Lasers bifréquences : synthétiseur opto-hyper et asservissement sur une référence moléculaire

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1 Lasers bifréquences : synthétiseur opto-hyper et asservissement sur une référence moléculaire M. Brunel et M. Vallet Physique des Lasers, UMR CNRS PALMS 6627 Université de Rennes 1, Campus de Beaulieu, F Rennes Cedex Les lasers solides oscillants sur deux états de polarisations orthogonaux sont des candidats prometteurs pour le transport d onde hyperfréquence par voie optique [1]. En effet, leur grande pureté spectrale et leur forte puissance permettent d atteindre sur la fréquence de battement Δν des planchers de bruit et des niveaux de sortie compatibles avec les applications de type RADAR à 1,06 µm ou de téléphonie mobile à 1,55 µm. Afin d accorder la fréquence de battement, on utilise un cristal électro-optique intracavité, Δν dépendant alors linéairement de la tension V appliquée au cristal. Le laser devient électriquement équivalent à un oscillateur contrôlé par tension (VCO). En insérant le laser dans une boucle à verrouillage de phase (PLL), Δν peut être asservie sur la fréquence émise par un oscillateur local externe. Cependant, les PLL utilisées actuellement sont basées sur des mélangeurs analogiques et présentent des plages de capture trop étroites pour autoriser un balayage rapide ou discontinu de la fréquence de battement. D autre part, dans le cas de lasers microchips dont la longueur de cavité est sub-millimétrique et la fréquence de battement élevée, les fluctuations intrinsèques de Δν peuvent être importantes et rendent délicate l emploi d une PLL. Nous présentons dans cet exposé les résultats récents obtenus à Rennes dans ce domaine. Dans un premier temps, nous proposons une boucle à verrouillage de phase réalisée au moyen d un circuit numérique synthétiseur de fréquence. Le laser bifréquence est constitué d un cristal Nd :YAG pompé par diode dans une cavité de 8 cm contenant un cristal de LiTaO 3 (LTO). Le laser oscille à 1,06 µm sur deux états de polarisations linéaires et orthogonaux, alignés avec les axes neutres du LTO. La fréquence de battement Δν est continûment accordable de 0 à 1,3 GHz par application d une tension aux bornes du LTO (facteur d échelle de 0,75 MHz/V). Δν est détecté par une photodiode reliée à l entrée d un circuit numérique synthétiseur de fréquence à quartz. La tension de correction est amplifiée et appliquée au LTO. La grande plage de capture de ce montage simple permet de verrouiller Δν sur une fréquence de consigne ajustable par pas de 100 khz sur toute la bande passante du circuit synthétiseur, soit [0,1;1,1] GHz. Grâce à la synthèse de fréquence, la boucle de verrouillage de phase ne nécessite pas d oscillateur local balayable pour délivrer la fréquence de consigne. Ensuite, nous montrons que les grandes variations de fréquence optique induites par la modulation de la puissance de pompe d un laser microchip peuvent être mises à profit pour verrouiller la longueur d onde laser sur une raie d absorption moléculaire. Cette technique simple est appliquée à un laser Er,Yb:verre émettant à 1,53 µm en coïncidence avec des raies d absorption de C 2 H 2. Le laser microchip composite Er,Yb:verre/LiTaO 3 oscille sur deux états de polarisation de longueurs d ondes λ o et λ e. La fréquence de battement Δν est accordable de 0 à 60 GHz en modifiant la température du laser [2]. Grâce à l excédent d énergie thermique déposé par la pompe dans le milieu actif, la température du laser peut être contrôlée par la puissance de pompe. L amplitude de la réponse en fréquence est 0,74 GHz/mW. Pour asservir l une des longueurs d onde, par exemple λ e, sur une raie de C 2 H 2, λ e est accordée au centre de la raie puis modulée en variant sinusoïdalement la puissance de pompe. Un circuit de contre-réaction à détection synchrone élimine alors les dérives de fréquence du laser. En boucle fermée, l écart-type des variations de fréquence est estimé à 1 GHz sur une journée, ce qui conduit à une stabilité de la fréquence optique de 10 7 [3]. De plus, les dérives de la fréquence de battement, de l ordre de 1 GHz sur 2 heures lorsque la boucle est ouverte, sont réduites à 100 MHz lorsque la boucle est fermée. En effet, asservir une longueur d onde stabilise l autre longueur d onde, les deux états propres partageant la même cavité. Références : [1] M. Alouini, B. Benazet, M. Vallet, M. Brunel, P. Di Bin, F. Bretenaker, A. Le Floch et P. Thony, Offset phase locking of Er:Yb:glass laser eigenstates for RF photonics applications, IEEE Photon. Technol. Lett. 13, (2001). [2] M. Brunel, A. Amon et M. Vallet, Dual-polarization microchip laser at 1.53 µm, Opt. Lett. 30, (2005). [3] M. Brunel et M. Vallet, Wavelength locking of CW and Q-switched Er 3+ microchip lasers to acetylene absorption lines using pump-power modulation, Opt. Express 15, (2007).

2 Lasers bifréquences : synthétiseur opto-hyper et asservissement sur une raie moléculaire Marc Vallet, Marc Brunel et Martial Oger* Physique des Lasers, Institut de Physique de Rennes *Institut d Electronique et detélécommunications de Rennes UNIVERSITE de RENNES I Journée club Optique et Micro-Ondes SFO, Lannion, 11 juin 2007

3 Lasers bi-fréquences pour applications opto-hyper Spectroscopie hétérodyne Génération THz ( M. Brunel, O. Emile, F. Bretenaker, A. Le Floch, B. Ferrand et E. Molva, Opt. Rev. 1997) (M. Alouini, M. Brunel, F. Bretenaker, M. Vallet et A. Le Floch, IEEE Phot. Technol. Lett. 1998) Télécoms : OL à 10, 40, 60 GHz Lidar-Radar 3-18 GHz (M. Alouini, M. Vallet, M. Brunel, F. Bretenaker et A. Le Floch, Elec. Lett. 2000) (L. Morvan, N. Diep Lai, D. Dolfi, J.P. Huignard, M. Brunel, F. Bretenaker et A. Le Floch, Appl. Opt. 2002)

4 Laser solide pompé par diode + biréfringence φ Milieu actif ν x Diode M 1 Etalon M 2 L ν y Polariseur ν x ν y = c/2l ( φ/π) + p c/2l φ par effet électro-optique ou thermo-optique

5 Laser équivalent à un VCO (via effet thermique ou électro-optique) PLL pour stabiliser ν Laser bi-fréquence (VCO) ν = ν y -ν x = f OL Filtre Synthétiseur f OL réduction bruit d intensité alim. courant F 2 diode laser boucle thermo-optique (lente) Nd:YAG LiTaO 3 V F 1 λ = 1.06 µm boucle électro-optique (rapide) Sortie OL 25 mhz ν = 500 MHz (IEEE Phot. Technol. Lett. 2004)

6 Mais : PLL à mélangeur analogique = plage de capture faible. 1) laser à cavité externe : balayage discret impossible. 2) laser monolithique : δ( ν) >> plage de capture. - Synthèse de fréquence opto-hyper. - Asservissement thermo-optique sur une raie moléculaire. - Conclusion.

7 1) Synthèse de fréquence opto-hyper. Laser bi-fréquence (VCO) ν = ν y -ν x = f OL Synthétiseur Filtre de boucle f OL VCO synthèse de fréquence (PLL)

8 Laser bi-fréquence (VCO) Filtre de boucle f OL ν = ν y ν x VCO Laser synthèse de fréquence (PLL)

9 fr 1 N 1 R +V U D -V LMX 2335 D M 1 M 2 ν x Diode Laser ν y Alim. Courant Nd:YAG filtres de boucle LiTaO 3 D ν = N R f r laser 360 ν= N/R f r Balayage séquentiel programmable ν (MHz) Temps (s) 3

10 Puissance (dbm) ν (MHz) Accordable sur toute la plage de capture (200 MHz) Puissance (dbm) Puissance (dbm) ,6 339, ,2 340,4 ν (MHz) ν 3, (Hz) (Horizons 2007)

11 Stabilisation d un microchip sur une raie moléculaire Er:Yb:verre LiTaO 3 CEA LETI x Diode Pompe y Miroirs TEC longueur : L = 400 µm fréquence de battement : ν = ν 0 + Λ(T-T 0 )

12 Régime bi-fréquence λ y λ x λ y puissance (u.a.) λ (nm) λ x puissance (u.a.) 0.4 nm 26 GHz ν=ν x ν y (Span 400 MHz) (RBW 300 khz) ν (GHz) GHz.K température du laser ( C) (Opt. Lett. 2005)

13 Réponse en fréquence à une modulation de pompe : x P=Po+ P cos(ωt) dνx,y dp (Ω) = Λ x,y Modèle de diffusion thermique : dτ dp (Ω) Diode Pompe y Fonction de transfert (Zayhowski) dt dp dν/dp (GHz/mW) Ω (Hz)

14 Laser Raie moléculaire : C 2 H 2 Asservissement par modulation FM Alim. courant + Ω diode laser ε dé tection synchrone D L 1 L 2 IO 13C 2 H 2 y x x sortie erreur ε (mv) boucle ouverte offset (mw) Transmission 30%

15 Boucle fermée Stabilisation du battement ν x -ν abs (MHz) db boucle ouverte boucle fermée Temps (heures) Fréquence (GHz) σ (ν x -ν abs ) ν abs < 10 7 (Opt. Express 2007)

16 Conclusion. 1) Synthèse de fréquence opto-hyper. - programmable. - accordable de 0,1 à 1 GHz ; sauts de fréquence de 200 MHz. - Er 3+ - grande plage de capture : microchip? vers les 60 GHz? 2) Asservissement sur raie moléculaire. - stabilisation du battement - seconde boucle (PLL numérique avec électro-optique) - démonstration dans le cas déclenché. - LIDAR (mono-fréquence). - LIDAR-RADAR (bi-fréquence). (CLEO-Europe 2007) Collaboration THALES financement : CPER (GIS-Foton)