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Développement de lasers solides agiles ultra-stables pour la manipulation cohérente de systèmes atomiques. Applications au traitement optique de signaux.

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Présentation au sujet: "Développement de lasers solides agiles ultra-stables pour la manipulation cohérente de systèmes atomiques. Applications au traitement optique de signaux."— Transcription de la présentation:

1 Développement de lasers solides agiles ultra-stables pour la manipulation cohérente de systèmes atomiques. Applications au traitement optique de signaux RF et à l'information quantique. Vincent Crozatier Optique et matériaux pour le traitement de linformation

2 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Signaux radiofréquences Traitement Radioastronomie Spectroscopie sub-millimétrique RADAR Détection Contre-détection CO 2 H 2 O Large bande Filtrage complexe EOMLaser Faibles pertes Immunité électromagnétique Pertes Parasites Distorsion Faible dispersion Capacité large bande

3 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Liaisons: sources bas bruit Intensité Baïli et al., Opt. Lett. 31 (2006) 62 Phase Brunel et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 16 (2004) 870 Traitement: filtrage Génération de retard Liu et al., Appl. Opt. 42 (2003) 2273 Tonda-Goldstein et al., Microwave Photonics (2004) 28 Filtrage large bande Arain et al., Appl. Opt. 45 (2006) 2428 Opérations clefs TraitementEOMLaser

4 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Analyse spectrale large bande (1) Saperstein et al., Opt. Lett. 29 (2004) 501 (2) Lavielle et al., J. Lumin. 107 (2004) 263 (3) Gorju et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 17 (2005) 2385 V. Lavielle thèse 2004 G. Gorju thèse 2007 Bande passante Nombre de canaux Probabilité dinterception Temps daccès Dynamique Autocorrélateur numérique < GHz % ms intégration 50 dB Autocorrélateur analogique 3 GHz % > 10 ms intégration 40 dB Spectromètre acousto- optique 1 GHz % ms lecture CCD 30 dB Spectromètre fibres optiques (1) 7 GHz 10 ? ? limité par TF ? Projection spatiale (2) 3 GHz zoom 50 % ms lecture CCD 33 dB Creusement spectral (3) 10 GHz % ms lecture 32 dB

5 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Capacités Large bande Haute résolution Tout analogique Traitement de signaux RF Analyse spectrale Crozatier et al., IEEE J. Quantum Electron. 40 (2004) 1450 Corrélations Harris et al., Opt. Lett. 25 (2000) 85 Harris et al., Appl. Opt. 45 (2006) 343 Génération de formes arbitraires Barber et al., Opt. Express 10 (2002) 1145 Retard / mémoire Reibel et al., J. Lumin. 98 (2002) 355 Cristaux dopés aux ions de terre rare Traitement cohérent Source laser

6 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Plan I – Principe de lanalyseur II – Analyse spectrale large bande III – Laser agile en fréquence Conclusion et perspectives Architecture proposée EOMLaser RF Processeur optique Laser programmation Détecteur rapide

7 Principe de lanalyseur Cristaux dopés aux ions de terre rare Échos de photons Algorithme de chirp

8 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Un exemple : Tm 3+ :YAG 793 nm Γ inh = 25 GHz Γ h = 150 kHz à 5 K Γ inh ΓhΓh laser fréquence absorption |f > |e > Aux basses températures (< 5K) Γ inh >> Γ h Cristaux dopés aux ions de terre rare Bande passante Résolution

9 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Le cristal Er 3+ :Y 2 SiO nm 1,64 – 1,48 µm 4 I 11/2 4 I 13/2 4 I 15/2 Propriétés 50 ppm / T = 1,7 K / B = 2,2 T λ = 1536,12 nm Γ inh = 2 GHz Γ h = 2 kHz T 2 = 150 µs T 1 = 10 ms 1,48 µm 1,526 µm 1,536 µm 1,64 µm Y1Y1 Z1Z1 Effet Stark champ cristallin Y7Y7 Z8Z8 … … a b c d Effet Zeeman champ externe g Y1 µ B B g Z1 µ B B 4 I 15/2 :Z 1- 4 I 13/2 :Y 1-

10 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Échos de photons t 12 écho temps référence objetsonde image t 23

11 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Algorithme de chirp GravureLecture temps ν ν fréquence absorption t 12 ( ν ) = Cst + ν r E echo (t) ² = RF (F=rt) ² -F/r F/r Echo -r t 12 +F -F t 12 -2r+2r fréquence Crozatier et al., IEEE J. Quantum Electron. 40 (2004) 1450

12 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Contraintes sur le laser temps fréquence < Γ inh < T 2 Contraintes du cristal Temps de vie des cohérences Largeur inhomogène ν ν t 12 r ~ GHz/µs = Hz/s ! + précision < résolution + cohérence en phase

13 Analyse spectrale large bande Montage expérimental Résultats

14 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Montage expérimental PDEDFAMZ Modulateurs Acousto optiques O F temps fréquence laser Écho RF Er:YSO 1,7 K – 2,2 T 3 GHz GravureLecture 50 µs AO1 Impulsions AO2 Porte 22 µs TsTs Laser Chirp λ = 1536,12 nm 15 mW

15 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Analyse large bande Fréquence (GHz) 00,250,50,7511,251,5 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Signal (u.a.) Performances spectrales Bande passante : 1,5 GHz Précision < 20 kHz Résolution : 67 kHz canaux spectraux! Dynamique 32 dB (25 dB) >25 1 MHz 899,6900,0900,4 0,0 0,4 0,8 Fréquence (MHz) Signal (u.a.) 67 kHz 30 dB 1 MHz Crozatier et al., Opt. Lett., soumis 899,4900,0900,8 Fréquence (MHz) Signal (u.a.)

16 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Résumé Large bande Bande passante 1,5 GHz Largeur inhomogène Résolution 50 kHz Photodiode Nombre de canaux Temps daccèsLimité par TF Probabilité dinterception 15 µs/100ms Dynamique32 dB Potentielles 3 GHz Rampes de tension <20 kHz Précision du chirp > Limité par TF 100 % ? Première démonstration de traitement optique cohérent large bande

17 Architecture de la cavité Caractérisation des chirps Asservissement dynamique des chirps Laser agile en fréquence

18 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Architecture de la cavité diode laser fréquence pertes Littrow: λ L = 2 a sinθ ISL = c/2L 1/nb traits réseau θ ordre -1 ordre 0 fréquence du laser temps ISL Balayages en fréquence 10 GHz en 10 µs Précision << MHz Diode laser en cavité étendue

19 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Ménager et al., Opt. Lett. 25 (2000) 1246 Accordabilité électro-optique Cristal électro-optique Balayages en fréquence 10 GHz en 10 µs Précision << MHz Cristal électro-optique Contrôle électrique Indépendant de la diode Grande bande passante Asservissements Crozatier et al., Opt. Commun. 241 (2004) 203

20 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Réalisation Pureté Largeur de raie < 2 kHz Stabilité < MHz sur 1 ms Accordabilité Électrique: 8,5 MHz/V Balayages jusquà 8 GHz en 500 µs jusquà 3 GHz en 5 µs E. Ducloux, C. Gagnol

21 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Caractérisation des chirps Gorju et al., Eur. Phys. J. Appl. Phys. 30 (2005) 175 Laser PD TiTi (t) = 0 + r.t (t) (t - T i ) Battement : f b = r.T i + (t) + (t - T i ) + (t) - (t - T i ) TiTi temps fréquence r fbfb

22 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Chirps verrouillés en phase OL filtre de boucle détecteur de phase Le retard de linterféromètre : T i Propagation : le plus court possible Précision sur le chirp : le plus long possible Fréquence de battement T i = 250 ns (fibre de 60 m) f b = r.T i Laser TiTi rampes de tension PD EO

23 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Pureté du chirp Bruits techniques Phase du battement Amplitude (mV) Fréquence (MHz) 3 GHz 50 µs 20 kHz Amplitude (dBV) Fréquence (MHz) 2,5 MHz 30 dB ~ 7° rms Phase du battement (°) Temps (µs)

24 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Effets sur lalgorithme de chirp 25 µs 50 µs Temps fréquence du laser 3 GHz Gravurelecture ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Signal (V) Temps (ns) écho = TF 10 µs 100 kHz Erreur de fréquence pendant le chirp << 100 kHz / 3 GHz

25 Conclusions Perspectives

26 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Conclusion Traitement optique cohérent large bande Première démonstration 1,5 GHz (largeur inhomogène de la transition) canaux spectraux Fenêtre télécom Développement de sources lasers agiles Architecture électro-optique Contrôle électrique de la fréquence Asservissement du chirp Boucle à verrouillage de phase rapide Excellente précision du chirp sur plusieurs GHz IEEE J. Quantum Electron. 40 (2004) 1450 Opt. Lett., soumis

27 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Mais aussi… Sources lasers agiles Architecture guidée Meilleure stabilité Meilleur sensibilité (55 MHz/V) Asservissement de fréquence fixe Boucle de Pound – Drever – Hall Largeur de raie sub-kHz Echos de photons en milieu amplificateur Première démonstration dans un cristal dopé aux ions de terre rare Meilleur rendement Capacité de cyclage Application à lanalyse spectrale Dynamique de lécho de photons (diffusion spectrale) et ultra-stables IEEE Photon. Technol. Lett., accepté Opt. Commun. 241 (2004) 203 Opt. Lett.. 30 (2005) 1288

28 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Perspectives Plus de bande passante Cristal Gradient de champ magnétique Er:LiNbO 3, Er:Eu:YSO Laser (Sensibilité 8,5 MHz/V) Amplificateur électronique (1 kV en 10 µs) Nouvelles technologies (architecture guidée) jusquà 250 MHz/V Probabilité dinterception Configuration non-coplanaire Répétition de la lecture Nouvelles architectures Génération de formes arbitraires Renversement temporel Γ inh ~ 10 GHz

29 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet Merci ! Labo Les Chefs Pierre Pillet, Fabien, Ivan, Jean-Louis Les services techniques Patrice, Henri, Daniel, (mécanique), Bruno (BE), Roger, Alain, Arnaud (électronique) Les thésards et autres stagiaires La Guite, Bichon, Vince, Fred, Nassim, Thibault, Matthieu, Aurélie, Carine, Pierre, Oualid, Elodie, Haikel, Jérôme, Téodor, Hien, Jamil… Collaborateurs Financiers X. Grison (DGA), ONR Scientifiques E. Ducloux, C. Gagnol (NetTest), D. Dolfi, G. Baili, L. Morvan, S. Tonda Goldstein (TRT), W. Sohler, B. K. Das (Paderborn), P. Goldner, O. Guillot-Noël (ENSCP), K. Bencheick, E. Baldit (LPN), T. Böttger, R. Cone, K. Wagner, W.R. Babbitt (USA) … Tous les autres !


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