2 Production d’états comprimés du rayonnement à l’aide de diodes laser 99
2.2 Dispositif à diode laser
2.2.3 Diode sur réseau
Le
montage
d’une diode laser sur réseau faitpartie
destechniques classiques
de réductionde
largeur
de raie parimplantation
du laser en cavité étendue[11].
La diode et le réseausont montés en
configuration
deLittrow,
c’est à dire que l’ordre 1 du réseau estrenvoyé
sur la
diode,
et l’ordre 0 constitue le faisceau de sortie. La cavité est donc formée parla face arrière de la diode et par le réseau
(fig.2-30). Or,
les diodes que nous utilisonsont d’un traitement
optique qui
réduit le coefficient de réflexion de la face avant à 4%
(cf. 2.2.1)
de manière à assurer un fonctionnementoptimum
à la diode libre. La cavitéformée par la diode elle-même conserve une influence sur le
comportement
du laser surréseau. Le
montage
sur réseau de cetype
de diode ne constitue doncqu’une
réalisationapprochée
du schéma de la diode laser en cavitéétendue, puisque
ce schéma consisterait àcoupler
à une cavitépassive
une diodeayant
subi un traitement antireflet presqueparfait.
Lecouplage
que nous avons réalisépermet cependant
d’abaisser le seuil de ladiode et de réduire considérablement la
largeur
de raie. Le réseau de diffraction monté enconfiguration
de Littrowremplit
cettefonction;
deplus
ilpermet
debalayer
lalongueur
d’onde de la diode.
La
largeur
de raiepeut
se réduire dans les mêmesproportions
que la cavité s’étend[26]. Ainsi,
il estpossible,
au moyen d’une cavité dequelques
centimètres de réduire lalargeur
de raie d’une diode commerciale de 40 MHz à moins de 10 kHz .Cependant,
quelque
soit lerapport
deslongueurs
entre la cavité initiale et la cavitéétendue,
on nepeut guère
descendre bien au-dessous d’unelargeur
de raie de 10 kHz. L’utilisation du réseaupermet
en outre debalayer
unlarge
domaine delongueurs
d’onde avec des sauts d’un mode àl’autre,
maiségalement
debalayer
continûment lafréquence
de la diode surplusieurs
GHz[44].
Parailleurs,
la sensibilité des diodes sur réseau au retour de lumière diminueconsidérablement,
cequi
stabiliseremarquablement
les diodes.Figure~2-30: Montage
de la diode surréseau;
variante avec miroir de renvoi solidaire dusupport
de réseau.A.
Manipulation
de la diode sur réseauLes
montages
que nous avonsemployés
ont été initialement mis aupoint
au LaboratoirePrimaire du
Temps
et desFréquences (LPTF).
Les élémentspratiques
nécessaires à la réalisation d’une diode laser montée sur réseau sont décrits defaçon
très détaillée dans lalittérature,
notamment par MacAdam et al.[40].
Lestechniques présentées
dans cette référence sont trèsproches
de celles que nous avons retenues.Nous avons amélioré le
montage
initial enadaptant
un miroir derenvoi,
solidaire dusupport
deréseau, qui
évite de modifier la direction du faisceaulorsque
l’on tourne leréseau
(cf. fig. 2-30).
Cedispositif permet
ainsi de conserver laqualité
del’alignement
du faisceau même sur delongs
parcoursoptiques
tout en faisant varier lalongueur
d’ondede la diode
grâce
au réseau.A.1 Stabilité
mécanique
Unpoint
essentiel de la mise sur réseau réside dans laprécis
et stable. Nous avonsdéjà
décrit ledispositif
de collimation de la diode(cf. 2.2.1.C).
L’ensemble de ce
dispositif
estcontenu,
avec leréseau,
dans une boite en duralumin dontla
température
estrégulée
autour de30°C8,
parchauffage uniquement,
et donclégèrement
au dessus de la
température
ambiante. Lessupports
de ladiode,
du collimateur et du réseau sont vissés sur le même socle. Le réseau est collé sur une calepiézo-électrique,
elle même collée au sein d’un tambour en laiton et duralumin monté sur un
support
de miroir à butées différentielles.Il
importe
d’isoler la diode leplus possible
desperturbations
extérieures :vibrations,
changement
detempérature,
ou même courants d’air. Ledispositif
que nous avonsutilisé,
indépendamment
de laqualité
duréglage
duréseau,
procure une stabilitésatisfaisante,
en
général
très suffisante pour lesexpériences
que nous avonsmenées,
c’est à dire del’ordre de une à
plusieurs
heures sans saut de mode.Lorsqu’un point
de fonctionnement trèsprécis
estrecherché,
parexemple l’absorption
d’une raie duCésium,
les conditionsopératoires permettent,
une fois lepoint
trouvé et leréglage optimisé,
une bonne repro-ductibilité ducomportement
de ladiode,
de sortequ’il
estpossible,
sans retoucher auréseau,
de retrouver cepoint
de fonctionnementplusieurs jours durant,
voireplusieurs
semaines,
même enéteignant
la diode d’unjour
à l’autre.Cependant, épisodiquement,
la diodepeut
connaître despériodes
d’instabilité dues à desperturbations
extérieuresqu’il
est difficile d’identifier ou decorriger, qui
se traduisent par des sauts de mode trèsfréquents.
Enoutre,
pour des courants d’alimentation élevés(au
delà d’une centaine demA),
il estplus
délicat de trouver unpoint
de fonctionnement stable de la diode. De telsrégimes
altèrent lecomportement
des diodes et conduisent àune détérioriation
prématurée.
Hormis ces situations
particulieres,
lemontage
sur réseau constitue donc un moyen très efficace pour contrôler le fonctionnement des diodes laser et les stabiliser sur despériodes
relativementlongues.
8
Alors que la diode elle-même est en
général régulée
à une températurelégèrement
inférieure(10
àA.2
Réglage
du seuil Leréglage
du seuil constitue uneétape
essentielle duréglage
d’un laser sur réseau. L’effet de la cavité étendue est de réduire le courant de seuil et de
changer
la forme de la courbecaractéristique courant-puissance
au niveau du seuil. Aussi la cavité est elle correctementalignée lorsque
le courant de seuil est leplus
faiblepossible
etlorsque
la courbecaractéristique courant-puissance
montre unerupture
depente
bien nette au niveau du seuil. Lafaçon
laplus pratique
de controler ces deuxpoints
consiste à moduler le courant de la diode àquelques
centaines de Hz et d’observer àl’oscilloscope
la variation de lapuissance
lumineuse que mesure laphotodiode
interne en fonction de la tensionenvoyée
pour moduler. On obtient ainsi unextrait,
surquelques
mA,
de la courbecaractéristique courant-puissance. Lorsque
la cavité n’est pas, oumal,
couplée
avec ladiode,
la courbe observée neprésente
pas derupture
depente. Lorsque
lecouplage
esteffectif,
la courbe se compose de deuxsegments
dont l’intersectioncorrespond
précisément
au courant de seuil.Lorsque
le seuil est convenablementréglé,
le réseau estgénéralement
trèsproche
deson
réglage
définitif. Il suffit en effet de le retoucher trèslégèrement,
une fois le courantd’alimentation
fixé,
pour minimiser le bruit d’intensité ou pour stabiliser le fonctionne-ment de la diode. Enrevanche,
si l’on recherche unelongueur
d’ondeprécise (par exemple
l’une des raies du
Césium),
il fautgénéralement
passerplus
detemps
afin tout d’abord detrouver la
fréquence
derésonance,
et ensuite de stabiliser le fonctionnement de la diode autour de celle-ci.Le réseau
possède
troisdegrés
de liberté:- un
degré
de translation horizontale assuré par la calepiézo-électrique
- un
degré
de rotation selon l’axe horizontal dans leplan
du réseau: c’est luiqui
déter-mine la
qualité
du retour du faisceau vers le milieuamplificateur,
et donc l’efficacité de larétroaction. Il
s’agit
d’unréglage
trèsfin,
assuré par une des deux butéesmicrométriques
du
support
de réseau.- un
degré
de rotation selon l’axe vertical dans leplan
du réseau : c’est leréglage
dela
longueur
d’onde dont l’ordre 1 estrenvoyé
dans le milieuamplificateur.
Ceréglage
est assuré par l’autre butéemicrométrique
dusupport
de réseau.A ces trois
degrés,
il fautjoindre
la rotation selon l’axeperpendiculaire
auplan
du réseau. Cette rotation détermine la verticalité des traits du réseau. Si ceux-ci ne sont pasparfaitement verticaux,
l’ordre 1 n’est pas diffractéhorizontalement;
il faut alors inclinerle réseau afin que l’ordre 1
puisse rejoindre
le milieuamplificateur,
de sortequ’à
son tour l’ordre 0 ne se propageplus horizontalement,
et le faisceauqui
sort du boîtier de la dioden’est
plus adapté
à la hauteur des élémentsd’optique disposés
sur son passage. On évitejustement
cesproblèmes
enagissant
sur la rotation du réseau.Pour
coupler
la cavité à ladiode,
il faut superposer le faisceau issu de la diode et lefaisceau diffracté par le réseau. Selon la direction
verticale,
cettesuperposition
est très délicate etexige
unréglage
fin de l’orientation du réseau. Enrevanche,
selonl’horizontale,
une certaine latitude est laissée à l’orientation du réseau dans la mesure où celle-ci
permet
de renvoyer vers la diode une
longueur
d’ondecompatible
avec la courbe degain
de cette dernière. Il estutile,
maisdélicat,
decompléter
cesréglages
en tournant le réseau surlui-même,
afin deconjuguer
une verticalité satisfaisante des traits du réseau à uncouplage
effectif de la diode.
Soulignons
néanmoins que lesdispositifs
utilisés sont assezéloignés
de la définition du modèle idéal de la cavitéétendue,
et que la cavité étendue n’efface pas la cavitéoriginale,
qui
continue à fixer la distance entre modeslongitudinaux.
Nous avons doncplutôt
affaire àdeux,
voire trois cavitéscouplées
entre elles.Nous avons
également disposé
un réseau devant une diode encryostat.
Leprocédé
de
réglage
est un peuplus
délicat: d’unepart,
laphotodiode
interne ne fonctionne pasconvenablement
aux bassestempératures,
d’autrepart,
le réseau étanttrop près
du boîtier de ladiode,
il estimpossible
d’observer directement lasuperposition
des faisceauxincident et diffracté par le réseau. Il faut pour ceci
observer,
à l’extérieur de lacavité,
les tachescorrespondant
aux réflexions successives à l’intérieur de la cavité.cavité de
plusieurs
mA. Parexemple,
nous avons obtenu pour une diode à 850 nm les résultats suivants:Tableau 1
Le réseau affecte donc la
réponse
enpuissance
de la diode au courantqu’on
lui envoie en réduisant leseuil,
maiségalement
l’efficacitéquantique
différentielle. Cecipermet,
depréciser
les ordres degrandeur
relatifs à l’action duréseau, qui
sont assez mal connus. Les données du constructeurindiquent
un flux diffracté de l’ordre de30%.
Nos propres mesures laissent penser que seulement24%
de la lumièreenvoyée
sur le réseau estdif-fractée sur l’ordre 1. Ceci constitue donc une
augmentation
considérable du coefficient de réflexion de lacavité,
ce dernier valant seulement4%
sur la face de sortie de la diode libre.Toutefois,
lespertes
introduites par le réseau et cellesdéjà
existantes dans ledispositif
à diode libre limitent l’effet de
l’augmentation
du coefficient deréflexion,
de sorte que leseuil n’est réduit que de
30%.
La réflexion du réseau(ordre 0)
est de50%
à60%.
Lespertes
dues à l’ensemble dudipositif
à réseau seraient de l’ordre de30%,
dont la moitié environ seraitdue, d’après
les mesures faites sur leréseau,
au réseaului-même,
et le resteaux
pertes
sur letrajet
de retour vers la diode.A.3 Accordabilité en
fréquence
Avec les diodes que nous avonsutilisées,
nouspou-vons
balayer
un domaine deplus
de dix nanomètres depart
et d’autre de lafréquence
du laser libre. La rotation du réseaumodifie
lalongueur
d’onde du laser par sauts de modesuccessifs,
de1,2 Å
environ. Parailleurs,
laphotodiode
interne délivreparfois lorsque
la diode est surréseau,
unsignal
extrêmementbruyant, qui indique
que la rétroaction désta-bilise le laser et provoque unimportant
excès de bruit. De telsdécrochages
sedistinguent
au
réseau),
en cequ’ils peuvent
ramener la diode sur un tout autre domaine delongueur
d’onde que celui
qui
était parcouru. Lafréquence
de ces sautsaugmente lorsque
l’on serapproche
des extrémités du domainespectral susceptible
d’être couvert par le réseau. En outre, le courant de seuilaugmente lorsque
l’onéloigne
lalongueur
d’onde du lasersur réseau de celle du laser libre.
Le réseau
permet également
de modifier lalongueur
d’onde de manière continue en se translatantgrâce
à la calepiézo-électrique
surlaquelle
il est collé. On ne modifie ainsi que lalongueur
de lacavité,
et non lalongueur
d’onderenvoyée
vers la diode par le réseau. Nous pouvons de la sortebalayer
sans saut de mode une dizaine deGHz,
cequi
couvrepar
exemple
toute une raied’absorption
du Césiumélargie
par effetDoppler.
En
revanche,
lesprocédures d’ajustement
par le courant et latempérature
de lalongueur
d’onde d’une diode sur réseau sont très différentes de celles d’une diode libre.La variation de la
fréquence
avec le courant ou latempérature
est en effet bienplus
faible pour une diode sur réseau que pour une diode libre. Parexemple
élever latempérature
de la diode d’une
quinzaine
dedegrés
°C sans toucher le réseau nepermet
pas de ga-gnerplus
dequelques
dizièmes de nanomètres. Enrevanche,
celadéplace
vers deplus
hautes
longueurs
d’onde lepoint
de fonctionnement de la diodelibre,
et donc laplage
de
fréquence
surlaquelle
le réseauparvient
à la stabiliser. Combiner ainsi l’action dela
température,
du courant et du réseau amélioresignificativement
l’accordabililté des diodes laser: alors que laplage
debalayage
est de 18 à 20 nm avec le réseauseul,
elle passe à 25 nmgrâce
une excursion entempérature
de ±15°(compatible
avec larégulation
interne de la diode par effet
Peltier).
- Le
montage
de la diode sur réseaupermet donc,
en associant auxcapacités
d’ajuste-ment de la
longueur
d’ondedéjà disponibles
sur les diodeslibres,
uneexploration
discon-tinue
(par
rotation duréseau)
et unbalayage
continu(par
translation duréseau),
de couvrir un domaine delongueur
d’ondeimportant
avec unegrande souplesse.
B. Bruit de la diode sur réseau
Le
montage
sur réseau est lepremier dispositif grâce auquel
nous avons pu observer unecompresssion
du bruit d’intensité des diodes laser. Alors que les diodes libres avaient au mieux montré desrégimes
de faible bruit caractérisés par des excès de bruit de l’ordre de 2 dB au dessus du bruitquantique standard,
nous montrerons que, montées surréseau,
une
partie
des diodes que nous avons utilisés ontprésenté
des résultats trèsproches
deceux que laissait
espérer
le modèlethéorique présenté
auchapitre
I.B.1 Performances des diodes et
comportement
modal Lesperformances
desdiodes SDL des séries 5410 et 5420
témoignent
d’unedépendance
encoreinexpliquée
en fonction de la
longueur
d’onde nominale ducomposant
étudié. Ainsi la meilleurecompression
de bruit d’intensité a été obtenue pour des diodes à 852nm9;
celles à 848 ont montré desperformances légèrement
en retrait. Vers 828 nm, il n’a pas étépossible
de descendre sous le bruit
quantique standard; enfin,
vers 805 à 810 nm, lacompression
du bruit d’intensité était
médiocre,
de moitiéplus
faible que celle obtenue avec les diodes à 852 nm. Les meilleurs résultats obtenus sont résumés dans le tableau suivant :Tableau 2
Les résultats obtenus en
régime cryogénique
sont donclégèrement
moins bons que ceuxobtenus à l’ambiante. La
pertinence
de lacomparaison
est certes limitée par le fait que ces résultats neproviennent
pas de la même diode. Pour les meilleures mesures réalisées àtempérature ambiante,
lalongueur
d’ondenominale10
ducomposant
retenu était 852 nm, alorsqu’elle
n’était que de 848 nm pour lecomposant ayant
montré le meilleur9
longueur
d’onde mesurée sur la diode libre, à 25°, et pour un courantspécifié
par le fabricant(de
l’ordre de 150
mA)
10
longueur
d’onde mesurée sur la diode libre, à 25°, et pour un courantspécifié
par le fabricant(de
Figure~2-31:
Puissance des modes latéraux d’une diode sur réseau àtempérature
am-biantecomportement
enrégime cryogénique. (Lors
desexpériences
decryogénie,
aucune diode delongueur
d’onde nominale 852 nm n’étaitdisponible.) Or,
on sait que lesperformances
observées
peuvent
varier d’une diode à l’autre et afortiori,
d’uncomposant
à l’autre.L’analyse
ducomportement
modal des diodes fournit un élément decomparaison plus
pertinent.
Eneffet,
lecomportement
modal des diodes sur réseau est très différent de celui des diodes libres. Le réseau atténue considérablement les modes latéraux. Atempérature
ambiante,
lespremiers qu’il
estpossible
dedistinguer
sont inférieurs auprincipal
deplus
de 50 dB et les suivants tombentrapidement
àplus
de 60 dB d’atténuation. Lelaser sur réseau
apparait
donc comme une excellente réalisationexpérimentale
d’un laser monomode à bruit d’intensitécomprimé
sous le bruitquantique
standard.Or,
enrégime cryogénique,
le réseau connaît d’évidentes difficultés poursupprimer
les modes latéraux. Sur certaines
diodes,
le meilleurcompromis
obtenu consiste en uncomportement bimode,
le second mode étant environ six foisplus
faible que lepremier.
libres
refroidies,
fortement multimodes dans laplupart
des cas(cf.2.2.2.B.3). Aussi,
parcequ’un comportement monomode,
avec une atténuation des modes latéraux d’au moins 30dB, apparait
sur cetype
de diode comme unpréalable
nécessaire à lacompression
du bruit
d’intensité,
il estbeaucoup plus
délicat d’obtenir cettecompression
enrégime
cryogénique.
Nous avons néanmoins pu obtenirjusqu’à 16%
decompression
dans de telles conditions avec unréglage
du réseau trèscritique.
Ces résultats n’ont en outre étépossibles
que sur certainesplages
de courant très étroites et pour des courants assezfaibles,
car un fort courant d’alimentationmultiplie
les modes oscillants et accroît le bruitde la diode dans des
proportions
énormes. Deplus,
alorsqu’à température
ambiante l’effetdu réseau est défini de
façon
relativementprécise
etreproductible (cf. supra),
cet effet est nettementplus
faible etplus
variable enrégime cryogénique, puisque
l’atténuationpar
rapport
auprincipal
mesurée sur lespremiers
modes observables varie entre entre 45et 30 dB. L’écart entre
modes,
de1,05 Å,
estlégèrement plus
faiblequ’à
l’ambiante.Il est
important
de comparer lacompression
du bruit d’intensitéobtenue,
avec l’effi-cacitéquantique
totale dudispositif [55],
c’est à dire lerapport
de conversion du courant d’alimentation de la diode en courant débité par lesphotodiodes. Ce rapport
donne la va-leur maximale de lacompression
que l’onpeut espérer
obtenir enappliquant
leprincipe
de la pomperégulière.
Eneffet,
ensupposant
le bruit du courant d’alimentationnégligeable
devant le bruit
quantique
standardcorrespondant
à un flux d’électronsidentique,
on saitqu’une
conversionimparfaite
des électrons enphotons
ramène le bruit du flux dephotons
vers le bruit
quantique
standardcorrespondant,
enproportion
despertes
subies. Une foisla lumière sortie de la
cavité,
lespertes optiques
ramènent le bruit du faisceau vers le bruitquantique
standard selon le mécanisme bien connu. C’est donc l’efficacité de conversion del’ensemble
de la chaînequ’il
fautprendre
encompte
pour estimer les facteurs limi-tant lacompression
effectivement mesurée. Nousconstatons, d’après
lecomportement
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Réduction du bruit dans les lasers : application aux lasers à semi-conducteur et aux minilasers solides
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