Études de la dynamique des lasers par décomposition modale – LASAGNE

Les références de temps et de fréquences sont devenues des technologies incontournables tant leurs applications en sciences fondamentale et appliquée sont nombreuses : horloges optiques, métrologie quantiques mais aussi GPS, télécommunications, radars ou systèmes de guerre électronique. Les architectures les plus prometteuses sont basées sur les lasers, soit directement à partir de peignes de fréquence optiques, soit indirectement pour la génération de signaux de radio-fréquence. Ces technologies photoniques sont attractives du fait de leur polyvalence, stabilité et performances générales. L’objectif du projet LASAGNE est d’améliorer les oscillateurs photoniques par une compréhension exhaustive de leurs propriétés de bruit. Ce projet combine des développements fondamentaux de la théorie des lasers à des applications aux oscillateurs optiques et optoélectroniques (OEO). Il est construit sur une nouvelle approche de l’analyse de bruit basée sur sa décomposition modale, inspirée de l’optique quantique.

Le fait que le bruit des lasers puisse se décomposer en modes de temps/fréquences n’est pas en soi un concept nouveau, mais il est largement inexploré expérimentalement, surtout car les mesures résolues en fréquence de bruit de phase et d’amplitude, ainsi que leurs corrélations, sont très difficiles à réaliser. Nous proposons un système de détection multimode capable d’extraire la matrice de covariance complète du bruit d’une source, résolue en fréquences optiques et bandes latérales électriques. Une telle approche nous apportera une connaissance exhaustive du bruit du système, sans hypothèse a priori sur son origine ou ses caractéristiques. La diagonalisation de cette matrice permettra d’extraire des modes de bruit non corrélés, et les propriétés de ces modes principaux nous apporteront une connaissance physique fine des sources de bruit. Nous pourrons ainsi identifier les boutons indépendants sur lesquels agir pour corriger ces bruits, via des boucles de contre-réaction par exemple.

Ce projet s’organise en trois tâches. La première concerne le développement de détecteurs à 800nm et 1,5µm, pour des mesures de fréquences optiques et de bandes latérales ainsi que leurs corrélations. La deuxième concerne les peignes de fréquences optiques basés sur des lasers à solides et à fibre optique, et nous étudierons le transfert des bruits externes et internes sur les paramètres du laser (Carrier Envelope Offset (CEO), phase, gigue temporelle, bruit d’intensité, etc.). Nous étudierons en particulier le transfert du bruit de pompe, et des stratégies de réductions de bruit seront développées. La troisième concerne les lasers à semi-conducteur à un ou deux modes de fréquence, les OEO (oscillateurs opto-électroniques) et OEO couplés, en transférant les techniques précédentes au domaine des radio-fréquences (MHz). On étudiera l’influence des sources de bruit thermiques et d’amplification sur la génération de radio fréquences.

Le projet s’organise autour des compétences de trois groupes complémentaires : le laboratoire Kastler Brossel (LKB), spécialiste des mesure multimodes à la limite quantique, Thales Recherche et Technologies France (Thales), spécialiste des lasers bas bruit et des oscillateurs opto-électroniques, et le laboratoire Aimé Cotton (LAC), spécialiste de la dynamique des lasers et des sources bi-fréquences. Il s’appuie sur les travaux pionniers du LKB sur la matrice de covariance des peignes de fréquence, ceux du LAC sur le transfert du bruit de pompe et ceux de Thales sur les oscillateurs optoélectroniques.

Les systèmes et compétences développés durant ce projet devraient en plus déclencher tout un champ d’applications, car la décomposition en modes normalisés du bruit laser peut s’appliquer à n’importe quelle source laser et à terme devenir incontournable pour apprécier la qualité d’un laser. C’est un des objectifs de LASAGNE que de démontrer l’efficacité et l’applicabilité de ces concepts.