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JNOG 2004 ENST Paris ~ Octobre 2004 S. Blin 1,2, O. Vaudel 1, P. Besnard 1,4, T.T. Tam 3 et S. LaRochelle 4 École Nationale Supérieure de Sciences Appliquées.

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

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

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

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

5 5 Puissance injectée P i : Puissance maître effective injectée dans la cavité Désaccord M - FS : Différence entre les fréquences optiques maître M et esclave libre FS Taux de pompage r = I / I th : Rapport du courant de pompe de lesclave, I sur sa valeur au seuil I th : r = I / I th I. Linjection optique Les paramètres de contrôle ? P i = 1 fW à 1 µW r 1.2 LASER MAITRE LASER ESCLAVE DETECTION & ANALYSE ISOLATEUR OPTIQUE

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

7 7 I. Linjection Optique Lexpérience Amplificateur optique Laser maître (accordable) isolateur optique inclus Atténuateur variable Paramètres de linjection : (P i, ) Lambdamètre Puissance-mètre Isolateur Laser esclave Isolateur Analyseur Fabry-Perot 300 MHz Oscilloscope Analyse de lesclave injecté Coupleur

8 8 I. Linjection Optique La théorie : Fonction de transfert du laser Cavité Fabry-Perot : RR A Trois phénomènes de base du laser : Émission spontanée, émission stimulée, résonance d Laser : y : Densité spectrale S : Puissance du spontané L : Pertes G : Gain saturé : Phase accumulée Y : Intensité totale : taux dinjection 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

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

10 10 Amplification dun faible signal cohérent Désaccord en fréquence (MHz) dBm S dBm dBm dBm Puissance Injectée Largeur Maître M = 125 KHz Largeur de l esclave libre > M

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

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

13 13 III. Résultats expérimentaux Mesure par injection optique Méthode comparative pour mesurer de faibles largeurs

14 Maximum de la densité spectrale esclave (u. a.) Puissance Injectée (dB) III. Résultats théoriques Influence de la largeur du maître Puissance injectée (dB) Maximum de la densité spectrale détectée (u. a.) Largeur maître (u. a.): Sans FP Avec FP 5,9 dB x dB x 15.7

15 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 linjection dépend de la cohérence du maître. plus le laser est cohérent, plus linjection 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 16 Perspectives Laser à fibre de faible largeur (IDIL) : laser à fibre DFB : 4 KHz laser esclave bimode bruit de partition fluctuations de lamplification 8 KHz (11,94 dB), 18,8 KHz (8,22 dB)... Profil de Voigt (G. Stéphan, M. Têtu) :

17 17 Questions Des questions ? Discussion

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

19 19 Questions Master fiber laser setup ~ 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 Appendix

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


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