JNOG 2004 ENST Paris ~ Octobre 2004

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1 JNOG 2004 ENST Paris ~ Octobre 2004
École Nationale Supérieure de Sciences Appliquées et de Technologie JNOG 2004 ENST Paris ~ Octobre 2004 Mesure de la largeur spectrale d’un laser cohérent par injection optique S. Blin 1,2, O. Vaudel 1, P. Besnard 1,4, T.T. Tam 3 et S. LaRochelle 4 2 Stanford University Edward L. Ginzton laboratory CA , États-Unis 3 VNUH Faculty of Technology Cau Giay, Hanoi, VIETNAM 1 ENSSAT Laboratoire d'Optronique UMR FOTON 6082 ~ CNRS, 6 rue de Kerampont, BP 447, 22305 Lannion cedex, FRANCE 4 Université Laval - COPL Sainte-Foy, Québec G1K 7P4, CANADA

2 Les mesures de largeurs de raie
Contexte • Sources cohérentes : métrologie, spectroscopie, synchronisation... LIGNE A RETARD (x km DE FIBRE) ENTREE OPTIQUE Isolateur NPL : YAG 0,46 Hz (Opt.Let. 29 p ) DECALEUR Acousto-Optique 80 MHz l/2 l/4 CONTROLE DE POLARISATION (BOUCLES DE LEFEVRE) Mesure des largeurs de raie : - Méthode hétérodyne : auto-héterodynage. - Mesures de la densité spectrale du bruit de phase. Problème : Précision pour les faibles largeurs de raie (< 20 kHz)  Une méthode alternative : utilisation de l’injection optique

3 But de la présentation I. L’injection optique : Expérience et théorie.
II. Amplification sélective par injection optique. III. Mesure de la largeur de raie par injection optique. IV. Conclusion et perspectives.

4 L’injection optique Couplage unidirectionnel de deux lasers
LASER MAITRE ISOLATEUR OPTIQUE LASER ESCLAVE DETECTION & ANALYSE Couplage unidirectionnel de deux lasers Propriétés de l’injection optique : - Accrochage en fréquence - Transfert de pureté spectrale

5 Les paramètres de contrôle ?
I. L’injection optique LASER MAITRE ISOLATEUR OPTIQUE LASER ESCLAVE DETECTION & ANALYSE Puissance injectée Pi : Puissance maître effective injectée dans la cavité Désaccord Dn = nM - nFS : Différence entre les fréquences optiques maître nM et esclave libre nFS Taux de pompage r = I / Ith : Rapport du courant de pompe de l’esclave, I sur sa valeur au seuil Ith : r = I / Ith Pi = 1 fW à 1 µW Dn = 0 r  1.2

6 Autres paramètres de contrôle ?
I. L’injection optique LASER MAITRE ISOLATEUR OPTIQUE LASER ESCLAVE DETECTION & ANALYSE Polarisation ? Cohérence ?

7 Analyse de l’esclave injecté
L’expérience I. L’injection Optique Atténuateur variable Laser maître (accordable) isolateur optique inclus Amplificateur optique Isolateur Laser esclave Isolateur Analyseur Fabry-Perot 300 MHz Oscilloscope Analyse de l’esclave injecté Coupleur Puissance-mètre Isolateur Paramètres de l’injection : (Pi , ) Coupleur Lambdamètre

8 La théorie : Fonction de transfert du laser
I. L’injection Optique • Cavité Fabry-Perot : d R A • Laser : y : Densité spectrale S : Puissance du spontané L : Pertes G : Gain saturé f : Phase accumulée Y : Intensité totale h : taux d’injection m y : Densité spectrale de puissance du maître • Laser injecté : Modèle simple dérivé des équations de Maxwell : le laser au-dessous, au-dessus, au travers du seuil Trois phénomènes de base du laser : Émission spontanée, émission stimulée, résonance

9 Plan de la présentation
I. Injection optique II. Faible injection : expérience

10 Amplification d’un faible signal cohérent
GS > GM Largeur Maître G M = 125 KHz Largeur de l ’esclave libre -53.3 dBm -71.6 dBm -80.3 dBm Puissance Injectée -90 dBm -100 -50 50 100 150 Désaccord en fréquence (MHz)

11 Amplification sélective
II. Faible injection : Expérience Signal maître amplifié -100 100 0.0 0.2 0.4 Densité optique spectrale (u. a.) Fréquence Relative (MHz) Maximum de la densité spectrale Saturation Libre Amplification -100 +100 -90 -65 -40 Puissance injecté (dBm) Densité spectrale (u. a.) Fréquence relative (MHz) Pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) des largeurs de raie : Maître : 125 kHz Esclave libre : 80 MHz

12 Plan de la présentation
I. Injection optique II. Faible injection : expérience III. Mesures de la largeur de raie par injection optique

13 Mesure par injection optique
III. Résultats expérimentaux Puissance injectée (dB) Maximum de la densité spectrale optique (u. a.) -30 -20 -10 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Lasers maîtres: Laser à fibre : FWHM: 50 kHz Laser à semi-conducteurs : FWHM: 125 kHz 3,4 dB  x 2,2  FWHM ratio: 2,5 (3,9dB) Méthode comparative pour mesurer de faibles largeurs

14 Influence de la largeur du maître
III. Résultats théoriques Sans FP -140 -120 -100 -80 -60 -40 25 30 35 40 45 Avec FP 70 60 Maximum de la densité spectrale détectée (u. a.) 5,9 dB  x 3.9 Maximum de la densité spectrale esclave (u. a.) 50 12 dB  x 15.7 40 30 20 -140 -120 -100 -80 -60 -40 Puissance Injectée (dB) Puissance injectée (dB) Largeur maître (u. a.): 1.0 4.0 14

15 Conclusion Le laser agit comme un amplificateur pour de faibles (~ nW) signaux, plus cohérents que lui. Modèle simple dérivé des équations de Maxwell donnant un bon accord expérience-théorie. Efficacité de l’injection dépend de la cohérence du maître.  plus le laser est cohérent, plus l’injection est efficace  méthode comparative pour mesurer de faibles largeurs de raie  mesure de largeur moindre que le Hz en utilisant un laser de référence de largeur 100 kHz ?

16 Perspectives Laser à fibre de faible largeur (IDIL) :
laser à fibre DFB : 4 KHz laser esclave bimode  bruit de partition  fluctuations de l’amplification  8 KHz (11,94 dB), 18,8 KHz (8,22 dB) ... Profil de Voigt (G. Stéphan, M. Têtu) :

17 Questions Discussion Des questions ?

18 Autres paramètres de contrôle ?
I. L’injection optique LASER MAITRE ISOLATEUR OPTIQUE LASER ESCLAVE DETECTION & ANALYSE x dB Polarisation ? Cohérence ? Là aussi une diminution de l’efficacité : • Laser SC de référence (125 KHz) • Laser SC (33 MHz)  0.3 dB translation • Laser SC (80 MHz)  1.2 dB translation

19 Master fiber laser setup
Questions Master fiber laser setup Appendix ~ 30 to 50 mm 980 nm pump diode Multiplexer 980 / 1550 nm Codoped Er:Yb DFB fiber laser Master signal PM Isolator (polarizer) Isolator Polarization loops

20 Mapping of optical injection (r = 4) Questions
Appendix -80 -60 -40 -20 +20 Very weak injection Medium injection Weak injection High injection C 2 R Injected power (dBm) 1 L Detuning (GHz) L: Locking; 1, 2, 4: Wave mixing; R: Relaxation; C: Chaos. Abrupt transition