Montage expérimental

Grâce au montage expérimental représenté sur la gure 4.6, nous avons réalisé deux expériences : tout d'abord de la SPDC puis de la SDC (schématisées sur la gure 4.7), toutes les deux à proximité de la dégénérescence. Dans les deux expériences, la pompe

29. pour l'acronyme anglais de spontaneous parametric down conversion. 30. pour l'acronyme anglais de seeded down conversion.

Yb:YAG 1036 nm Ti:Saphir 694 nm Spectromètre IF CS polariseur M M PPLN Ge BST PD InGaAs x60 x60 guide d’onde miroir dichroïque CS Ge PD Ge polariseur TM λ/2 λ/2

Figure 4.6  Représentation schématique du montage expérimental de la mesure d'amplication paramétrique. IF : Isolateur de Faraday ; CS : cube séparateur ; λ/2 : lame demi-onde ; M : miroir ; BST : beam steerer ; and PD : photodétecteur.

est fournie par un laser YAG dopé ytterbium (Yb :YAG), monomode et continu, émet- tant à 1.03 µm. Son faisceau passe à travers un isolateur de Faraday, une première lame demi-onde, un polariseur TM et une seconde lame demi-onde.

 La première lame demi-onde et le polariseur TM permettent de régler la puissance du laser sans modier son courant de pompage. De cette façon le laser oscille de manière stable sur un seul mode longitudinal.

 La seconde lame demi-onde est indispensable pour l'expérience de SDC, dans laquelle nous avons besoin de varier la puissance de la pompe TM (seule la com- posante TM est utile dans le processus de conversion non-linéaire). En eet, en tournant cette lame nous faisons varier la puissance de la composante TM tout en maintenant la puissance totale constante. De cette façon, la puissance couplée dans le guide reste la même, on évite des variations néfastes de la température du guide. Les indices eectifs des modes interagissant ne changent pas et les condi-

4.2 Mesure d'amplication paramétrique 125

c

(2)

l

l

l

SPDC

c

(2)

l

l

l

SDC

l

Figure 4.7  Principe de fonctionnement de la SPDC et de la SDC : la SPDC repose sur l'émission spontanée d'une paire de photons signal et complémentaire alors qu'en SDC cette émission est aidée par l'injection d'un faisceau à la longueur d'onde du signal.

tions d'accord de phase ne sont pas modiées.

Dans l'expérience de SDC, le signal est obtenu en mélangeant, dans un cristal de niobate de lithium périodiquement retourné (PPLN31_{), une partie du faisceau émis}

par le laser Yb :YAG et un faisceau continu, de largeur spectrale 1.5 GHz, issu d'un laser Ti :Sapphire, émettant autour de 0.7 µm. À la sortie du PPLN, le signal de diérence de fréquence, polarisé TM, de longueur d'onde λs=2.06 µm, passe à travers

un ltre de Ge qui absorbe les faisceaux incidents. La polarisation du signal est ensuite tournée de 90au moyen d'un beam-steerer 32_{. Le signal et la pompe sont ensuite alignés}

de façon colinéaire, et couplés dans le (et hors du) guide d'ondes à l'aide d'un objectif de microscope de grandissement ×60 et d'ouverture numérique N.A. = 0.85. À la sortie du guide d'ondes :

1. La pompe TM est bloquée à l'aide d'un ltre de Ge qui la rééchit partiellement sur une photodiode Ge calibrée.

2. Le signal et le complémentaire, tout deux polarisés TE, sont envoyés dans un spectromètre. Celui-ci est soit utilisé pour faire des acquisitions de la SPDC, soit utilisé pour séparer les puissances du signal et du complémentaire dans les

31. Acronyme anglais de Periodically Poled Lithium Niobate.

32. Ce dispositif se compose de deux miroirs placés l'un au-dessus de l'autre de telle sorte que la direction du faisceau tourne de 90.

expériences de SDC.

4.2.2 Résultats

Tout d'abord nous avons caractérisé la SPDC dont la courbe expérimentale d'accord de phase est représentée sur la gure 4.8. En bon accord avec nos calculs, un léger changement de la longueur d'onde de pompe λp sur 24 nm permet d'obtenir un signal et

un complémentaire dans une bande de 1.4 µm, avec une dégénérescence à λp=1.035 µm.

Figure 4.8  Courbe expérimentale d'accord de phase.

Ensuite nous avons injecté la pompe dans le guide d'ondes avec les caractéristiques suivantes : une longueur d'onde réglée à λp=1.036 µm et une puissance externe de

Pp=100 mW. Le spectre de SPDC résultant, exposé sur la gure 4.9 en ligne pointillée,

a été acquis après avoir réglé la température de l'échantillon de façon à maximiser le gain paramétrique à la dégénérescence.

Finalement, la longueur d'onde du Ti :Sapphire et la température du PPLN ont été réglées de façon à produire un signal précurseur polarisé TE, de longueur d'onde λs=2.046 µm et de puissance externe Ps=500 µW. Ainsi le précurseur est bien dans la

bande de gain paramétrique, mais légèrement décalé par rapport à la dégénérescence pour nous permettre de résoudre spectralement le signal et le complémentaire en sortie

4.2 Mesure d'amplication paramétrique 127

Figure 4.9  Spectres expérimentaux de SPDC (ligne pointillée) et de SDC (ligne continue).

du guide d'ondes GaAs/AlOx.

En injectant le précurseur et la pompe dans le guide d'ondes nous avons obtenu le spectre reporté sur la gure 4.9 en ligne continue. Ce spectre montre le signal amplié et le complémentaire de façon très clair. Celui-ci, en accord avec la relation de conservation de l'énergie 1

λi = 1 λp −

1

λs, est émis à λi=2.099 µm. La largeur spectrale des deux pics

est dictée par la résolution du spectromètre. À l'accord de phase, le gain paramétrique est :

G ≡ Ps(L) Ps(0)

− 1 = sinh2_(gL)

avec L la longueur du guide et g le coecient de gain paramétrique. En régime de faible gain, gL < 1 et on peut approcher le gain paramétrique par G ' (gL)2_{. Alors,}

celui-ci augmente linéairement avec la puissance de pompe. Près de la dégénérescence (λs ≈ λi), nous pouvons faire les deux hypothèses suivantes : en raison d'un faible gain,

Ps(L) ≈ Ps(0), et Ps(L) = Ps(0) + Pc(L). On obtient alors une expression simpliée du

gain paramétrique :

G ' Pc(L) Ps(0)

Figure 4.10  Amplication paramétrique en fonction de la puissance de pompe couplée.

On peut ainsi évaluer g et G en mesurant le rapport complémentaire à signal en sortie du guide.

La gure 4.10 montre le rapport complémentaire à signal en fonction de la puissance Pp couplée dans le guide d'ondes. Comme prévu ce rapport est parfaitement ajusté par

une droite. Sa pente divisée par la longueur du guide donne le coecient de gain paramétrique normalisé :

g pPp

= 4.1 ± 0.1 cm−1W−1/2

Dans la mesure où la puissance du signal et du complémentaire a été acquise avec le même détecteur, le ratio Pc(L)/Ps(L)ne dépend que de la résolution de ce dernier ; les

incertitudes de calibration ne l'aecte pas. Ceci explique que les barres d'erreur verti- cales sont extrêmement petites et n'apparaissent pas sur la gure 4.10. En revanche, la puissance de pompe a été mesurée avec une incertitude de 3 % liée à la photodiode Ge.

L'amplication paramétrique maximale, obtenue pour Pp ≈30 mW, est G = 4.5 %,