Développements expérimentaux pour la caractérisation et la stabilisation de sources laser auto-impulsionnelles à semi-conducteurs pour des applications en métrologie des fréquences

Experimental developments for the characterization and stabilization of semiconductor self-pulsed laser sources for frequency metrology applications

• Auteur / Autrice : Amine Chaouche Ramdane
• Direction : Frédéric Du Burck
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 09/10/2014; Soutenance le 14/12/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)

Mots clés

Mots clés libres

Laser à verrouillage de modes

Laser à semi-conducteurs auto-impulsionnel

Peigne de fréquences

Cavité optique

Asservissement

Modulation d’amplitude parasite

Injection optique

Mode-locked lasers

Self-pulsed semiconductor lasers

Frequency comb

Optical cavity

Servo control

Residual amplitude modulation

Optical injection

Résumé

Ce travail de thèse porte sur le développement d’une instrumentation pour la caractérisation et la stabilisation de sources laser à 1,55 µm à verrouillage de modes pour la métrologie des fréquences ou les télécommunications optiques. Deux outils de caractérisation réalisés à partir de composants commerciaux ont été développés permettant de transférer la stabilité en fréquence d’une référence métrologique vers des sources largement accordables (diodes laser à cavité étendue). L’une est fondée sur une cavité Fabry Perot confocale et l’autre sur une cavité à fibre en anneau. Dans les deux cas, des transferts de stabilité sur des dizaines de nanomètres ont été démontrés au niveau de 10-12. L’analyse détaillée de ces montages montre les limitations apportées par les modulations d’amplitude et de polarisation parasites dues aux dispositifs de modulation ainsi que par les fluctuations de polarisation dans les fibres. Ces dispositifs ont été validés par la démonstration de la stabilisation d’une source à verrouillage de modes par injection optique qui a permis de réduire la largeur spectrale du mode injecté d’un facteur supérieur à 1000, de transférer la stabilité du laser d’injection à l’ensemble des modes du peigne de fréquences et de mesurer la stabilité à long terme des modes du laser injecté.

This PhD thesis focuses on the development of instrumentation for the characterization and stabilization of mode-locked laser sources at 1.55 µm for applications in frequency metrology or stability applications in the field of optical telecommunications. Two characterization tools based on commercial components were developed with the aim to transfer the frequency stability from a metrological source to tunable sources (ECLD). In both cases, stability transfers over tens of nanometers are demonstrated at the level of 10-12. The detailed analysis of those setups shows the limitations resulting from residual amplitude and polarization modulations due to modulators and from polarization fluctuations in fibers. The validation of our approach is achieved by the demonstration of the mode-locked laser frequency stabilization by optical injection leading to the reduction of the width of the injected mode by a factor greater than 1000, the transfer of the injection laser stability to all modes of the comb and the measurement of long term stability of the injected laser modes.