Vincent Crozatier Optique et matériaux pour le traitement de l’information

Développement de lasers solides agiles ultra-stables pour la manipulation

cohérente de systèmes atomiques.

Applications au traitement optique de signaux RF et à l'information quantique.

Vincent Crozatier

Optique et matériaux pour le traitement de l’information

Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

2

Signaux radiofréquences

Traitement

Radioastronomie Spectroscopie sub-millimétrique

RADAR Détection Contre-détection

CO2

H2O

Large bandeFiltrage complexe

EOMLaser

Faibles pertesImmunité électromagnétique

PertesParasitesDistorsion

Faible dispersionCapacité large bande


3

Liaisons: sources bas bruit Intensité

Baïli et al., Opt. Lett. 31 (2006) 62 Phase

Brunel et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 16 (2004) 870

Traitement: filtrage Génération de retard

Liu et al., Appl. Opt. 42 (2003) 2273 Tonda-Goldstein et al., Microwave Photonics (2004) 28

Filtrage large bande Arain et al., Appl. Opt. 45 (2006) 2428

Opérations clefs

TraitementEOMLaser


4

Analyse spectrale large bande

(1) Saperstein et al., Opt. Lett. 29 (2004) 501(2) Lavielle et al., J. Lumin. 107 (2004) 263(3) Gorju et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 17 (2005) 2385

V. Laviellethèse 2004

G. Gorjuthèse 2007

Bande passante

Nombre de canaux

Probabilité d’interception

Temps d’accès

Dynamique

Autocorrélateur numérique

< GHz

100

100 %

msintégration

50 dB

Autocorrélateur analogique

3 GHz

100

100 %

> 10 msintégration

40 dB

Spectromètre

acousto-optique

1 GHz

2 000

100 %

mslecture CCD

30 dB

Spectromètre

fibres optiques (1)

7 GHz

10 ?

?

limité par TF

?

Projection spatiale

(2)

3 GHz

100 + zoom

50 %

mslecture CCD

33 dB

Creusement spectral

(3)

10 GHz

10 000

50 %

mslecture

32 dB


5

Capacités Large bande Haute résolution Tout analogique

Traitement de signaux RF Analyse spectrale

Crozatier et al., IEEE J. Quantum Electron. 40 (2004) 1450

Corrélations Harris et al., Opt. Lett. 25 (2000) 85 Harris et al., Appl. Opt. 45 (2006) 343

Génération de formes arbitraires Barber et al., Opt. Express 10 (2002) 1145

Retard / mémoire Reibel et al., J. Lumin. 98 (2002) 355

Cristaux dopés aux ions de terre rare

Traitement cohérent

Source laser


6

Plan

I – Principe de l’analyseur

II – Analyse spectrale large bande

III – Laser agile en fréquence

Conclusion et perspectives

Architecture proposée

EOMLaser

RF

Processeuroptique

Laserprogrammation

Détecteurrapide

Principe de l’analyseur

Cristaux dopés aux ions de terre rare Échos de photons Algorithme de chirp


8

Un exemple : Tm3+:YAG 793 nm Γinh = 25 GHz Γh = 150 kHz à 5 K

Γinh

Γh

laser

fréquence

abs

orp

tion

|f >

|e >Aux basses températures (< 5K)

Γinh>> Γh

Cristaux dopés aux ions de terre rare

Bande passante Résolution


9

Le cristal Er3+:Y2SiO59

80

nm

1,6

4 –

1,4

8 µ

m

4I11/2

4I13/2

4I15/2

Propriétés50 ppm / T = 1,7 K / B = 2,2 T

λ = 1536,12 nm Γinh = 2 GHz Γh = 2 kHz T2 = 150 µs T1 = 10 ms

1,48

µm

1,52

6 µ

m

1,53

6 µ

m

1,64

µm

Y1

Z1

Effet Starkchamp cristallin

Y7

Z8

……

a b c d

Effet Zeemanchamp externe

gY1 µB B

gZ1 µB B4I15/2:Z1-

4I13/2:Y1-


10

Échos de photons

t12 t12

écho

temps

référence objetsonde

image

t23<T2 <T1

fréquence

abso

rptio

n

1/t12

Holographie spatiale Holographie temporelle

Temps de vie Cohérences Populations

Efficacité de diffractionEécho/Electure ~ %


11

Algorithme de chirp

Gravure Lecture

temps

ν’

ν

fréquence

abso

rptio

n

t12(ν) = Cst + νr

│Eecho(t)│² = │ẼRF(F=rt)│²

-F/r F/r

Echo

-r

t12’

t12

+F

-F

t12

t12’

-2r +2r

fréq

uenc

e

Crozatier et al., IEEE J. Quantum Electron. 40 (2004) 1450


12

Contraintes sur le laser

temps

fréq

uenc

e

< Γinh

< T2

Contraintes du cristal Temps de vie des cohérences Largeur inhomogène

ν’

ν t12

t12’

r ~ GHz/µs = 1015 Hz/s !+ précision < résolution+ cohérence en phase

Analyse spectrale large bande

Montage expérimental Résultats


14

Montage expérimental

PDEDFAMZ

Mo

du

late

urs

Aco

ust

oo

ptiq

ue

s

O

F

temps

fré

qu

en

cela

ser

Écho

RF

Er:YSO

1,7 K – 2,2 T

3 G

Hz

Gravure Lecture

50 µs 50 µs

AO1

Impulsions

AO2

Porte

22 µs 22 µs Ts

Laser

Chirp

λ = 1536 ,12 nm 15 mW


15

Analyse large bande

Fréquence (GHz)0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Sig

na

l (u

.a.)

Performances spectrales Bande passante : 1,5 GHz Précision < 20 kHz Résolution : 67 kHz

24 000 canaux spectraux!

Dynamique 32 dB (25 dB) >25 dB @ 1 MHz

899,6 900,0 900,4

0,0

0,4

0,8

Fréquence (MHz)

Sig

na

l (u

.a.) 67 kHz

30 dB

1 MHz

Crozatier et al., Opt. Lett., soumis

899,4 900,0 900,8Fréquence (MHz)

Sig

na

l (u

.a.)

10-4

10-3

10-2

10-1

100


16

RésuméLarge bande

Bande passante1,5 GHz

Largeur inhomogène

Résolution 50 kHzPhotodiode

Nombre de canaux 24 000

Temps d’accès Limité par TF

Probabilité d’interception

15 µs/100ms

Dynamique 32 dB

Potentielles

3 GHz

Rampes de tension

<20 kHzPrécision du chirp

>150 000

Limité par TF

100 % ?

Première démonstration de traitement optique cohérent large bande

Architecture de la cavité Caractérisation des chirps Asservissement dynamique des chirps

Laser agile en fréquence


18

Architecture de la cavité

diodelaser

fréquence

pertes

Littrow:λL= 2 a sinθ

ISL = c/2L

1/nb traits

réseau

θordre -1

ordre 0

fréq

uenc

e du

lase

r

temps

ISL

Balayages en fréquence 10 GHz en 10 µs Précision << MHz

Diode laser en cavité étendue


19

Ménager et al., Opt. Lett. 25 (2000) 1246

Accordabilité électro-optiqueCristal électro-optique

Balayages en fréquence 10 GHz en 10 µs Précision << MHz

Cristal électro-optique Contrôle électrique Indépendant de la diode Grande bande passante

Asservissements Crozatier et al., Opt. Commun. 241 (2004) 203


20

Réalisation Pureté

Largeur de raie < 2 kHz Stabilité < MHz sur 1 ms

Accordabilité Électrique: 8,5 MHz/V Balayages

jusqu’à 8 GHz en 500 µs jusqu’à 3 GHz en 5 µs

E. Ducloux, C. Gagnol


21

Caractérisation des chirps

Gorju et al., Eur. Phys. J. Appl. Phys. 30 (2005) 175

Laser PD

Ti

(t)= 0 + r.t (t)

(t - Ti)

Battement : fb = r.Ti

+ (t) + (t)

+ (t - Ti)

+ (t) - (t - Ti)

Titemps

fréq

uenc

e

r

fb


22

Chirps verrouillés en phase

OLfiltre de boucle

détecteur de phase

Le retard de l’interféromètre : Ti

Propagation : le plus court possible Précision sur le chirp : le plus long possible Fréquence de battement

Ti = 250 ns (fibre de 60 m)

fb = r.Ti

Laser

Tirampes de tension

PDEO


23

Pureté du chirp

Bruits techniques Phase du battement

14.8 15.2 15.6 16.0 16.4 16.8

0

20

40

60

80

100

Am

plitu

de (

mV

)

Fréquence (MHz)

3 GHz50 µs

20 kHz

12 14 16 18 20

-80

-60

-40

-20

Am

plitu

de (

dBV

)

Fréquence (MHz)

2,5 MHz

30 dB

~ 7° rms

0

45

90

Pha

se d

u b

atte

me

nt (

°)

Temps (µs)90 100 110 120 130 140

-90

-45


24

Effets sur l’algorithme de chirp

25 µs 25 µs 50 µs

Temps

fréq

uenc

edu

lase

r

3 G

Hz

Gravure lecture

-20 -10 0 10 20 30

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Sig

nal (

V)

Temps (ns)

écho = TF

10 µs

100 kHz

Erreur de fréquence pendant le chirp

<< 100 kHz / 3 GHz

Conclusions Perspectives


26

Conclusion Traitement optique cohérent large bande

Première démonstration 1,5 GHz (largeur inhomogène de la transition) 24 000 canaux spectraux

Fenêtre télécom

Développement de sources lasers agiles Architecture électro-optique

Contrôle électrique de la fréquence Asservissement du chirp

Boucle à verrouillage de phase rapide Excellente précision du chirp sur plusieurs GHz

IEEE J. Quantum Electron. 40 (2004) 1450Opt. Lett., soumis


27

Mais aussi… Sources lasers agiles

Architecture guidée Meilleure stabilité Meilleur sensibilité (55 MHz/V)

Asservissement de fréquence fixe Boucle de Pound – Drever – Hall Largeur de raie sub-kHz

Echos de photons en milieu amplificateur Première démonstration dans un cristal dopé aux ions de terre rare

Meilleur rendement Capacité de cyclage

Application à l’analyse spectrale Dynamique de l’écho de photons (diffusion spectrale)

et ultra-stables

IEEE Photon. Technol. Lett., accepté

Opt. Commun. 241 (2004) 203

Opt. Lett.. 30 (2005) 1288


28

Perspectives

Plus de bande passante Cristal

Gradient de champ magnétique Er:LiNbO3, Er:Eu:YSO

Laser (Sensibilité 8,5 MHz/V) Amplificateur électronique (1 kV en 10 µs) Nouvelles technologies (architecture guidée) jusqu’à 250 MHz/V

Probabilité d’interception Configuration non-coplanaire Répétition de la lecture

Nouvelles architectures Génération de formes arbitraires Renversement temporel

Γinh ~ 10 GHz


29

Merci ! Labo

Les ChefsPierre Pillet, Fabien, Ivan, Jean-Louis

Les services techniquesPatrice, Henri, Daniel, (mécanique), Bruno (BE), Roger, Alain, Arnaud (électronique)

Les thésards et autres stagiairesLa Guite, Bichon, Vince, Fred, Nassim, Thibault, Matthieu, Aurélie, Carine, Pierre, Oualid, Elodie, Haikel, Jérôme, Téodor, Hien, Jamil…

Collaborateurs ‘Financiers’

X. Grison (DGA), ONR Scientifiques

E. Ducloux, C. Gagnol (NetTest), D. Dolfi, G. Baili, L. Morvan, S. Tonda Goldstein (TRT), W. Sohler, B. K. Das (Paderborn), P. Goldner, O. Guillot-Noël (ENSCP), K. Bencheick, E. Baldit (LPN), T. Böttger, R. Cone, K. Wagner, W.R. Babbitt (USA) …

Tous les autres !

Documents

Vincent Crozatier Optique et matériaux pour le traitement de l’information