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 l’information

Signaux radiofréquences CO2 H2O Radioastronomie Spectroscopie sub-millimétrique RADAR Détection Contre-détection Pertes Parasites Distorsion EOM Laser Traitement Faibles pertes Immunité électromagnétique Large bande Filtrage complexe Faible dispersion Capacité large bande Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 Opérations clefs 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 Traitement EOM Laser Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Analyse spectrale large bande Autocorrélateur numérique < GHz 100 100 % ms intégration 50 dB Autocorrélateur analogique 3 GHz 100 100 % > 10 ms intégration 40 dB Spectromètre acousto-optique 1 GHz 2 000 100 % ms lecture CCD 30 dB Spectromètre fibres optiques (1) 7 GHz 10 ? ? limité par TF Projection spatiale (2) 3 GHz 100 + zoom 50 % ms lecture CCD 33 dB Creusement spectral (3) 10 GHz 10 000 50 % ms lecture 32 dB Bande passante Nombre de canaux Probabilité d’interception Temps d’accès Dynamique (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 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Cristaux dopés aux ions de terre rare 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 Traitement cohérent  Source laser Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 Plan Architecture proposée Laser programmation RF Processeur optique Détecteur rapide Laser EOM I – Principe de l’analyseur II – Analyse spectrale large bande III – Laser agile en fréquence Conclusion et perspectives Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Principe de l’analyseur Cristaux dopés aux ions de terre rare Échos de photons Algorithme de chirp

Cristaux dopés aux ions de terre rare laser |e > Aux basses températures (< 5K) Γinh>> Γh absorption Γinh |f > Γh fréquence Un exemple : Tm3+:YAG 793 nm Γinh = 25 GHz Γh = 150 kHz à 5 K  Bande passante  Résolution Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 Le cristal Er3+:Y2SiO5 1,48 µm 1,526 µm 1,536 µm 1,64 µm Y1 Z1 Effet Stark champ cristallin Y7 Z8 … Effet Zeeman champ externe gY1 µB B gZ1 µB B 980 nm 1,64 – 1,48 µm 4I11/2 4I13/2 4I15/2 Propriétés 50 ppm / T = 1,7 K / B = 2,2 T λ = 1536,12 nm Γinh = 2 GHz Γh = 2 kHz T2 = 150 µs T1 = 10 ms 4I13/2:Y1- b d a c 4I15/2:Z1- Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 Échos de photons Holographie spatiale Holographie temporelle t12 <T2 t23 <T1 t12 référence sonde objet écho temps image Temps de vie Cohérences Populations Efficacité de diffraction Eécho/Electure ~ % fréquence absorption 1/t12 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 Algorithme de chirp Gravure Lecture Echo +F -F t12 t12’ -2r +2r ν’ ν -r t12’ t12 fréquence t12(ν) = Cst + ν r -F/r F/r temps fréquence absorption │Eecho(t)│² = │ẼRF(F=rt)│² Crozatier et al., IEEE J. Quantum Electron. 40 (2004) 1450 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Contraintes sur le laser < Γinh ν’ ν t12’ fréquence t12 temps Contraintes du cristal Temps de vie des cohérences Largeur inhomogène  r ~ GHz/µs = 1015 Hz/s ! + précision < résolution + cohérence en phase Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Analyse spectrale large bande Montage expérimental Résultats

Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 Montage expérimental Laser Chirp λ = 1536 ,12 nm RF Er:YSO 1,7 K – 2,2 T MZ EDFA AO1 Impulsions AO2 Porte PD 15 mW Gravure Lecture 50 µs Écho fréquence laser 3 GHz temps Modulateurs Acousto optiques O 22 µs Ts F Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 Analyse large bande 30 dB 1 MHz 899,4 900,0 900,8 Fréquence (MHz) Signal (u.a.) 10-4 10-3 10-2 10-1 100 899,6 900,0 900,4 0,0 0,4 0,8 Fréquence (MHz) Signal (u.a.) 67 kHz Performances spectrales Bande passante : 1,5 GHz Précision < 20 kHz Résolution : 67 kHz  24 000 canaux spectraux! Dynamique 32 dB (25 dB) >25 dB @ 1 MHz 1,0 0,8 0,6 Signal (u.a.) 0,4 0,2 0,0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 Fréquence (GHz) Crozatier et al., Opt. Lett., soumis Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 Résumé Large bande Bande passante 1,5 GHz Largeur inhomogène Résolution 50 kHz Photodiode Nombre de canaux 24 000 Temps d’accès Limité par TF Probabilité d’interception 15 µs/100ms Dynamique 32 dB Potentielles 3 GHz Rampes de tension <20 kHz Précision du chirp >150 000 Limité par TF 100 % ? Première démonstration de traitement optique cohérent large bande Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

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

Architecture de la cavité Balayages en fréquence 10 GHz en 10 µs Précision << MHz  Diode laser en cavité étendue réseau θ ordre -1 diode laser ordre 0 Littrow: λL= 2 a sinθ fréquence du laser temps ISL 1/nb traits pertes fréquence ISL = c/2L Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

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 Ménager et al., Opt. Lett. 25 (2000) 1246 Crozatier et al., Opt. Commun. 241 (2004) 203 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 E. Ducloux, C. Gagnol Réalisation Pureté Largeur de raie < 2 kHz Stabilité < MHz sur 1 ms Accordabilité Électrique: 8,5 MHz/V Balayages jusqu’à 8 GHz en 500 µs jusqu’à 3 GHz en 5 µs Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Caractérisation des chirps temps fréquence r Ti fb Ti n(t - Ti) + e(t - Ti) Laser PD n(t) n(t) = n0 + r.t + e(t) + e(t)  Battement : fb = r.Ti + e(t) - e(t - Ti) Gorju et al., Eur. Phys. J. Appl. Phys. 30 (2005) 175 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Chirps verrouillés en phase fb = r.Ti Laser Ti rampes de tension PD EO OL filtre de boucle détecteur de phase Le retard de l’interféromètre : Ti Propagation : le plus court possible Précision sur le chirp : le plus long possible Fréquence de battement  Ti = 250 ns (fibre de 60 m) Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 Pureté du chirp Bruits techniques 3 GHz 50 µs Phase du battement 14.8 15.2 15.6 16.0 16.4 16.8 20 40 60 80 100 Amplitude (mV) Fréquence (MHz) 2,5 MHz 12 14 16 18 20 -80 -60 -40 -20 Amplitude (dBV) Fréquence (MHz) 45 90 Phase du battement (°) Temps (µs) 100 110 120 130 140 -90 -45 20 kHz 30 dB ~ 7° rms Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Effets sur l’algorithme de chirp Gravure lecture 25 µs 25 µs 50 µs fréquence du laser écho = TF 3 GHz 10 µs Temps -20 -10 10 20 30 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Signal (V) Temps (ns) 100 kHz  Erreur de fréquence pendant le chirp << 100 kHz / 3 GHz Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Conclusions Perspectives

Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 Conclusion Traitement optique cohérent large bande Première démonstration 1,5 GHz (largeur inhomogène de la transition) 24 000 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 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 Mais aussi… et ultra-stables 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 l’analyse spectrale Dynamique de l’écho de photons (diffusion spectrale) IEEE Photon. Technol. Lett., accepté Opt. Commun. 241 (2004) 203 Opt. Lett.. 30 (2005) 1288 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 Perspectives Plus de bande passante Cristal Gradient de champ magnétique Er:LiNbO3, Er:Eu:YSO Laser (Sensibilité 8,5 MHz/V) Amplificateur électronique (1 kV en 10 µs) Nouvelles technologies (architecture guidée)  jusqu’à 250 MHz/V Probabilité d’interception Configuration non-coplanaire Répétition de la lecture Nouvelles architectures Génération de formes arbitraires Renversement temporel Γinh ~ 10 GHz Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 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 ! Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006