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Lasers à corps solide pour peigne de fréquence à faible bruit

Chercheurs clés:

Les peignes de fréquence optique produits par des lasers à impulsions ultra-courtes à verrouillage de modes ont révolutionné de nombreux domaines de recherches en métrologie temps-fréquence et optique durant la dernière décennie, car ils permettent de réaliser un lien direct et cohérent entre fréquences optiques et micro-ondes.

Un domaine de recherche majeur du Laboratoire Temps-Fréquence concerne la caractérisation, l’optimisation et la stabilisation de nouvelles technologies de peignes optiques. Les lasers à corps solide pompés par diode laser constituent une telle technologie. Ils combinent de nombreux avantages des deux types de peignes de fréquence les plus couramment utilisés de nos jours, c’est-à-dire basés sur des lasers Ti:Sa et des lasers à fibre. Comme pour les lasers Ti:Sa, le facteur de qualité élevé du résonateur des lasers à corps solide mène à un faible bruit quantique. De plus, ces lasers ont l’avantage d’être pompés par diode laser, comme les lasers à fibre, ce qui offre un moyen simple pour le contrôle et la stabilisation de la fréquence d’offset fCEO par l’intermédiaire du courant de la diode de pompe.

En collaboration avec le groupe du Prof. Ursula Keller à l’ETH Zürich, nous avons développé, optimisé et entièrement stabilisé le premier peigne de fréquence généré par un laser à corps solide dans la plage spectrale de 1.55 µm. Ce laser à verre co-dopé à l’erbium et à l’ytterbium (Er:Yb:glass, abrégé par ERGO) est schématisé sur la Figure 1. Il a un taux de répétition de 75 MHz et a démontré la plus faible largeur de raie (< 4 kHz) pour le battement d’offset fCEO d’un peigne de fréquence à 1.5 µm en fonctionnement libre. Ceci a permis d’obtenir une stabilisation de la phase du battement d’offset fCEO par modulation du courant de la diode de pompe avec une bande passante de 5.5 kHz seulement. Avec une bande passante si modeste, un bruit de phase intégré résiduel de 720 mrad a été démontré, ce qui a mené à une amélioration d’un facteur 20 de la stabilité relative de fréquence du battement d’offset fCEO (à 20 MHz) en comparaison d’un peigne à fibre Er commercial stabilisé avec une électronique similaire (Figure 1, droite).


Figure 1:Gauche: Représentation schématique du laser ERGO. Droite: Déviation d’Allan de la fréquence d’offset fCEO pour le peigne ERGO et pour un peigne commercial à fibre Er pour comparaison

 

Les mécanismes physiques permettant d’obtenir un peigne auto-référencé, c’est-à-dire avec une stabilisation de la fréquence d’offset fCEO , ont été étudiés dans le peigne ERGO. Nous avons montré pour la première fois qu’un signal de battement fCEO avec un rapport signal-sur-bruit élevé et un faible bruit de fréquence ne sont pas des indicateurs suffisants pour permettre la stabilisation de la fréquence d’offset fCEO . La dynamique de la fréquence d’offset, c’est-à-dire la manière dont fCEO varie en amplitude et phase avec le courant de pompe, joue également un rôle primordial.

Dans le peigne ERGO, la présence d’un point d’inversion dans la dépendance de fCEO en fonction du courant de pompe (voir la Figure 2, gauche) a mené à l’impossibilité de stabiliser fCEO pour des courants de pompe situés d’un côté du courant d’inversion, alors que la stabilisation est immédiate de l’autre côté du point d’inversion malgré un rapport signal-sur-bruit inférieur du battement fCEO . Nous avons montré que la différence importante observée dans la réponse dynamique de fCEO lors d’une modulation du courant de pompe était responsable de l’impossibilité de stabiliser fCEO dans certaines conditions de fonctionnement du laser.

En effet, la fonction de transfert de fCEO pour une modulation du courant de pompe présente un comportement de filtre passe-bas sans déphasage significatif jusqu’à une fréquence de ~1 kHz aux courants de pompe pour lesquels la stabilisation est aisée, alors qu’un déphasage important est observé à basse fréquence déjà dans la réponse dynamique de fCEO aux courants de pompe situés de l’autre côté du point d’inversion. Ce résultat n’est pas seulement important pour le cas du laser ERGO considéré ici, mais il peut aussi avoir un impact important pour la stabilisation future de nouvelles technologies de peignes de fréquence optiques.
 

Figure 2:Gauche: Variation statique de la fréquence d’offset fCEO en fonction du courant de pompe, montrant la présence d’un point d’inversion. Droite: amplitude (haut) et phase (bas) de la réponse dynamique de fCEO pour une modulation du courant de la pompe mesurée à différents courants de pompe Ip = Ilow en-dessous du point d’inversion (courbes vertes), Ip = Ihigh au-dessus du point d’inversion (courbes rouges) et Ip = Ireversal au point d’inversion (courbes oranges).

Principales publications :

  1. S. Schilt, N. Bucalovic, V. Dolgovskiy, C. Schori, M. C. Stumpf, G. Di Domenico, S. Pekarek, A. E. H. Oehler, T. Südmeyer, U. Keller, P. Thomann, Fully stabilized optical frequency comb with sub-radian CEO phase noise from a SESAM modelocked 1.5-μm solid-state laser, Opt. Express 19(24), 24171-24181 (2011)
  2. S. Schilt, V. Dolgovskiy, N. Bucalovic, C. Schori, M. C. Stumpf, G. Di Domenico, S. Pekarek, A. E. H. Oehler, T. Südmeyer, U. Keller, P. Thomann, Noise properties of an optical frequency comb from a SESAM-modelocked 1.5 µm solid-state laser stabilized to the 10-13 level, Appl. Phys. B 109 (3), 391-402 (2012)
  3. V. Dolgovskiy, N. Bucalovic, P. Thomann, C. Schori, G. Di Domenico, S. Schilt, Cross-influence between the two servo-loops of a fully-stabilized Er:fiber optical frequency comb, J. Opt. Soc. America B, 29 (10), 2944-2957 (2012)
  4. N. Bucalovic, V. Dolgovskiy, M.C. Stumpf, C. Schori, G. Di Domenico, U. Keller, S. Schilt, T. Südmeyer, Effect of the Carrier-Envelope-Offset Dynamics on the Stabilization of a Diode-Pumped Solid-State Frequency Comb, Opt. Letters 37 (21), 4428-4430 (2012)