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 94305-4088, 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

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.1497 2004) 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

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.

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

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

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

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

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

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

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)

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

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

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

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

Conclusion Le laser agit comme un amplificateur pour de faibles (~ 1-100 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 ?

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) :

Questions Discussion Des questions ?

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

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

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