Propriétés de bruit et dynamique de lasers à semiconducteurs en régime d'émission bifréquence pour l'optique micro-ondes et la métrologie

Dynamics and noise properties of dual-frequency semiconductor lasers for microwave photonics and metrology

• Auteur / Autrice : Grégory Gredat
• Direction : Fabien Bretenaker
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/06/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Lumière, matière et interfaces (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2020-...) - Thales Research and Technology (Palaiseau, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : institution : France. Délégation générale pour l'armement
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Treps
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Lacot, Massimo Giudici, Mélanie Lebental, Giorgio Santarelli, Ludovic Bellon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Lacot, Massimo Giudici

Mots clés

Mots clés contrôlés

Horloges atomiques

Bruit de phase

Bruit d'intensité (lasers)

Lasers à semi-conducteur

Mots clés libres

Dynamique et bruit de laser

Lasers à semiconducteurs

Horloges atomiques CPT

Asservissements opto-électroniques

Effets thermo-optiques

Optique micro-ondes

Laser noise and dynamics

Semiconductor lasers

CPT atomic clocks

Opto-electronic servo-Loops

Thermo-optic effects

Dual-frequency lasers

Résumé

L'émission cohérente de deux fréquences optiques présentant un battement radio-fréquence accordable trouve son application dans les liaisons opto-hyperfréquences, utiles aux radars ou radio-télescopes, mais également dans le domaine de la métrologie avec le déport optique de références temps-fréquence ultra-stables. Grâce à un cristal biréfringent à l'intérieur de leur cavité, les lasers à semiconducteurs de type VECSEL (vertical-external-cavity surface-emitting lasers) permettent de générer deux faisceaux corrélés de bonne pureté spectrale, avec une différence de fréquence accordable et polarisés linéairement dans des directions orthogonales. De telles sources lasers ont été développées à la longueur d'onde de la transition D₂ du césium dans le but d'élaborer une horloge atomique exploitant une résonance par CPT (coherent population trapping). L'objectif est de proposer un compromis inédit entre performance et compacité. En plus de caractériser les bruits (intensité et phase) de ces sources lasers, nous exploitons la modélisation de leur dynamique grâce à des équations d'évolution couplées pour minimiser dans un premier temps le transfert de bruit provenant de la pompe et optimiser dans un second temps leur asservissement. Une nouvelle architecture de la pompe optique produisant deux faisceaux corrélés est mise en place pour cette minimisation. La contribution du niveau de bruit mesuré à l'instabilité à court terme de l'horloge CPT est ensuite prédite. Aux basses fréquences, le spectre de bruit de phase du battement généré par le VECSEL bifréquence est dominé par des effets thermo-optiques, principalement causés par le bruit de la pompe. Nous établissons un modèle tenant compte des détails microscopiques du milieu à gain, de l'anisotropie de la diffusion de chaleur, des effets de lentille thermique ou encore des fluctuations thermodynamiques. Nous analysons la matrice de covariance spectrale des bruits d'intensité. Les modes propres des fluctuations sur les polarisations croisées sont alors comparés aux modes symétriques et anti-symétriques. Enfin, une méthode est élaborée pour obtenir une caractérisation et un tri des processus non-stationnaires de bruit particulièrement présents aux basses fréquences.

Coherent emission of two optical tones with a radiofrequency (RF) tunable beatnote can spur many microwave photonics applications. Indeed, it can be useful for radars, remote sensing, or in the metrological context of ultra-stable RF frequency standards. A birefringent crystal can be inserted inside the external cavity of a VECSEL (vertical-external-cavity surface-emitting lasers) to produce a tunable very low-noise RF beatnote out of two orthogonal linear polarizations. Such dual-frequency semiconductor lasers operating along the D₂ line of cesium have been developed for CPT (coherent population trapping) atomic clocks. The development of these clocks corresponds to a need to find a trade-off between size and performance. First, intensity and RF beatnote phase noise investigations in these dual-frequency VECSELs are reported. A model based on coupled rate equations allows us to find minimization strategies for the noise transfer from the pump to the laser thanks to a new pumping architecture, which produces two correlated pump spots to feed the laser modes. The laser dynamics is then optimized for efficient noise active suppression. We predict a contribution to the short term relative frequency stability of the CPT clock compatible with an Allan deviation of 5x10⁻¹³ at 1s. Pump induced thermo-optic effects are dominating the low-frequency part of the dual-frequency VECSEL beatnote phase noise spectrum and require to be better understood. A new thermal model is thus established. This model takes into account the details of the gain medium, heat diffusion spatial anisotropy, thermal lens effects and also thermodynamic fluctuations. Besides, an analysis of the spectral intensity noise covariance matrix is initiated. We evidence that the eigen modes of the cross-polarized intensity fluctuations are close to in-phase and anti-phase noise mechanisms. Eventually, we elaborate a novel characterization and ranking method for non-stationary noises, which are often related to low-frequency spurious peaks.