Systèmes utilisés

Au cours de cette thèse, trois peignes de fréquences optiques fibrés de la marque Menlo Systems GmbH ont été utilisés, se distinguant principalement par rapport à leurs niveaux de bruit. Pour des raisons historiques arbitraires nous nous référerons à ces lasers par les noms : Pure, Chronos et FMS-2. Ces trois peignes de fréquences optiques utilisent la technologie de verrouillage de mode basée sur le miroir à boucle amplificatrice non-linéaire.

Verrouillage de mode par miroir à boucle amplificatrice non-linéaire (MBAN)

Figure II.7 – Structure des oscillateurs en-forme-de-9 utilisés dans les peignes de fréquences optiques présentés ici.

Ce principe de verrouillage de mode est dérivé de la technique dite de miroir à boucle optique non linéaire (MBON) [100] et consiste en un miroir constitué d’une fibre optique non-linéaire bouclée par un coupleur qui sert de milieu à gain non-non-linéaire pour le laser [101]. En

particulier, l’oscillateur laser des peignes utilisés suit une structure en-forme-de-9 (figure-9 en anglais) breveté par Menlo Systems GmbH en 2013 [102,103].¹² Comme on peut le voir sur la figure II.7, cette structure contient une cavité linéaire (à gauche) dont la longueur peut être ajustée au moyen d’un PZT sur lequel est fixé le miroir à l’extrémité de la cavité et d’un MBAN (à droite) comprenant en particulier un milieu amplificateur et un élément optique non-réciproque.

Principe du MBAN Le but est de réaliser une boucle miroir asymétrique, ainsi la lumière

issue du résonateur principal (à gauche du coupleur) est séparée en deux portions contrapropa-geantes dans la boucle. La portion se propageant dans le sens indirect (sens anti-trigonométrique) passe dans une longue fibre non-linéaire avec une puissance faible et est ensuite amplifiée dans une fibre dopée à l’Erbium. La portion se propageant dans le sens direct, elle, est d’abord ampli-fiée dans la fibre dopée à l’Erbium puis passe dans la fibre non-linéaire. Lorsque chaque portion revient sur le coupleur, le décalage de phase non-linéaire acquis est donc plus grand pour celle se propageant dans le sens direct et il y a interférence entre ces deux portions. Si la différence de phase est de π (cas idéal), alors les deux composantes interféreront au niveau du coupleur avant d’émerger dans le résonateur principal. Ainsi le gain d’un aller-retour sera plus grand pour les fortes puissances crêtes, d’où le verrouillage de mode.

Caractéristiques des différents peignes

Figure II.8 – Diagramme en bloc de la structure des peignes.

Nombre de diodes de pompes frep Pmax

Oscillateur Pre-ampli Ampli MHz mW

Chronos (2)+1 1 x 250±2.4 45

Pure (2)+1 1 1 250±2.5 180

FMS-2 (2)+1 1 3 250±5 320

Tableau II.9 – Quelques caractéristiques des peignes stabilisés utilisés. Notons que la puissance optique des diodes de pompe est typiquement autour de 800 mW pour chaque peigne.

Bien que les peignes soient similaires sur le principe ils possèdent des spécificités, en parti-culier le nombre d’amplificateurs à Erbium utilisés en sortie de l’oscillateur. Le schéma en bloc

12. Cette structure est en fait une amélioration directe de la structure dite en-forme-de-8 (figure-8 en anglais comme l’a dénommé son inventeur [104]).

du peigne le plus complexe est représenté à la figure II.8, et on peut voir quelques caractéris-tiques des peignes au tableau II.9 (en particulier le nombre de diodes utilisées pour pomper chaque fibre dopée à l’Erbium). On précise que les fréquences de décalage enveloppe porteuse des peignes ne sont pas indiquées car elles sont ajustables sur plus de 250 MHz selon les be-soins. Pour chaque peigne, au démarrage de l’oscillateur trois diodes pompent le résonateur, une fois que le verouillage de mode est atteint, seul une diode reste active pour fournir le pompage nécessaire à l’entretien des impulsions, d’où les parenthèses. Le peigne Chronos ne possède pas d’amplificateur principal, d’où sa puissance maximale plus faible. Les fréquences de répétition des peignes sont par défaut autour de 250 MHz mais peuvent être ajustées sur quelques MHz en jouant directement sur la position du miroir via le PZT et le picomoteur. La fréquence de décalage peut de son côté être largement ajustée autour de 70 MHz en jouant sur la dispersion intra-cavité (en pratique via un élément dispersif réglable intra-cavité utilisant des prismes [105]).

On remarque que sur la figure II.8, les fréquences de décalage enveloppe-porteuse sont diffé-rentes (ce qui est signifié par un « prime »). En effet étant donné que le processus d’amplification affecte la dynamique des impulsions lasers et que l’amplificateur inclus dans l’interféromètre

f-2f est distinct de l’amplificateur de la chaîne principale, la fréquence de décalage détectée par

auto-référencement est a priori légèrement différente de la fréquence « effective » inhérente au train d’impulsions émis en sortie du peigne. Ceci aura une influence lorsqu’on s’intéressera aux bruits résiduels lors de la génération de micro-ondes (voir fin de la section suivante).

Bruit relatif d’intensité

100 101 102 103 104 105

Fréquence de Fourier (Hz)

RIN (dB/Hz)

Chronos

FMS-2

Pure

Figure II.10 – Bruit relatif d’intensité des peignes utilisés dans les expériences.

L’importance de ces bruits via à vis de la génération de micro-ondes bas bruits sera étudiée plus tard au chapitre III, néanmoins on peut voir à titre indicatif plusieurs comportements caractéristiques des lasers utilisés. En particulier on note que le bruit à basse fréquence de Fourier est beaucoup plus important pour FMS-2, ce qui vient du fait que les alimentations en courant

des diodes pompant l’amplificateur dopé à l’Erbium sont les alimentations d’origine et n’ont pas été changées par des alimentations « bas-bruit » développées au LNE-SYRTE¹³comme cela est le cas pour les deux autres peignes (des détails sur l’impact des alimentations en courant des diodes de pompes sur le bruit relatif d’intensité (RIN) des peignes peuvent être trouvés dans [107]). Ceci en raison du temps d’installation et de la place nécessaire dans le laboratoire¹⁴ doublé du fait que cela aurait représenté un achat de cinq alimentations de courant bas-bruit supplémentaires à 1 k€ pièce—une pour chacune des cinq diodes de pompes). Par ailleurs, le bruit de Chronos est globalement plus important que pour les deux autres peignes, ce qui met en évidence l’importance de l’amplificateur principal vis à vis du RIN, cf. section III.1. Enfin on remarque que le RIN suit un comportement de type passe-bas avec une sorte de résonance molle autour d’une fréquence de Fourier 10 kHz, ce qui est dû aux propriétés dynamiques optiques du milieu amplificateur, qui sont ici similaires pour les trois peignes.