Stabilit´ e du syst` eme ` a long terme

Avant de clore le pr´esent chapitre, il nous a sembl´e int´eressant de proposer au lecteur une br`eve discussion au sujet de la stabilit´e de fonctionnement du dispositif d’asservissement `a long terme, en abordant notamment la question de la stabilit´e du battement h´et´erodyne ainsi que celle de la position de quadrature du modulateur ´electro- optique utilis´e dans le syst`eme. Ces deux points peuvent en effet ˆetre importants, si l’on projette d’impl´ementer le dispositif d’asservissement dans un syst`eme industriel et `

a fortiori si ce dernier est amen´e `a ˆetre scell´e (c-`a-d, fonctionnement sans intervention humaine).

Stabilit´e de la fr´equence du battement h´et´erodyne

La fr´equence du signal de battement h´et´erodyne peut, sous l’effet de la gigue de fr´equence relative entre le laser sous test et l’oscillateur local, quitter la bande passante de la chaine de photo-d´etection du syst`eme. Dans ce cas, plus aucune bande lat´erale n’est g´en´er´ee. Afin d’´eviter que cela n’arrive, il faut faire en sorte que les lasers utilis´es aient des bruits de fr´equence techniques relativement faibles. On peut ´egalement ´elargir la bande passante de la chaine de photo-d´etection. Il est ´egalement possible d’opter pour un

contrˆole actif de ce param`etre, en ayant par exemple recours `a une boucle `a verrouillage de phase.

Stabilit´e du fonctionnement en quadrature du modulateur

Le modulateur ´electro-optique peut d´evier de sa position de quadrature, dans le temps. Ceci a pour cons´equence d’affaiblir la puissance optique des bandes lat´erales g´en´er´ees, dont celle d’int´erˆet (la bande lat´erale affin´ee), voire leur disparition. Parmi les causes probables, on cite les variations thermiques au sein du composant, qui peuvent engendrer des variations de l’indice de r´efraction le long de ses deux bras. Pour conserver un fonctionnement en quadrature dans ce cas, on peut envisager de r´eguler la temp´erature dans l’enceinte du modulateur en y int´egrant une thermistance et un module Peltier. Certains modulateurs disposent d’un module de r´egulation int´egr´e. Une autre cause probable peut ˆetre la d´erive de la source de tension qui sert `a polariser le modulateur `a V_bias= Vπ/2. Dans ce cas, un asservissement de sa tension peut ˆetre envisag´e.

2.5

Conclusion

Ce chapitre a permis d’introduire une technique de r´eduction du bruit de fr´equence des lasers, bas´ee sur un asservissement `a correction aval h´et´erodyne de phase optique d’un laser. Un mod`ele analytique de la technique a ´et´e pr´esent´e dans la premi`ere partie du chapitre. Ainsi le principe de fonctionnement de la technique a ´et´e appr´ehend´e et l’impact d’un d´es´equilibre temporel entre le bras principal et le bras de correction sur la bande de r´eduction du bruit a ´et´e ´evalu´e.

Exp´erimentalement, une m´ethode exp´erimentale pour minimiser ce d´es´equilibre a ´et´e d’abord pr´esent´ee et appliqu´ee au dispositif exp´erimental. La technique d’asservissement a ensuite ´et´e appliqu´ee `a un laser `a semi-conducteurs monomode. Nous avons dans un premier temps proc´ed´e `a la validation du bon fonctionnement de la technique en utilisant le laser Tunics pr. Dans un second temps, nous avons utilis´e deux lasers relativement bas bruit dans le but d’identifier les limites de notre syst`eme d’asservissement. Nous d´emontrons que le niveau de bruit de fr´equence minimum que notre syst`eme peut atteindre correspond `a un spectre optique de bande lat´erale affin´ee, de largeur de raie intrins`eque ∼ 50 Hz et de largeur de raie ∼ 1, 6 kHz pour un temps d’observation de 10ms. Cette limite correspond au meilleur taux de r´eduction que l’on a obtenu durant l’´etude exp´erimental de la technique, soit en utilisant le laser Oewaves Sub-Hz, comme oscillateur local. La largeur de raie intrins`eque du laser sous test est alors r´eduite de ∼ 314 kHz `a seulement ∼ 50 Hz, soit d’un facteur de 38 dB. La largeur de raie, pour

Chapitre 2. ´Etude d’une technique d’asservissement `a correction aval 60

un temps d’observation de10ms, passe quant `a elle de ∼ 1, 4 MHz `a ∼ 1, 6 kHz, soit r´eduite d’un facteur sup´erieur `a 33 dB.

A pr´esent que l’on a valid´e et identifi´e les limites de notre syst`eme, en utilisant un laser monomode comme laser sous test, nous passons dans le chapitre suivant `a la prochaine ´etape, consistant `a appliquer la technique `a une diode `a blocage de modes actif.

La technique d’asservissement `a

correction aval de la phase optique d’un

laser : extension `a une diode `a blocage

de modes

Sommaire

3.1 G´en´eralit´es sur les lasers `a blocage de modes . . . 64 3.1.1 Principe et d´efinitions . . . 64 3.1.2 Techniques de blocage de modes . . . 66 3.1.3 Bruit de fr´equence optique pr´esent sur une raie issue d’un laser

`

a blocage de modes . . . 67 3.2 L’asservissement `a correction aval h´et´erodyne pour la r´e-

duction du bruit de fr´equence optique pr´esent sur les raies issues d’un laser `a blocage de modes. . . 69 3.2.1 Principe. . . 69 3.2.2 Int´erˆet pour les diodes `a blocage de modes . . . 71 3.2.3 Travaux ant´erieurs . . . 72 3.2.4 Le pr´esent travail . . . 73 3.3 La diode `a blocage de modes utilis´ee . . . 74 3.3.1 Description g´en´erale . . . 74 3.3.2 Caract´erisation pr´eliminaire. . . 75 3.3.3 Analyse du bruit de fr´equence de la gigue d’impulsions . . . 76 3.4 La technique d’asservissement `a correction aval h´et´erodyne :

application `a la diode `a blocage de modes actif. . . 79 3.4.1 Dispositif exp´erimental. . . 79 3.4.2 R´esultats exp´erimentaux. . . 81 3.4.3 Discussion des r´esultats . . . 83

Chapitre 3. La technique d’asservissement `a correction aval de la phase optique d’un

laser : extension `a une diode `a blocage de modes 62

3.5 Conclusion. . . 89 3.5.1 Applications potentielles . . . 89

Les peignes de fr´equences optiques disposant de raies, avec de faibles niveaux de bruit de fr´equence sont tr`es attractifs pour un large ´eventail de domaines et d’applications allant de la m´etrologie de temps et fr´equence [53] `a l’astronomie et les sciences de l’espace [54] en passant par la t´el´ecommunication optique [55], la g´en´eration d’ondes millim´etriques [56] ou encore la spectroscopie [3].

Plusieurs technologies, sont aujourd’hui sollicit´ees pour g´en´erer de telles sources. Parmi les techniques les plus utilis´ees dans la litt´erature, on retrouve la modulation de phase et la commutation de gain dans les lasers monomodes [57], le blocage de modes [55] et la conversion de fr´equence param´etrique dans les micro-r´esonateurs [12].

Dans le cadre de nos travaux, nous nous int´eressons au blocage de modes dans les lasers `a semi-conducteurs. Outre le fait que ces structures aient ´et´e longuement ´etudi´ees et continuent `a l’ˆetre au sein de l’institut Foton, elles ont ´egalement ´et´e identifi´es comme ´

etant les plus adapt´ees aux syst`emes `a base de peigne de fr´equences optiques futurs [58]. En effet, les nombreux avantages du laser `a semi-conducteurs `a savoir la compacit´e, la modulation directe, le faible coˆut ainsi que la faible consommation et tant d’autres, sont conserv´es. Toutefois, les performances de ces sources en terme de propri´et´es spectrales demeurent jusqu’`a pr´esent limit´ees. Le bruit de fr´equence optique pr´esent sur les raies d’une diode `a blocage de modes, principal responsable de leurs largeurs de raie optiques, est en particulier concern´e. En effet, les modes optiques issus d’une diode `a blocage de modes, exhibent des largeurs de raie optiques relativement ´elev´ees (∼10-100 MHz) [59]. Ceci ´etant en grande partie dˆu aux facteurs de qualit´e relativement faible de leurs cavit´es. Cependant, des valeurs inf´erieures au m´egahertz sont souvent recherch´ees, concernant ces sources, pour des applications de transmission optique coh´erente.

La technique d’asservissement `a correction aval h´et´erodyne introduite au chapitre pr´ec´edent, a d´ej`a permis `a Watts et al., d’affiner des diff´erents modes d’une diode `

a blocage de modes passif [17, 18]. Dans le chapitre pr´ec´edent, nous appliqu´e cette technique `a un laser monomode, ce qui nous a permis de valider et d’identifier les limites du dispositif exp´erimental associ´e. Dans le pr´esent chapitre, l’objectif est de compl´eter cette ´etude, en appliquant la technique `a une diode `a blocage de modes actif, pour montrer que les performances, en terme de r´eduction de bruit de fr´equence, rapport´ees pr´ec´edemment par Watts peuvent ˆetre drastiquement am´elior´ees.

Chapitre 3. La technique d’asservissement `a correction aval de la phase optique d’un

laser : extension `a une diode `a blocage de modes 64

3.1

G´en´eralit´es sur les lasers `a blocage de modes

Dans cette section, on introduit le principe et les notions de bases relatives aux lasers `

a blocage de modes. Nous donnons des exemples des diff´erentes techniques le permettant. Nous pr´esentons le bruit de fr´equence optique pr´esent une raie d’un laser `a blocage de modes. Signalons au lecteur que cette section, s’inspire et se base sur ce que plusieurs articles et ouvrages scientifiques, rapportent dans la litt´erature [53,60–67]. Nous avons ainsi tent´e de rassembler les ´el´ements essentiels et suffisants `a la compr´ehension du point qui nous int´eresse : le bruit de fr´equence optique affectant une raie d’un laser `a blocage de modes, et ce sans perte de g´en´eralit´es et de la fa¸con la plus fid`ele possible.