Sources de lumière bleue cohérente à base de microrésonateurs de haut facteur de qualité – COMBO

Une caractérisation complète des propriétés linéaires et non-linéaires de résonateurs à modes de galerie de haut facteur de qualité est réalisée dans la gamme de longueurs d'onde 400-420 nm. Cette étude est réalisée en s'appuyant sur la technique de cavity ring down étudiée au sein de l'institut Foton et largement déployée dans d'autres laboratoires pour la caractérisation de résonateurs aux longueurs d'onde infrarouges. Cette technique permet en une simple mesure de déterminer les pertes internes, la dispersion, le régime de couplage et les propriétés non-linéaires du résonateur.

Nous rapportons un système d’asservissement compact et bas coût pour réduire le bruit de fréquence d’une diode laser en cavité externe à 420 nm. Notre approche, basée sur une cavité en anneau de fibre, mène à une réduction du bruit de fréquence proche de 30 dB qui se traduit par un affinement de la largeur de raie du laser intégrée sur 10 ms de 850 kHz à 20 kHz.

Les attendus du projet sont : la première démonstration d'un peigne de fréquence Kerr dans la gamme bleue à l'aide d'un résonateur à facteur Q élevé ; et un laser Fabry-Perot (SFP) à pompage électrique d’une largeur de raie inférieure au kHz obtenue par rétroaction optique résonante. La combinaison de ces deux contributions devrait conduire à la démonstration d'un générateur compact de peigne de fréquence Kerr bleu.

G. Perin, et al. «?Stabilisation d'une diode laser à cavité externe émettant à 420 nm sur un anneau de fibre?» JCOM 2021 (Paris)

G. Perin, et al. «?Stabilisation d'une diode laser à cavité externe émettant à 420 nm sur un anneau de fibre?» JNOG 2021 (Dijon)

L’amélioration des performances des sources cohérentes compactes résulte avant tout du développement des télécommunications optiques dès les années 70. Les sources monomodes continues ou les peignes de fréquences optiques sont les pierres angulaires incontournables de la photonique moderne. Ces outils sont indispensables dans un large éventail d’applications couvrant des détecteurs de gaz aux horloges optiques en passant par la détection d’exoplanètes. Une tendance consiste à s’imprégner du savoir-faire acquis dans la gamme du proche infrarouge pour l’étendre aux gammes spectrales environnantes. Le projet COMBO fait partie de ce processus en visant la gamme bleue du spectre entre 405 et 480 nm. Les spectroscopies linéaires et non linéaires basées sur des sources bleues cohérentes bénéficieraient d’un gain de compacité. Depuis quelques années, la communauté des télécommunications optiques manifeste un intérêt croissant pour le développement de diodes laser bleues compactes pour les communications optiques visibles et les transmissions optiques sous-marines. Pour être commercialement viables, les sources doivent répondre à plusieurs compromis concernant la taille, le prix, le poids, la puissance, la cohérence et la bande passante. De nos jours, aucune source compacte et cohérente n'existe dans ce domaine de longueur d'onde. Actuellement, les lasers bleus mono-fréquence sont basés sur le processus de doublage de fréquence d’un laser à l'état solide émettant dans la région du proche infrarouge. Cette approche donne des performances intéressantes mais ne répond pas aux exigences en termes de réduction de volume et de consommation d'énergie. Les diodes laser à cavité externe commerciales (ECDL) existent mais sont coûteuses et non compactes. Les sources de peignes de fréquence dans la gamme 405-480 nm sont généralement basées sur le doublement de fréquence d’un laser femto-seconde de type Ti: Saphir émettant à 800 nm. Une approche originale pour générer des sources cohérentes compactes (lasers ou peignes de fréquences) est basée sur l'utilisation de résonateurs à mode galerie (WGMR) à haut facteur de qualité. Les sources cohérentes basées sur les WGMR dans la région du proche infrarouge ont été démontrées, aboutissant d’ors et déjà des dispositifs commerciaux.
Le projet COMBO vise à développer des sources cohérentes en utilisant des résonateurs à mode de galerie dans une gamme de longueurs d’onde encore inexploitée. L'ambition du projet COMBO est de développer une plate-forme de résonateurs WGM dans la gamme bleue (405-480 nm) pour la démonstration de diodes laser mono-fréquence compactes et de peignes de fréquence Kerr bleus. Le projet est divisé en trois objectifs principaux. Le premier objectif dressera un panorama des propriétés linéaires et non linéaires des WGMR. Un accent particulier sera mis sur les résonateurs cristallins fluorés identifiés comme les meilleurs candidats pour la réalisation de fonctions optiques linéaires ou non linéaires. Le second objectif consiste à démontrer la stabilisation et l’affinement spectrale de lasers à base de WGMR en tirant partie des propriétés linéaires impressionnantes de tels résonateurs comme un facteur Q supérieur à 10^9 et une finesse supérieure à 10^5. Le troisième objectif concerne l'étude du mélange à quatre ondes dégénéré conduisant à la génération d'un peigne de fréquence dans les WGMR à Q élevés.
Les attendus du projet sont: la première démonstration d'un peigne de fréquence Kerr dans la gamme bleue à l'aide d'un résonateur à facteur Q élevé; et un laser Fabry-Perot (SFP) à pompage électrique d’une largeur de raie inférieure au kHz obtenue par rétroaction optique résonante. La combinaison de ces deux contributions devrait conduire à la démonstration d'un générateur compact de peigne de fréquence Kerr bleu.