sz,
S3, S4.
Cette structure comporte donc quatre ensembles
d'amplification réalisés sur le même substrat et
imbriqués les uns dans les autres pour réaliser une
structure compacte. Chaque ensemble est représenté avec
ZO un microguide (7)~, dans lequel est injectée l'onde
lumineuse S~ à amplifier, un microguide (9)~ dans lequel
est introduite l'onde de pompe L~, un coupleur (11)~
pour regrouper ces deux ondes, un dispositif
d'amplification (13)~ pour amplïfier l'onde S~, un
Z5 microguide (15)~ recevant l'onde S~ amplifiée, un
démultiplexeur (19)~ pour épurer l'onde amplifiée, de
l'onde de pompe et un microguide (17)~ pour récupérer
l'onde S~ amplifiée et épurée. Dans cet exemple j va de
1 à 4.
20 On voit en particulier dans cet exemple que les
quatre dispositifs d'amplïfication de la structure sont
spiralés ensemble formant ainsï une spirale à quatre
m.icroguides dans la partie active B du substrat. Les
autres éléments sont réalisês dans la partie passive A
25 du substrat.
Les différentes ondes de pompe L~ peuvent
provenir par exemple d'une matrice ou d'une barrette de
photodiodes lasers.
La figure 4 représente schématiquement un
30 boîtier d'amplification selon l'invention. Ce boîtier
regroupe la structure d'amplification en optique
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intégrée de l'invention, référencée 30 sans aucun
détail des élêments qui la composent, et des composants
associés à cette structure. Pour simplifier la
description, on considère dans cet exemple que la
structure intégrée dans le boîtier ne comporte qu'un
seul ensemble d'amplification étant bien entendu que
des structures à plusieurs ensembles peuvent être
également intégrés.
L'ensemble des composants associé à la
structure dans cet exemple comporte .
- une fibre optique 31 reliée optiquement au
microguide 7 de la structure 30 et apte à
véhiculer l'onde lumineuse S à amplifier,
- une fibre optique 33 reliée optiquement au
microguide 17 de la structure 30 et apte à
véhiculer l'onde lumïneuse S amplifiée,
une source 35 de l'onde de pompe L, reliée
optiquement au microguide 9 de la structure 30,
- un dispositif de traitement 37 de l'onde dl
prélevée sur l'onde S à amplifier, relié
optiquement au dispositif de prélèvement 21 de la
structure,
un dispositif de traitement 39 de l'onde d2
prélevée sur f onde S amplifiée et relié
optiquement au dispositif de prélèvement 23 de la
structure.
La liaison optique entre, d'une part les
dispositifs de traitement et la source et, d'autre
part, la structure, peut être assurée directement, avec
une liaison mécanique, par exemple par collage, qui est
réalisée entre chacun de ces composants et la structure
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d'amplification 30. Cette liaison optique peut être
aussi réalisée de façon indirecte comme représenté sur
cette figure, via des éléments mécaniques et optiques
47, 45, 49, par exemple une fibre maintenue entre le
composant et la structure par des férules.
De même les fibres 31 et 33 sont reliées
respectivement à la structure par exemple par des
férules 41 et 43.
