JNOG 2004ENST Paris ~ Octobre 2004

S. Blin 1,2, O. Vaudel 1, P. Besnard 1,4, T.T. Tam 3 et S. LaRochelle 4

École Nationale Supérieurede Sciences Appliquées

et de Technologie

Mesure de la largeur spectrale d’un laser cohérent par injection optique

4 Université Laval - COPLSainte-Foy, Québec G1K 7P4,

CANADA

3 VNUHFaculty of Technology

Cau Giay, Hanoi, VIETNAM

1 ENSSATLaboratoire d'OptroniqueUMR FOTON 6082 ~ CNRS,6 rue de Kerampont, BP 447,

22305 Lannion cedex, FRANCE

2 Stanford UniversityEdward L. Ginzton laboratory

CA 94305-4088, États-Unis

2Contexte

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.1497 2004)

CONTROLE DE POLARISATION(BOUCLES DE LEFEVRE)

LIGNE A RETARD (x km DE FIBRE)

ENTREE OPTIQUE IsolateurDECALEUR

Acousto-Optique

80 MHz 10

hS f h

f

202 h

213,56 h

Problème :

Précision pour les faibles largeurs de raie (< 20 kHz)

Une méthode alternative : utilisation de l’injection optique

3

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.

But de la présentation

4

LASER MAITRE

LASER ESCLAVE

DETECTION&

ANALYSE

ISOLATEUR OPTIQUE

L’injection optique

• Propriétés de l’injection optique : - Accrochage en fréquence - Transfert de pureté spectrale

• Couplage unidirectionnel de deux lasers

5

• Puissance injectée Pi :

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 / Ith :

Rapport du courant de pompe de l’esclave, Isur sa valeur au seuil Ith : r = I / Ith

I. L’injection optiqueLes paramètres de contrôle ?

Pi = 1 fW à 1 µW

r 1.2

LASER MAITRE

LASER ESCLAVE

DETECTION&

ANALYSE

ISOLATEUR OPTIQUE

6

• Polarisation ?

• Cohérence ?

I. L’injection optiqueAutres paramètres de contrôle ?

LASER MAITRE

LASER ESCLAVE

DETECTION&

ANALYSE

ISOLATEUR OPTIQUE

7I. L’injection Optique

L’expérience

Amplificateur optiqueLaser maître(accordable)

isolateur optique inclus

Atténuateur variable

Paramètres de l’injection : (Pi , )

Lambdamètre

Puissance-mètre

Isolateur

Isolateur

Laser esclave

Isolateur

Analyseur Fabry-Perot

300 MHz

Oscilloscope

Analyse de l’esclave injecté

Coupleur

Coupleur

8I. L’injection Optique

La théorie : Fonction de transfert du laser

• Cavité Fabry-Perot :

R RA

Trois phénomènes de base du laser :Émission spontanée, émission stimulée, résonance

d

A 2 2

TI

1 R 4R sin / 2

4 ndavec =

c

• Laser :

y : Densité spectraleS : Puissance du spontanéL : Pertes

G : Gain saturé : Phase accumuléeY : Intensité totale

+

2L G L G 2-

Sy avec Y= yd

1 e 4e sin / 2

0G

G1 Y

: taux d’injection

my : Densité spectrale de puissance du maître

• Laser injecté :

2L G L G 2

Sy

1 e 4e sin / 2

my

Modèle simple dérivé des équations de Maxwell :le laser au-dessous, au-dessus, au travers du seuil

9

I. Injection optique

II. Faible injection : expérience

Plan de la présentation

10Amplification d’un faible signal cohérent

Désaccord en fréquence (MHz)-100 -50 0 50 100 150

-90 dBm

S

-53.3 dBm

-71.6 dBm

-80.3 dBm

Puissan

ce In

ject

ée

Largeur Maître

M = 125 KHz

Largeur de l ’esclave libre

> M

11II. Faible injection : Expérience

Amplification sélective

-1000

+100-90

-65

-40

Puissance injecté(dBm)

De

nsité

spe

ctra

le

(u. a

.)

Fréquence relative

(MHz)

Signal maître amplifié

-100 0 100

0.0

0.2

0.4

De

nsi

té o

pti

qu

e s

pec

tra

le (

u. a

.)

Fréquence Relative (MHz)

Pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) des largeurs de raie :

Maître : 125 kHzEsclave libre : 80 MHz

Maximum de la densité spectrale

Saturation

Libre

Am

plif

icat

ion

12

I. Injection optique

II. Faible injection : expérience

III. Mesures de la largeur de raie par injection optique

Plan de la présentation

13III. Résultats expérimentaux

Mesure par injection optique

Méthode comparative pour mesurer de faibles largeurs

Puissance injectée (dB)

Ma

xim

um

de

la d

en

sit

é

sp

ectr

ale

op

tiq

ue

(u

. a.)

-30 -20 -10 0

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0Lasers 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)

14

-140 -120 -100 -80 -60 -4020

30

40

50

60

70

Max

imu

m d

e la

den

sité

sp

ectr

ale

escl

ave

(u.

a.)

Puissance Injectée (dB)

III. Résultats théoriquesInfluence de la largeur du maître

-140 -120 -100 -80 -60 -4025

30

35

40

45

Puissance injectée (dB)M

axim

um

de

la d

ensi

té

spec

tral

e d

étec

tée

(u.

a.)

4.0 14 1.0 Largeur maître (u. a.):

Sans FP Avec FP

5,9 dB x 3.9 12 dB

x 15.7

15Conclusion

• 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 ?

16Perspectives

• 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) :

2t2

E 0 22 2 220

e dtI E

/ t /

t / 2 iX Y

17Questions

Des questions ?

Discussion

18

• Polarisation ?

• Cohérence ?

I. L’injection optiqueAutres paramètres de contrôle ?

LASER MAITRE

LASER ESCLAVE

DETECTION&

ANALYSE

ISOLATEUR OPTIQUE

1

C

A

R

4

2

Désaccord (GHz)

Pu

issa

nce

in

ject

ée (

dB

m)

-60 -40 -20 0 +20

-20

0

-10

+10

-30

C 2

1 A

R

Désaccord (GHz)

Pu

issa

nce

in

ject

ée (

dB

m)

-60 -40 -20 0 +20

-20

0

-10

+10

-30

Principalement une moindre efficacité !

9 dB

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

-80 -60 -40 -20 0 +20

Injected

po

wer

(dB

m)

0

-20

-40

L1

C2

R

x dB

19QuestionsMaster fiber laser setup

~ 30 to50 mm

980 nm pump diode

Multiplexer980 / 1550 nm

Codoped Er:YbDFB fiber laser

Mastersignal

PMIsolator

(polarizer)

Isolator Polarizationloops

Appendix

20

L1

C

2

R

QuestionsAppendix

L: Locking; 1, 2, 4: Wave mixing; R: Relaxation; C: Chaos.

Abrupt transition

Detuning (GHz)

Inje

cted

po

we

r (dB

m)

-80 -60 -40 -20 0 +20

0

-20

-40

Very weak injection

Medium injection

Weak injection

High injection

Mapping of optical injection (r = 4)