D�veloppement de lasers solides agiles ultra-stables pour la ...

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



Laser EOM Traitement

Faibles pertes Large bande

Faible dispersion

Immunité électromagnétique Filtrage complexe

Capacité large bande



Soutenance de thèse

Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 2

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



Laser

Génération de retard

EOM Traitement

 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



Soutenance de thèse

Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 3

Analyse spectrale large bande

Spectromètre Spectromètre Projection Creusement

Autocorrélateur Autocorrélateur spatiale spectral

numérique analogique acousto- fibres optiques

optique (1) (2) (3)



Bande

10 ms ms ms ms

limité par TF

d’accès intégration intégration lecture CCD lecture CCD lecture





Dynamique 50 dB 40 dB 30 dB ? 33 dB 32 dB





(1) Saperstein et al., Opt. Lett. 29 (2004) 501 V. Lavielle G. Gorju

(2) Lavielle et al., J. Lumin. 107 (2004) 263 thèse 2004 thèse 2007

(3) Gorju et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 17 (2005) 2385

Soutenance de thèse

Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 4

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 Traitement

 Corrélations

 Harris et al., Opt. Lett. 25 (2000) 85

cohérent

 Harris et al., Appl. Opt. 45 (2006) 343

 Génération de formes arbitraires

 Barber et al., Opt. Express 10 (2002) 1145  Source laser

 Retard / mémoire

 Reibel et al., J. Lumin. 98 (2002) 355



Soutenance de thèse

Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 5

Plan

Architecture proposée Laser

programmation

RF



Processeur Détecteur

Laser EOM

optique rapide



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 6

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 >

absorption Aux basses températures (> Γh



Γinh

|f > Γh







fréquence

 Un exemple : Tm3+:YAG

 793 nm

 Γinh = 25 GHz  Bande passante

 Γh = 150 kHz à 5 K  Résolution



Soutenance de thèse

Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 8

Le cristal Er3+:Y2SiO5

Effet Stark Effet Zeeman

champ cristallin champ externe

4I

11/2

Y7

 Propriétés

50 ppm / T = 1,7 K / B = 2,2 T

…



4I

13/2





Y1

4gY1 µB B

I13/2:Y1-  λ = 1536,12 nm

 Γinh = 2 GHz

1,64 – 1,48 µm

980 nm









1,536 µm

1,526 µm









Γh = 2 kHz

1,64 µm

1,48 µm











 T2 = 150 µs

Z8 a b c d  T1 = 10 ms

4I

…









15/2







Z1 4gZ1 µB B

I15/2:Z1-





Soutenance de thèse

Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 9

Échos de photons

 Holographie spatiale  Holographie temporelle

t12 25 dB @ 1 MHz



0,2





0,0



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 15

Résumé

Large bande Potentielles



1,5 GHz 3 GHz

Bande passante

Largeur inhomogène Rampes de tension





Résolution 50 kHz 150 000



Temps d’accès Limité par TF Limité par TF



Probabilité

15 µs/100ms 100 % ?

d’interception



Dynamique 32 dB



Première démonstration de traitement optique cohérent large bande

Soutenance de thèse

Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 16

Laser agile en

fréquence

 Architecture de la cavité

 Caractérisation des chirps

 Asservissement dynamique des chirps

Architecture de la cavité

 Balayages en fréquence ordre -1

 10 GHz en 10 µs diode θ

 Précision << MHz laser ordre 0



 Diode laser en cavité étendue Littrow:

λL= 2 a sinθ

fréquence du laser









1/nb traits









pertes

ISL





temps fréquence

ISL = c/2L

Soutenance de thèse

Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 18

Accordabilité électro-optique

 Balayages en fréquence

 10 GHz en 10 µs

 Précision << MHz



Ménager et al., Opt. Lett. 25 (2000) 1246

 Cristal électro-optique

 Contrôleélectrique

 Indépendant de la diode

 Grande bande passante



 Asservissements Crozatier et al., Opt. Commun. 241 (2004) 203









Soutenance de thèse

Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 19

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 20

Caractérisation des chirps

fréquence









r



fb

Ti temps Ti

n(t - Ti) + e(t - Ti)





Laser PD



n(t) = n0 + r.t + e(t) n(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 21

Chirps verrouillés en phase

rampes de Ti

tension

fb = r.Ti

EO PD

Laser

filtre de détecteur

boucle de phase OL





 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 22

Pureté du chirp

3 GHz

 Bruits techniques 50 µs  Phase du battement

100

2,5 MHz









Phase du battement (°)

90

-20

80

Amplitude (dBV)

Amplitude (mV)









60

30 dB 45

-40 20 kHz

0

40

-60

20 -45

~ 7° rms



-80

0 -90



14.8 12 15.2 14 15.6 16 16.0 18 16.4 20 16.8 90 100 110 120 130 140

Fréquence (MHz) Temps (µs)





Soutenance de thèse

Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 23

Effets sur l’algorithme de chirp

Gravure lecture

fréquence







25 µs 25 µs 50 µs

du laser





3 GHz





écho = TF



10 µs Temps

1,0



0,8

 Erreur de fréquence

Signal (V)









0,6 100 kHz pendant le chirp

0,4 << 100 kHz / 3 GHz

0,2



0,0



-20 -10 0 10 20 30

Temps (ns)

Soutenance de thèse

Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 24

Conclusions

Perspectives

Conclusion

 Traitement optique cohérent large bande

 Première démonstration

 1,5 GHz (largeur inhomogène de la transition)

 24 000 canaux spectraux

IEEE J. Quantum Electron. 40 (2004) 1450

 Fenêtre télécom Opt. Lett., soumis





 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









Soutenance de thèse

Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 26

Mais aussi…

 Sources lasers agiles et ultra-stables

 Architecture guidée

 Meilleure stabilité

 Meilleur sensibilité (55 MHz/V) IEEE Photon. Technol. Lett., accepté

 Asservissement de fréquence fixe

 Boucle de Pound – Drever – Hall

 Largeur de raie sub-kHz Opt. Commun. 241 (2004) 203





 Echos de photons en milieu amplificateur

 Première démonstration dans un cristal dopé aux ions de terre rare

 Meilleur rendement

 Capacité de cyclage Opt. Lett.. 30 (2005) 1288

 Application à l’analyse spectrale

 Dynamique de l’écho de photons (diffusion spectrale)





Soutenance de thèse

Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 27

Perspectives

 Plus de bande passante

 Cristal

 Gradient de champ magnétique

 Er:LiNbO3, Er:Eu:YSO Γinh ~ 10 GHz

 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



Soutenance de thèse

Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 28

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 !

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Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006 29