Microrésonateurs actifs ou non-linéaires : applications aux micro-ondes

Transcription

1 Microrésonateurs actifs ou non-linéaires : applications aux micro-ondes Yannick Dumeige UMR FOTON ENSSAT / Université de Rennes 1 6 rue de Kerampont, Lannion Institut des Nanotechnologies de Lyon 09/02/2010

2 Présentation de l équipe Groupe de physique des LASERS LASERS semi-conducteurs - Injection optique, récupération d horloge, - Métrologie - Lasers impulsionnels pour les télécoms LASERS à fibres Microcavités à modes de galerie S. Trebaol (thèse), L. Xiao (thèse), P. Féron (responsable) - Physique des LASERS microsphériques (Verres dopés Er 3+ ) - Micro-résonateurs non-linéaires χ (2) ou χ (3) - Fonctions optiques de traitement du signal régénération, lignes à retard, - Applications Opto/Hyper

3 Plan de l exposé Introduction / Motivation 1. Rappels : Microrésonateurs à modes de galerie (WGM) 2. Propriétés dispersives d un résonateur WGM Méthode expérimentale Ligne dispersive amplificatrice intégrée 3. Micro-générateur hyperfréquence à LASERS WGM 4. Régime auto-pulsé dans des résonateurs non-linéaires χ (3) Conclusion

4 Plan de l exposé Introduction / Motivation 1. Rappels : Microrésonateurs à modes de galerie (WGM) 2. Propriétés dispersives d un résonateur WGM Méthode expérimentale Ligne dispersive amplificatrice intégrée 3. Micro-générateur hyperfréquence à LASERS WGM 4. Régime auto-pulsé dans des résonateurs non-linéaires χ (3) Conclusion

5 Motivations Traitement optique du signal micro-onde : Micro-ondes Laser MEO Fonction Optique Photodiode Micro-ondes Exemple : Oscillateur opto/électronique (OEO) Laser Modulateur Sortie microonde Gain Fibre optique τ L Photodiode Objectif : intégration de la ligne à retard (L : 1km 1mm) en utilisant des résonances de la matière (effet Brillouin, EIT, CPO, CPT, ) des résonances artificielles : microrésonateurs optiques Q> µm Cahier des charges : - Grande valeur de τ cohérence du signal micro-onde ( τ > 1µs) - Retard τ variable accordabilité du signal micro-onde X. S. Yao and L. Maleki, J. Opt. Soc. Am. B (1996)

6 Plan de l exposé Introduction / Motivation 1. Rappels : Microrésonateurs à modes de galerie (WGM) 2. Propriétés dispersives d un résonateur WGM Méthode expérimentale Ligne dispersive amplificatrice intégrée 3. Micro-générateur hyperfréquence à LASERS WGM 4. Régime auto-pulsé dans des résonateurs non-linéaires χ (3) Conclusion

7 Rappels sur les modes de galerie Cas d école : la microsphère diélectrique Réflexion totale : OM = r i sin i > N 1 /N 2 z N 2 >N 1 N 1 θ M O y ϕ Résonateur en anneau monolithique : ISL c/(2πn 2 R) x R 2π/l x Cette approche géométrique : Peut donner la position des résonances Mais ne prend pas en compte la diffraction Origine du confinement interne? V.B. Braginsky et al., Phys. Lett. A (1989)

8 Rappels sur les modes de galerie Equivalence : équation d onde équation de Schrödinger Potentiel effectif : Réflexion totale Confinement interne Exemple : Microsphère en silice - rayon R = 10 µm - l = TE (E//u θ et H//u r ) Etats quasi-liés H.M. Nussenzweig, Diffraction effects in semiclassical scattering, Cambridge University Press (1992)

9 Rappels sur les modes de galerie Représentation du vecteur de POYNTING : Microsphère en silice - rayon R = 10 µm - l = TE (E//u θ et H//u r ) n = 5 et m = l-2 n = 1 N 2 = 1,45 m = l m = l-3 Air H r E θ

10 Modes de galerie : Bilan Micro-résonateurs passifs (état solide) pour λ entre 800 et 1600 nm : Forme Matériaux (Fabrication) Dimensions Facteur Q (Couplage) R Sphère Silice (Fusion) R = 10 à 200 µm (Prisme ou fibre effilée) 2a R Tore Silice (Fusion) R = 10 à 200 µm 2a = 5 à 10 µm 10 8 (Fibre effilée) R LiNbO h Sphéroïde tronqué CaF 2 (Polissage) R 1 mm h 100 µm (Prisme) h R Disque Silicium AlGaAs (Gravure) R = 1 à 3 µm h = 0.2 à 1 µm (Fibre effilée ou guide) V.S. Ilchenko and A.B. Matsko, IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron (2006)

11 Plan de l exposé Introduction / Motivation 1. Rappels : Microrésonateurs à modes de galerie (WGM) 2. Propriétés dispersives d un résonateur WGM Méthode expérimentale Ligne dispersive amplificatrice intégrée 3. Micro-générateur hyperfréquence à LASERS WGM 4. Régime auto-pulsé dans des résonateurs non-linéaires χ (3) Conclusion

12 Propriétés générales d un résonateur Résonateur optique = filtre optique linéaire τ 0 coupleur E in E out ω 0 s in (t) u(t) τ e s out (t) Durée de vie du champ : Fréquence angulaire de résonance Global Facteur de qualité Evolution de l amplitude du mode Externe En régime stationnaire : Fonction de transfert (amplitude) Intrinsèque Déphasage Transmission (puissance) H.A. Haus, Waves and fields in optoelectronics (1984)

13 Propriétés dispersives d un résonateur Retard de groupe : δ: désaccord en fréquence : Retard de groupe résonant : τ 0 < τ e sous couplage τ 0 = τ e couplage critique τ 0 > τ e sur couplage τ 0 < -τ e amplification sélective Retards de groupe opposés En passif le régime de couplage détermine le retard de groupe introduit τ 0 < 0 amplification + retard S. Trebaol et al., Comptes Rendus Physique (2009)

14 Transmission d un résonateur Peut on obtenir la dispersion à partir de la transmission T? Spectre de transmission Transmission à résonance 2 types de couplage différents pour la même valeur de T(0)

15 Propagation dans un résonateur A facteur Q constant La transmission en intensité reste constante Sous couplage τ e =10.6 ps τ 0 =3.0 ps Retard «négatif» Cliquer ici pour lancer l animation Sur couplage τ e =3.0 ps τ 0 =10.6 ps Retard «positif» Cliquer ici pour lancer l animation

16 Méthode expérimentale Transmission dans le régime stationnaire Balayage lent de la fréquence d entrée ν Pour obtenir les propriétés dispersives : Mesure du déphasage (interférométrie ou spectroscopie RF) Propagation d impulsions Nous proposons d utiliser un balayage rapide afin d obtenir simultanément : Le facteur Q et la finesse J. Poirson et al., J. Opt. Soc. Am. B (1997) Le régime de couplage et donc les propriétés dispersives

17 Méthode expérimentale Méthode dans le régime de balayage rapide : 1/ Enregistrement temporel de la transmission T(t) 2/ Comparaison à l aide d une méthode de moindres carrés avec la formule analytique donnant l amplitude u(t) du mode de cavité : 3/ A partir de la mesure on obtient τ e et τ 0 La transmission ou le gain externe G Les caractéristiques de couplage Les propriétés dispersives V S : vitesse de balayage

18 Méthode expérimentale Balayage linéaire de la fréquence : Vitesse de balayage normalisée : (Résonateur passif en couplage critique) Régime stationnaire Ringing exp(-t/τ)

19 Méthode expérimentale Technique hétérodyne Information sur la phase Régime de couplage Interférences Ex: pour le même τ Sur couplage Sur couplage Sous couplage Sous couplage Régime stationnaire (balayage lent) Régime dynamique

20 Méthode expérimentale Validation expérimentale de la méthode Système modèle : résonateur à fibre Pompe Sonde: Laser accordable ( ν=150khz sur 5GHz) Sonde Isolateur Commande Trigger de la fréquence PC Coupleur Oscilloscope Mux Fibre dopée Er 3+ Mux Photodiode Coupleur variable Fibre dopée Er 3+ Pertes ou gain variables Toutes les configurations de couplage peuvent être investiguées

21 Méthode expérimentale Mesure sensible et non ambigüe du couplage 2 taux de pompage Balayage lent 2 taux de couplage Deux réponses stationnaires identiques = Balayage rapide Q=1.4x10 8 Q=1.7x10 8 Deux réponses dynamiques différentes Sur couplage τ 0 =895ns et τ e =321ns Sous couplage τ 0 =404ns et τ e =958ns

22 Application aux WGMs Fabrication ENSSAT Microsphère en silice : - Fusion (soudeuse ou torche plasma) - Diamètre Φ : µm - Collage sur une fibre en silice Fabrication FEMTO-ST Sphéroïde en MgF 2 : - Résonateur monocristallin - Polissage - Diamètre Φ 5 mm Couplage par fibre effilée diamètre < 3 µm

23 Application aux WGMs (1/3) Caractérisation complète de résonateurs WGM Ex: Sphéroïde en MgF 2 Surface polie Φ=5.2mm e=700µm Fibre amincie (Diamètre <3 µm) 2ρ=60µm Fabrication : FEMTO-ST Balayage rapide Le balayage rapide permet de mesurer : Le facteur Q global de résonateurs à WGM (>10 10 ) I. Grudinin et al., Phys. Rev. A (2006) et leurs propriétés dispersives Y. Dumeige et al., J. Opt. Soc. Am. B (2008) Sous couplage : τ e =4.11µs > τ 0 =543ns Q= τ g (0)=-146ns (avec son signe)

24 Application aux WGMs (2/3) Pour des résonateurs à WGM de grande finesse (F~10 5 ) : Rétrodiffusion Rayleigh couplage de modes dédoublement de fréquences D.S. Weiss et al. Opt. Lett (1995) s out (t) τ 0 τ e u 2 (t) u 1 (t) Taux de couplage s in (t) r out (t) τ 0 Transmission: T=Is out I 2 /Is in I 2 et Réflexion: R=Ir out I 2 /Is in I 2 Couplage critique γ = τ/2 γ = τ/10 Résonateur sans perte τ 0 + τ = τ e

25 Application aux WGMs (2/3) Simulations à l aide du modèle analytique V S =V 0 /100 V S =0.3V 0 Couplage critique V S =V 0 V S =12V 0 V S =V 0 /100 V S =0.3V 0 Battement dû aux fréquences ν 0 ±1/(2γ) V S =V 0 V S =12V 0 Résonateurs sur-couplés

26 Application aux WGMs (2/3) Dispositif expérimental : Mesure simultanée des signaux de transmission T et de réflexion R Microsphère PC s in (t) D 1 Sonde Isolateur D 2 R(t) 3dB coupleur Taper T(t) Oscilloscope Trigger Test de la méthode Microsphère en silice à WGM Φ ~100 µm finesse F ~ Couplage : fibre amincie (taper) (diamètre ~4 µm)

27 Application aux WGMs (2/3) Validation : comparaison transmission / réflexion τ e, τ 0, γ Intérêt de la méthode Ex : Mesure sensible de γ mesure du diamètre de nanoparticules uniques J. Zhu et al., Nature Photon (2010) Moins d impact des effets thermiques Dérive thermique : V S,eff > V S

28 Application aux WGMs (3/3) Amplification sélective : résultats obtenus dans une sphère ZBLALiP dopée Er 3+ Diamètre de la sphère : φ=100µm Sonde Iso PC A OSA C 3dB WDM 1480/1550 Taux de dopage : 0.1% Microsphère WGM dopée WDM 1480/1550 EDFA A λ P =1480 nm Pompe PD Osc Pompe 20 mw + sonde <100nW F Gain T>>1 + «Ringing» Résultats du traitement τ e =211.7ns τ 0 =-249.4ns<0

29 Application aux WGMs (3/3) Déduction des paramètres stationnaires Gain Retard de groupe A résonance (δ=0) : - Retard de groupe : τ g (0)=1.5µs L 300m - Amplification : G max 22dB Longueur de fibre équivalente Elément intégré très dispersif et amplificateur Applications micro-ondes : Filtres, ligne à retard, ampli,

30 Plan de l exposé Introduction / Motivation 1. Rappels : Microrésonateurs à modes de galerie (WGM) 2. Propriétés dispersives d un résonateur WGM Méthode expérimentale Ligne dispersive amplificatrice intégrée 3. Micro-générateur hyperfréquence à LASERS WGM 4. Régime auto-pulsé dans des résonateurs non-linéaires χ (3) Conclusion

31 Génération de micro-ondes Objectif : générer un signal micro-onde accordable sur une porteuse optique (distribution aisée) de haute pureté spectrale Solution : battements de deux lasers désaccordés LASER 1 LASER 2 Coupleur 3dB Photodiode Micro-ondes Signal F=Iν 2 -ν 1 I Suppression des fluctuations de phase du 1 er ordre : injection optique des 2 lasers par un laser maître unique boucle à verrouillage de phase optique laser à double émission monomode les deux lasers doivent partager la même cavité J. Yao, IEEE J. Ligthw. Technol (2009)

32 Génération de micro-ondes Microsphère à haut Q + Erbium = laser très cohérent ν<50khz Système étudié : F. Lissillour et al., Opt. Lett (2001) 1 microsphère 2 pointes effilées deux lasers dans la même sphère Pointe #1 λ P =1480nm P 1 d 1 En changeant : La position des coupleurs (d i, e i ) λ nm Microsphère Er:ZBLALiP e 2 d 2 e 1 Pointe #2 λ P =1480nm P 2 λ nm Les taux de pompage (P i ) Les deux émissions laser peuvent être: accordées indépendamment monomodes Les deux plans équatoriaux sont différents Cavité commune sans compétition de modes

33 Génération de micro-ondes Dispositif expérimental : λ P =1480 nm LD Pompes : 4mW Iso Signaux : <500nW C 3dB A A WDM 1480/1550 WDM 1480/1550 Iso P 1 P 2 PC Iso l 1 l 2 Microsphère + demi pointes C 3dB OSA EDFA F 10% C 90% Signaux Lasers (λ 1,λ nm) Pompe (λ P =1480nm) FPA PhD Osc Cavité confocale ESA Analyse du spectre électrique ν=iν 2 -ν 1 I 11GHz Spectre à l OSA Détail du spectre (Résolution : 50MHz soit 1.55µm)

34 Génération de micro-ondes Résultats dans le domaine électrique 10.86GHz Spectre du battement Bande passante de la PhD : 15GHz Largeur du battement : 22kHz Fluctuations sur 30 : fréquence : 300kHz amplitude : 1dB Performances comparables aux lasers à fibres à émission double en boucle ouverte Reste à caractériser le bruit de phase L. Xiao et al., à paraître dans IEEE Photon. Technol. Lett.

35 Plan de l exposé Introduction / Motivation 1. Rappels : Microrésonateurs à modes de galerie (WGM) 2. Propriétés dispersives d un résonateur WGM Méthode expérimentale Ligne dispersive amplificatrice intégrée 3. Micro-générateur hyperfréquence à LASERS WGM 4. Régime auto-pulsé dans des résonateurs non-linéaires χ (3) Conclusion

36 Bistabilité généralités (1/2) Microanneau non-linéaire Fabry-Pérot non-linéaire I out I inc ρ,κ I R ρ,κ ρ,κ χ (3) I inc I out =κ 2 I I R χ (3) Intensité interne I Grande finesse : ρ 1 Autour de la résonance φ 0 : profil Lorentzien : δφ où : φ 0

37 Bistabilité généralités (2/2) Effet Kerr Variables normalisées : Intensité d entrée : Intensité de sortie : Iout est définie de façon implicite Désaccord normalisé : Méthode «graphique» : X/M Pente : 1/Iinc Cliquer ici pour lancer l animation X 0 -Xini Applications : Mémoire flip-flop, régénération, Xini<0

38 Multistabilité Pour plusieurs résonances Multistabilité Régime auto-pulsé? X/M ISL J.H. Marburger and F.S. Felber, Phys. Rev. A (1978) Inconvénient : pour un résonateur simple Puissances requises trop élevées X 0 Instabilités d Ikeda Couplage de deux résonateurs identiques : splitting de fréquence s contrôlable par le taux de couplage s <<ISL le seuil de multistabilité est réduit I T κ 1 κ R 0 κ 0 I in I D κ 1 =0.36 et κ 0 =0.3 R=15 µm et N=1.6

39 Régime auto-pulsé Régime stationnaire (méthode : modes couplés) Bistabilité Tristabilité Seuil n 2 I in > Polymères (PTS, ) : I in 100 MW/cm 2 - III-V : I in 1 GW/cm 2 Rq : Désaccord δν=168 GHz Simulations dynamiques (méthode : différences finies 1D) Pour n 2 I in = régime auto-pulsé Fréquence F=122 GHz Accordable en changeant δν ex: pour δν=41 GHz F=136 GHz (Puissance requise 500mW pour A eff =1µm 2 et Q ) Oscillations RF ne nécessitant qu un seul Laser Y. Dumeige and P. Féron, Phys. Rev. E (2005) B. Maes et al., Phys. Rev. A (2009)

40 Conclusion Méthode de caractérisation simple de résonateurs à WGM : - Facteur Q - Régime de couplage / Dispersion - Gain sélectif - Impact de la rétrodiffusion Rayleigh Résonateurs WGM actifs à hauts facteurs Q - Ligne dispersive amplificatrice (filtrage, retard, ) Insertion dans un OEO Lasers microsphériques à WGM - Source hyperfréquence sur porteuse optique Etude du bruit de phase Perspectives : microrésonateurs non-linéaires χ (3) : Etude systématique de la stabilité Trouver le bon système : expériences? Merci à Hervé Tavernier (FEMTO-ST) pour le résonateur MgF 2 et au CNES pour le soutien financier