L'injection optique, un processus de base en photonique : description de ses non-lin

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1 École Nationale Supérieure de Sciences Appliquées et de Technologie Séminaire GDR DYCOEC, Rouen, 12 février 2007 L'injection optique, un processus de base en photonique : description de ses non-lin linéarités Pascal Besnard -ENSSAT CNRS UMR rue Kerampont, BP 80518, Lannion cedex, FRANCE

2 Contributeurs 2 Marc Bondiou Renaud Gabet Stéphane Blin Céline Guignard Julien Poëtte Olivier Vaudel Guy Stéphan

3 UMR 3 : Fonctions Optiques pour les Technologies de l informations 3 sites : Brest, Lannion, Rennes 80 permanents, 130 personnes 2 plateformes Noe, ANR UMR = unité mixte de recherche CNRS Télécom Environnement Défense Métrologie Médical

4 -ENSSAT 4 Trégor-Lannion ~50 personnes Activités Groupe : FOT, GMNP, GPL, CCLO Activités : LIDAR, CAPTEURS GPL : synchronisation et mise en phase différents types de lasers (fibre, semi-conducteurs, îlots quantiques, solide, microsphérique ) collaborations locales (IDIL, KEOPSYS, LASEO, OXXIUS, PERFOS, QUANTEL )

5 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Introduction 1 Laser : source + milieu amplificateur + cavité 5 2 Interaction photons-atomes : absorption, émission spontanée, émission stimulée Erbium x z y ~200 µm Faces clivées ~200 µm pgaas ngaas ~300 µm Zone Active (4 x 0.1 µm)

6 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Introduction 1 Laser : source + milieu amplificateur + cavité 6 2 Interaction photons-atomes : absorption, émission spontanée, émission stimulée Erbium 1,0 0,8 z=d 1 d= d 2 -d 1 z=d 2 Indice n Premier interface Second interface ISL : Interval spectral libre c/2d F=3 I/T max 0,6 0,4 Δν F=30 0,2 T min /T max 0,0 δ ν k ν k+1

7 Introduction Qu est-ce qu un laser? L'émission stimulée permet d'amplifier un flux de photons dont la longueur d'onde est caractéristique de l'atome 7 1 photon signal Deux photons (+ 1 photon stimulé) Un jeux de miroirs permet d'obtenir une amplification considérable : 1 photon photons Miroir Miroir ~ photons 1 photon signal

8 Transformer le bruit en un rayonnement cohérent Introduction L émission spontanée est le processus initiateur de base 8 Amplification Filtrage par la cavité (fonction de transfert généralisée au laser) : profil de Voigt ensemble des fréquences mises en jeux

9 Transformer le bruit en un rayonnement cohérent Introduction L émission spontanée est le processus initiateur de base 0,20 Esclave libre Γ 0,15 S Amplification Intensité optique 0,10 0,05 0, Fréquence (MHz) 9 Filtrage par la cavité (fonction de transfert généralisée au laser) : profil de Voigt ensemble des fréquences mises en jeux G.M. Stephan, T.T. Tam, S. Blin, P. Besnard, M. Tetu, Laser line shape and spectral density of frequency noise, Physical Review A v

10 Introduction Injection optique 10 LASER MAÎTRE ISOLATEUR OPTIQUE LASER ESCLAVE Détection & Analyse Couplage unidirectionnel de deux lasers Propriétés usuelles de l'injection : - accrochage en fréquence - transfert de pureté spectrale du maître à l'esclave Une compétition apparaît entre l'émission spontanée du laser esclave et la source externe.

11 Introduction Ca ne date pas d aujourd hui 11 Synchronisation d oscillateurs mécaniques (Huygens 1655) électriques (Van Der Pool (1927), Adlers (1946)) optiques (Pantell (1965), Kobayashi (1980) ) Synchronisation de chaos en optique Pecora, Carroll (1990) transmissions sécurisées (VanWigerren (1998), Roy (1998), Goedgebuer (1998) )

12 Plan de l'exposé 10/37 12 I. Vue générale de l injection optique II. Faible injection et très faible injection III. Un outil pour l étude de la synchronisation IV. Conclusion

13 Laser à fibre DFB 13 Pompe à 980 nm Multiplexeur 980 / 1550 nm Fibre codopée erbium - ytterbium ~ 30 à 50 mm Isolateur Signal laser Signal laser 0,8 Réseau de Bragg : modulation spatiale périodique de l'indice effectif de la fibre - miroir sélectif en fréquence - cavité répartie Réflectivité normalisée 0,6 0,4 0,2 1547, , ,19 λ B Longueur d'onde (nm)

14 Laser à semi-conducteurs utilisé Puces laser : DFB massif monofréquence Émettant à 1,55 µm Type «double hétérojonction et ruban enterré» 14 Puce laser Puce laser Guide optique 2 mm 2 mm Pavé report Support Câblage électrique (fils d or)

15 A quoi ça ressemble? 15 Optique de reprise montée sur un support trois axes Apport de courant Puce laser Support de la puce laser

16 Montage expérimental I. Vue générale de l'injection 16 Laser maître accordable Amplificateur optique Atténuateur variable Isolateur isolateur optique intégré Maintien de polarisation Isolator Coupleur Laser esclave Coupleur ou circulateur Isolateur Mesureur de puissance Analyseur Fabry-Perot GHz Détecteur 15 GHz Oscilloscope Caractérisation du laser injecté Analyseur de spectre électrique Coupleur Point de fonctionnement : (P i, Δν) Lambdamètre

17 Paramètres de contrôle de l'injection I. Vue générale de l'injection 17 LASER MAÎTRE ISOLATEUR OPTIQUE LASER ESCLAVE Détection & Analyse Puissance injectée P i Puissance injectée à l'intérieur de la cavité esclave Désaccord Δν Difference de fréquence entre celle du maître ν M et celle de l'esclave libre ν E libre : Δν = ν M - ν E libre Taux de pompage de l'esclave r Rapport du courant de pompe du laser esclave I sur le courant de pompe au seuil I seuil : r = I / I seuil Stéphane Blin, Céline Guignard, Pascal Besnard, Renaud Gabet, Guy Michel Stéphan, Marc Bondiou Phase and spectral properties of optically injected semiconductor lasers invited paper, in Semiconductorlasers/Lasers semiconducteurs, Comptes Rendus de Physique Elsiever on behalf of Académie des Sciences, tome 4 fascicule 6 pp July 2003.

18 I. Vue générale de l'injection Cartographie à 4 fois le seuil (1) 18 Densité spectrale de puissance (u. a.) 1,0 0,5 0,0 Fréquence maître Esclave injecté Esclave libre A Fréquence relative (GHz) A 1 2 C R Désaccords décroissants Désaccord (GHz) Puissance injectée (dbm) Densité spectrale de puissance (u. a.) 1,0 0,5 0,0 Fréquence maître Fréquence relative (GHz) A 1 2 C R Désaccords croissants Désaccord (GHz) Puissance injectée (dbm)

19 I. Vue générale de l'injection Cartographie à 4 fois le seuil (2) 19 Densité spectrale de puissance (u. a.) 1,0 0,5 0,0 Fréquence maître R A 1 2 C R Désaccords décroissants Puissance injectée (dbm) Fréquence relative (GHz) Désaccord (GHz) Densité spectrale de puissance (u. a.) 1,0 C 0,5 0, Fréquence relative (GHz) A 1 2 C R Désaccords croissants Désaccord (GHz) Puissance injectée (dbm)

20 I. Vue générale de l'injection Cartographie à 4 fois le seuil (3) Forte injection Injection C moyenne 2 R L Faible injection A R C Puissance injectée (dbm) Très faible injection Désaccord (GHz) Limites de la zone bistable Transition abrupte A : accrochage ; 1, 2, 4 : mélanges d'ondes ; R : relaxation ; C: Chaos.

21 I. Vue générale de l'injection An overview 21

22 I. Vue générale de l'injection La théorie Modèle Lang et Kobayashi (Adler) Se trouve insuffisant pour décrire des situations où le gain a une faible largeur spectrale : injection dans un mode non résonant (laser à gaz, laser solide, ) Laser à semi-conducteurs P. Even, K. Aït-Ameur, G. Stéphan, Modeling of an injected gas laser, PRA vol. 55, n 2 pp E.G. Lariontsev, I. Zolotoverkh, P. Besnard and G. Stéphan, Injection locking properties of a microchip laser. The European Physical Journal D 5 pp (1998). 22

23 Les résultats théoriques I. Vue générale de l'injection r = 4 Bistabilité Puissance injectée (dbm) Puissance injectée (dbm) Désaccord (GHz) Désaccord (GHz) Désaccord décroissant Désaccord croissant

24 Un exemple d instabilité : la multi - excitabilité 24 Observation expérimentale du régime de multiexcitabilité dans un laser injecté Puissance optique (u.a.) 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Temps (ns) Puissance optique (u.a.) Puissance optique (u.a.) 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-5,0-2,5 0,0 2,5 5,0 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Temps (ns) 0,0-5,0-2,5 0,0 2,5 5,0 Temps (ns)

25 Un exemple d instabilité : la multi - excitabilité Puissance injectée (dbm) Multi-excitabilité Désaccord (GHz)

26 Plan de l'exposé II 23/37 26 I. Vue générale de l injection optique II. Faible injection et très faible injection III. Un outil pour l étude de la synchronisation IV. Conclusion

27 Importance de la cohérence : amplification sélective II. Vers une définition de l'accrochage à forte puissance injectée : la source externe domine ; la densité spectrale de l ES est négligeable. Il y a accrochage de fréquence et de phase (Γ) : -si Γ E > Γ M, transfert de pureté spectrale. -si Γ E < Γ M, transfert d impureté spectrale. à faible puissance injectée : compétition entre émission spontanée et source externe. Il y a accrochage de phase sans obligatoirement accrochage de fréquence : -si Γ M > Γ E, pour une diminution de la puissance injectée, le transfert de largeur de raie est partiel. -siγ M < Γ E, amplification du signal injecté. 27

28 Amplification d un faible signal cohérent II. Vers une définition de l'accrochage Γ S > Γ M Largeur Maître Γ M = 125 KHz 28 Largeur de l esclave libre -90 dbm dbm dbm dbm Désaccord en fréquence (MHz) Puissance Injectée

29 Esclave injecté par un faible signal cohérent II. Vers une définition de l'accrochage 29 Signal maître amplifié Densité spectrale de puissance (u. a.) 0,4 Piédestal esclave 0,2 0, Fréquence relative (MHz) Injection d'un signal faible cohérent : - Maître : 125 khz - Esclave : 80 MHz (Pleines largeurs spectrales à mi-hauteur)

30 30 Densité spectrale de puissance (u. a.) +100 Fréquence relative (MHz) Transfert de pureté spectrale II. Vers une définition de l'accrochage Piédestal r = 1, Fréquence relative (MHz) Maximum de la densité spectrale Saturation Amplification Densité spectrale de puissance optique Libre L'accrochage total correspond à la saturation de l'amplification Puissance injectée (dbm)

31 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation31 II. Cohérence Laser maître accordable LASER MAÎTRE Fréquence ν Acoustooptique 80 MHz Fréquence ν Laser détecteur (diode DFB) Coupleur PM Fréquence ν + 80MHz Détecteur 15GHz ASE Maître Battements Esclave injecté ν ν

32 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation32 II. Cohérence Laser maître accordable LASER MAÎTRE Fréquence ν Acoustooptique 80 MHz Fréquence ν Laser détecteur (diode DFB) Coupleur PM Fréquence ν + 80MHz Détecteur 15GHz ASE Intensité électrique à 80MHz (u.a.) Temps (ms/div)

33 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation33 II. Cohérence Laser maître accordable LASER MAÎTRE Fréquence ν Acoustooptique 80 MHz Fréquence ν Laser détecteur (diode DFB) Coupleur PM Fréquence ν + 80MHz Détecteur 15GHz ASE Idée : tirer profit de la cohérence Minimum de puissance détectée : P i = -117 dbm (2 femtowatt) Pour un faisceau continu, à température ambiante 1000 photons

34 II. Cohérence Laser détecteur 34 A très faible injection, modification de la forme de raie Amplification de la source externe et détection de faible signaux (femtowatt en régime continu à température ambiante) Mesure du gain d amplification (53 db, ampli 30 db) Système lent. Tomographie. limites quantiques? 100 photons. 1 Δt Δt Pexc Δ t = dt' dt"g 2 A t' t" GN t' t" 0 0 ( ) * ( ) R ( ) C. Cohen-Tannoudjii et al. Processus d interaction... Editions du CNRS

35 Plan de l'exposé 30/37 35 I. Vue générale de l injection optique II. Faible injection et très faible injection III. Un outil pour l étude de la synchronisation IV. Conclusion

36 Cascade de deux injections optiques III. Synchronisation { Δν, P } Laser maître Isolateur optique Laser transmetteur Isolateur optique Laser récepteur 36 Si le signal issu du transmetteur est continu?

37 Cascade de deux injections optiques III. Synchronisation { Δν, P } Laser maître Isolateur optique Laser transmetteur Isolateur optique Laser récepteur 37 Si le signal issu du transmetteur n est pas continu Comparaison simple entre l injection par un signal continu et l injection par un signal non continu?

38 Indice d inter - corrélation 38 Quantification du degré de similitude grâce à l indice d inter-corrélation : Ic = max ( ) τ r τ avec r τ l inter-corrélation entre I T (t) et I R (t+τ)

39 Synchronisation de chaos % Δν = 0 Δν = -11,4 GHz

40 Synchronisation de chaos % Δν = 0 Système synchronisé Δν = -11,4 GHz

41 Synchronisation du régime de relaxation 41 Laser maître Isolateur optique Laser transmetteur Isolateur optique Laser récepteur

42 Synchronisation du régime de relaxation 42 Laser maître Isolateur optique Laser transmetteur Isolateur optique Laser récepteur Cartographies de corrélation au niveau du laser récepteur I c Désaccord décroissant Désaccord croissant Synchronisation possible (I c >90%) Importance du sens de variation du désaccord

43 Synchronisation de chaos 43 Laser maître Isolateur optique Laser transmetteur Isolateur optique Laser récepteur I c

44 Synchronisation de chaos 44 Laser maître Isolateur optique Laser transmetteur Isolateur optique Laser récepteur Cartographies de corrélation au niveau du laser récepteur I c Désaccord décroissant Désaccord croissant Synchronisation possible (I c >90%) Bistabilité de synchronisation

45 Comparaison expérience - simulation 45 I c simulation 1,1 1,0 Indice de corrélation I C 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-0, Puissance injectée (dbm)

46 Comparaison expérience - simulation 46 expérience I c simulation 1,1 1,0 Indice de corrélation I C 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-0, Puissance injectée (dbm) Adéquation des résultats

47 Conclusion 47 L injection optique Vue générale de l injection optique : une illustration d une dynamique non linéaire Importance de la cohérence Un outil pour l étude de la synchronisation Adéquation du modèle À suivre

48 Cartographie à 1,7 fois le seuil IV. Injection d'un laser à fibre 48 Désaccords croissants Désaccords décroissants Zone bistable Comparaison à un laser à semi-conducteurs injecté : Puissance injectée (dbm) A A La plage d'accrochage est : - étroite (2000 fois moindre) force du réseau, cavité Fabry-Perot pour les lasers à semi-conducteurs - étendue pour des désaccords croissants seulement Désaccord (MHz) - dissymétrique facteur de couplage phase-amplitude?

49 Réponse temporelle IV. Injection d'un laser à fibre 49 Évolution temporelle pour un désaccord négatif proche de la zone d'accrochage : r = 2 & P i = -1,7 dbm Intensité (u. a.) 0,2 0,1 0,0 Période : 87 µs Intensité (u. a.) 0,2 0,1 0,0 Décroissance : 7,3 µs Période : 4,4 µs Temps (µs) Temps (µs) 87 µs 11,5 khz Origine physique? 4,4 µs 230 khz Relaxation

50 Discussion Questions 50 Des questions?