3.7 Réalisation de la référence de fréquence
4.1.2 Faisceau repompeur
Le faisceau repompeur se trouve à 2976 MHz de la fréquence du laser maître, ce qui est bien trop élevé pour pouvoir être traité correctement par le circuit développé précédemment. Deux solutions ont été testées pour résoudre ce problème : la première consiste à ramener le signal électrique dans la bande passante de la carte à l'aide d'un étage supplémentaire de battement électronique ; la seconde utilise un modulateur électro-optique pour obtenir des bandes latérales à 2976 MHz.
Utilisation d'une source hyperfréquence La première méthode consiste simplement à intercaler, dans le montage de battement, un étage de battement électronique à 3 GHz après le battement optique. En eet, en mélangeant le signal issu de la photodiode rapide avec le signal électrique issu d'un oscillateur hyperfréquence, ont obtient un signal de battement électronique à la diérence des deux fréquences. Ainsi, le signal en entrée de carte est à la fréquence 3000−2976 = 24 MHz. On peut ainsi utiliser le même montage que précédemment.
Fig. 4.6 - Schéma du rack contenant les sources à 1560 nm et leur dispositif d'asservissement : le signal du laser maître sert de référence de fréquence. Il est divisé et mélangé à trois diodes esclaves. Les signaux de battement sont recueillis par des photodiodes rapides.
Les mesures ont montré que les caractéristiques de l'asservissement ne sont pas altérées par l'ajout de cet étage de battement intermédiaire. En eet, la largeur de raie de l'oscillateur est bien inférieure à celle du signal de la photodiode, et le signal en sortie de battement électronique est plus puissant que le signal en sortie de photodiode.
Les sources lasers à 1560 nm ainsi que leur dispositif d'asservissement par battement ont été installées dans un même rack. Le schéma de montage est reporté gure 4.6, et la réalisation est présentée sur la photo 4.7. Trois diodes lasers ont été installées. La première correspond à la diode de piégeage. La deuxième possède un dispositif de battement électronique utilisant
un synthétiseur accordable entre 2, 4 et 3, 4 GHz permettant de réaliser l'asservissement du faisceau repompeur. La troisième diode laser pourra éventuellement être utilisée pour les faisceaux Raman ou comme diode de saturation, comme nous le verrons ultérieurement.
A n de tester l'in uence de la polarisation sur la robustesse de l'asservissement, les trois montages de battement sont sensiblement diérents : le premier n'utilise que des composants PM pour le battement ; pour le second, le laser maître est séparé par un coupleur non PM, et mélangé à la diode esclave par un coupleur PM ; en n, le troisième utilise un faisceau du laser maître issu du coupleur non PM, et le mélange avec la diode esclave à l'aide d'un coupleur non PM.
Après plusieurs mois d'utilisation, on constate que des performances similaires ont été obtenues dans les diérentes con gurations, c'est-à-dire que l'asservissement fonctionne en continu pendant plus d'une semaine, mais environ 2 à 3 fois par mois, il se déverrouille. Ce dysfonctionnement n'a pas été résolu à l'heure actuelle, mais ne semble pas dépendre du caractère PM du système de battement.
Fig. 4.7 - Photo du rack contenant les sources à 1560 nm et leur système de battement.
Modulateur Electro-Optique Une deuxième technique permet d'économiser une diode laser. Elle consiste à placer un modulateur électro-optique de type Mach-Zehnder avant l'étage de doublage et à le moduler à ≈ 3 GHz. Le principe d'un tel élément est représenté sur la gure 4.8 : il s'agit d'un interféromètre optique de type Mach-Zehnder où le matériau utilisé possède un fort coe cient électro-optique, c'est-à-dire que l'indice de réfraction est
modulé en fonction de la tension appliquée à ses bornes. Le matériau le plus couramment utilisé est le Niobate de Lithium [185]. Toutefois, de récentes études montrent que le Silicium, après certains traitements, peut également réaliser cette fonction [186]. En appliquant des tensions opposées aux bornes des deux bras, on peut donc contrôler la transmission de l'interféromètre.
Fig. 4.8 - Schéma de fonctionnement d'un modulateur électro-optique de type Mach-Zehnder.
De plus, il est possible de moduler ce composant jusqu'à 18 GHz. La modulation de la transmission à la fréquence fRF fait alors apparaître des bandes latérales autour de la fréquence centrale f0. Pour de faibles amplitudes de modulation, seules les fréquences f0 ± fRF apparaîtront. En augmentant l'amplitude progressivement, des harmoniques d'ordre supérieur (f0 ± 2fRF, f0± 3fRF...) sont observées. Ceci peut s'écrire de la façon suivante : la transmission en intensité T de l'interféromètre dépend sinusoïdalement de la tension V appliquée aux bornes du composant :
T (V ) = 1 2 1 + cosπ.V Vπ (4.1) où Vπ est la tension correspondant à une demi-période et qui vaut environ 6 V pour nos composants. Si l'on suppose que l'amplitude est équitablement répartie dans les deux bras de l'interféromètre, on peut, par identi cation, remonter à la transmission en amplitude. Ainsi, pour une onde incidente de pulsation ω0, le signal de sortie s'écrit :
s(t, V ) = cosπ.V
2Vπ. cos ω0.t (4.2) En modulant la tension autour d'une valeur continue V0, la consigne peut s'écrire :
V (t) = V0+ Vm. cos (ωm.t) (4.3) Ainsi, en utilisant les trois équations précédentes, on peut écrire l'expression exacte de l'onde lumineuse en sortie de modulateur :
s(t) = cos π 2Vπ(V0+ Vm. cos ωm.t) sin ω0.t (4.4)
En développant les fonctions trigonométriques, on obtient des expressions de la forme sin (cos (ωm.t)) ou cos (cos (ωm.t)). Ces expressions peuvent être développées en somme de fonctions de Bessel grâce à l'expression de Jacobi-Anger (voir annexe A.4). Des termes oscil-lant à ω0± ωm, ω0± 2ωm et à des ordres plus élevés apparaissent alors. Le tableau 4.2 donne l'intensité des termes oscillant aux diérentes pulsations.
Harmonique Pulsation Expression Pair : 2p ω0± 2p.ωm 1 2 1 + cos π.V0 Vπ .J2p2 π.Vm 2Vπ Impair : 2p + 1 ω0± (2p + 1).ωm 1 2 1 − cos π.V0 Vπ .J2p+12 π.Vm 2Vπ
Tableau 4.2 - Génération de bandes latérales par modulation d'amplitude.
Plusieurs éléments sont à remarquer dans ces expressions. Tout d'abord, le spectre des harmoniques obtenues est parfaitement symétrique autour de la fréquence de l'onde inci-dente5. Il ne sera donc pas possible d'obtenir simplement une bande latérale unique en sortie de modulateur. De plus, on constate que l'évolution en fonction de la tension de biais V0 se fait en quadrature de phase entre harmoniques paires et impaires. Ainsi, il sera par exemple possible de ne travailler qu'avec des harmoniques paires en se plaçant à l'extinction, c'est-à-dire pour V = Vπ. En n, l'ordre de l'harmonique correspond au degré de la fonction de Bessel. Comme le montre la gure A.3, cette dernière croît de plus en plus lentement avec le degré. Ainsi, plus les harmoniques seront d'ordre élevé, moins elles seront intenses.
La gure 4.9 représente la puissance en sortie de modulateur de l'onde incidente et des premiers ordres de modulation, en fonction de la tension de biais V0 appliquée aux électrodes. La mesure est réalisée à l'aide d'un spectromètre de 10 pm de résolution.
En ce qui concerne l'onde porteuse, le comportement sinusoïdal de la transmission est bien observé. Le faible taux d'extinction observé sur la gure (100 : 1)6 vient du fait que la modulation réduit le contraste de la modulation d'amplitude de la porteuse, comme le montre l'expression des harmoniques paires dans le tableau 4.2. Lorsque la modulation est éteinte, le taux d'extinction est alors de 29, 9 dB. Il est donc a priori possible d'utiliser le modulateur comme interrupteur rapide et comme contrôleur d'intensité. Malheureusement, sur des temps d'environ une heure, une dérive de la valeur de la fonction de transmission de l'ordre de 0, 5 V a été observée. Elle ne semble pas provenir de uctuations de la tension 5Si la répartition dans les bras de l'interféromètre n'est pas parfaitement équilibrée, une modulation résiduelle de la phase peut appraître en sortie d'interféromètre. Cette dernière peut être à l'origine d'une dissymétrie des bandes latérales.
Fig. 4.9 - Puissance des diérentes ondes à 1560 nm en sortie du modulateur électro-optique en fonction de la tension de biais V0, en présence d'une modulation.
d'entrée, et n'a pas pu être diminuée par un contrôle thermique du composant. Korotky a montré que cette dérive peut être attribuée à l'accumulation de charges entre matériaux lors d'un changement brutal de la tension appliquée aux bornes [185, 187]. Les charges ainsi accumulées ne sont dissipées que très lentement, entraînant une dérive de la tension vue par le matériau, donc de la phase en sortie d'interféromètre.
Le premier ordre de modulation est bien en quadrature de phase par rapport à l'onde porteuse, et les termes ω0 + ωm et ω0 − ωm sont bien superposés, ce qui est conforme aux prédictions. Les ordres supérieurs ont di cilement pu être observés, car nous sommes en limite de sensibilité du spectromètre.
En dé nitive, le modulateur électro-optique permet de contrôler l'intensité de l'onde incidente, et permet de synthétiser et de contrôler la fréquence du repompeur à l'aide de la modulation hyperfréquence. En revanche, il ne semble pas pouvoir être utilisé comme interrupteur optique de l'onde porteuse à cause des instabilités à long terme, et il ne peut fournir une bande latérale unique. Il est intéressant de voir si la présence de bandes latérales multiples va aecter les performances du piégeage magnéto-optique. Si aucune dégradation de performances n'est observée, cette solution sera préférée pour sa simplicité de mise en ÷uvre.
Dans cette partie, nous avons réalisé le contrôle des fréquences lasers à 1560 nm qui donneront, après passage dans le cristal, les faisceaux piégeur et repompeur. Toutes les techniques déployées sont entièrement brées.
Deux méthodes ont été proposées pour obtenir le faisceau donnant la fréquence du re-pompeur. Pour asservir le faisceau de piégeage, une carte d'asservissement a été réalisée et validée, et nous avons montré que le dispositif de battement fonctionne avec des composants ne maintenant pas la polarisation, pour peu que la puissance en sortie des lasers soit suf- sante. Pour le faisceau repompeur deux méthodes ont été testées, la première exploitant la carte précédemment réalisée, et la seconde n'utilisant qu'un modulateur électro-optique bré.