Lasers à effet Talbot pour le traitement de signaux analogiques – TAPAS

TAPAS est un projet de recherche fondamental impliquant deux laboratoires académiques (LIPHy et IES), un partenaire industriel (Thales R&T) et un sous-contractant (Plate-forme RENATECH du LPN). L’objectif de TAPAS est de démontrer le potentiel d’une nouvelle classe de lasers impulsionnels – ou lasers à effet Talbot – pour la conversion numérique de signaux analogiques (CAN). Le domaine d’applications concerne à la fois le domaine civil (traitement de l’information) et militaire (acquisition de signaux complexes).
En effet, les systèmes de CAN électroniques ont atteint leurs limites intrinsèques en termes de jitter temporel, ce qui se traduit par une limitation du nombre de bits effectifs après échantillonnage. Cette limitation est particulièrement critique dans un contexte d’augmentation continue du trafic internet et d’une demande toujours plus importante de traitement de signaux complexes pour les applications défense. Au contraire l’utilisation de lasers à modes bloqués pour l’échantillonnage a montré de meilleures performances en termes de bruit de phase que les systèmes électroniques. Malheureusement le taux de répétition des lasers à modes bloqués est généralement contraint par la longueur de la cavité laser. Des techniques de multiplication du taux de répétition ont été proposées, mais au détriment de la pureté spectrale et au prix d’une architecture laser complexe.
Le concept de laser à effet Talbot, développé au LIPhy, est une solution prometteuse pour délivrer des trains d’impulsions laser à faible jitter temporel et avec un taux de répétition facilement ajustable sur plusieurs ordres de grandeur. Un laser à effet Talbot consiste à injecter par un laser monochromatique, une boucle à gain contenant un décaleur de fréquence. Les propriétés spectrales du champ généré induisent un effet Talbot temporel, c’est-à-dire la génération d’impulsions limitées par transformée de Fourier à des taux de répétition ajustables entre plusieurs dizaines de MHz et plusieurs dizaines de GHz. Cette source laser constitue une alternative simple et intéressante par rapport aux lasers à modes bloqués en permettant de générer des taux de répétition GHz dans une cavité métrique, et ce sans le bruit inhérent au blocage de modes harmonique. Par ailleurs, alors que le blocage harmonique des modes nécessite une modulation à la fréquence du taux de répétition (soit quelques GHz), le laser à effet Talbot ne nécessite qu'un signal RF de quelques dizaines de MHz.
La synergie des partenaires du projet TAPAS permettra d’approfondir la compréhension des lasers à effet Talbot et leur application aux systèmes de traitement de l’information : le LIPhy possède un leadership sur les lasers à effet Talbot et est spécialisé dans la physiques des lasers. Thales TRT apporte son expertise sur la CAN, les mesures de bruit de phase et les sources laser, tandis que l’IES (et la plateforme RENATECH du LPN) est en charge de la réalisation de nouvelles sources laser à effet Talbot à partir de milieux à gain à semi-conducteurs.
Le projet TAPAS est divisé en quatre axes de recherche ayant chacun des objectifs spécifiques : (1) la compréhension générale des lasers à effet Talbot et l’évaluation de leurs performances ultimes, (2) le développement de nouvelles sources laser à effet Talbot à base de semi-conducteurs permettant la génération d’impulsions de durée < 5ps de taux de répétition ajustable (> 5 GHz) avec un jitter temporel < 10 fs, (3) la démonstration expérimentale de conversion analogique numérique à l’état de l’art (40 GHz, 8 bits de résolution effective), (4) l’évaluation de l’utilisation des lasers à effet Talbot à d’autres applications et la définition d’une stratégie de valorisation industrielle à d’autres domaines tels que la métrologie temps-fréquence, les liens opto-hyperfréquences, la spectroscopie, la navigation inertielle et la télémétrie.