Réduction du bruit de fréquence de diodes laser InGaN par asservissement sur des résonateurs à haut facteur de qualité

InGaN laser diodes frequency noise reduction by locking on high quality factor resonators

• Auteur / Autrice : Georges Perin
• Direction : Patrice Féron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique
• Date : Soutenance le 13/04/2023
• Etablissement(s) : Université de Rennes (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : MATISSE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON (Lannion ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : François Bondu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Féron, Rodolphe Boudot, Roberta Ramponi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Guérandel, Gualtiero Nunzi Conti‎

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit

Diodes laser

Mots clés libres

Diode laser InGaN monomode

Asservissement opto-Électronique

Bruit de fréquence

Résonateurs à modes de galerie

Single-Mode InGaN laser diodes

Laser stabilisation

Frequency noise

Whispering gallery mode

Résumé

Les diodes laser accordables émettant dans le spectre bleu/violet (380 nm – 480 nm) trouvent de nombreuses applications dans des domaines scientifiques et techniques tels que les capteurs optiques, les technologies quantiques, ou encore la spectroscopie et la métrologie. Les applications les plus avancées exigent une émission laser de haute pureté spectrale, avec une largeur de raie de l’ordre du kHz, et accordable sur une plage de plusieurs GHz. L’objectif de cette thèse est la réalisation de telles sources. Pour ce faire, nous avons choisi de réaliser un asservissement optoélectronique d’un laser ECDL sur deux références de fréquence différentes. Après l’étude du bruit de fréquence dans les diodes laser afin d’en comprendre les origines et représentations, nous avons réalisé un banc de mesure de ce bruit. D’un point de vue expérimental nous avons réalisé l’asservissement du laser sur une résonance d’un anneau fibré, et mesuré le bruit de fréquence du laser asservi dont la largeur de raie est ainsi réduite de 850 kHz à 20 kHz pour une intégration de 10 ms, correspondant à une réjection de 40 dB du bruit aux basses fréquences. Les expériences suivantes ont été menées sur un résonateur sphérique à modes de galerie en vue de l’asservissement du laser à cavité étendue. Le couplage par fibre biseautée du résonateur sphérique est étudié par une méthode hybride spectrale/temporelle. Cette méthode dynamique met aussi en évidence des effets non-linéaires dans la microsphère, comme l’effet Kerr et les effets thermiques qui sont analysés. En reprenant le même montage et la même méthode que pour l’anneau fibré, l’étude de l’asservissement du laser sur cette microsphère montre une largeur de raie réduite à 91 kHz pour une intégration de 10 ms, avec une perspective d’amélioration à 10 kHz.

Numerous applications in the metrology field – optical clocks, sensors, quantum physics, and cold atoms physics - need low frequency noise tunable laser diodes in the blue/violet range (380 – 480 nm). This corresponds to lasers with a linewidth smaller than the MHz. In this thesis manuscript, we present the realisation of such sources by frequency locking of a commercial ECDL on two different frequency references. The first reference is a 2 m long fibre ring with a quality factor of $3\times10^7$ and a minimum transmission of 0.06. We achieve a reduction of the frequency noise of more than 40 dB at 100 Hz. For the laser, it means a reduction from 850 kHz at 10 ms of integration time to 40 kHz, corresponding to a reduction by 20. We also used a mode compact reference: a spherical whispering gallery mode resonator with a diameter of 275 $\mu m$. The locking resonance has a quality factor of $7\times10^7$ and a minimum transmission of 0.28. The lock laser has a linewidth of 91 kHz, meaning a reduction by 10. We determine the limitation of the two locking schemes to be the shot noise of the photodiode transposed by the discriminator.