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Présentation

Les interférences de deux porteuses lasers sur le même mode transverse et sur la même polarisation produisent, sur un photodétecteur, un battement à la différence de fréquence des deux porteuses. Des manipulations combinant des techniques photoniques et électroniques permettent d’avoir des battements très accordables et très purs.

Lasers à deux polarisations

L’équipe DOP a démontré dès 2001 les capacités de lasers Er3+ et Nd3+ à état solide bi-fréquences à produire des battements accordables sur 1 THz avec une très grande finesse spectrale1.

Synthèse par laser bi-polarisation Ti:Sa

Le laser Ti:Sa émet un rayonnement à 800 nm ; le battement est alors convertible avec un photo-détecteur AsGa LT en rayonnement hyperfréquence, millimétrique ou sub-millimétrique. Nous avons réalisé un laser bi-fréquence bi-polarisation monomode longitudinal pour chacune des polarisations, avec une attention toute particulière sur la dérive thermique. Nous avons montré un laser qui, sans asservissement, présente une dérive du battement inférieure à la centaine de kHz sur une journée.

Synthèse par laser bi-polarisation Er:verre

Avec le projet OSMOTUS, nous avons réalisé et conçu un laser biEr:Verre bi-fréquence bi-polarisation émettant sur des longueurs d’ondes de 1,55 µm, compatible avec des photodiodes InGaAs, UTC ou PIN. Les fréquences étant asservies sur une cavité ultra-stable en polarisations croisées2, le battement a un bruit de phase indépendant de la fréquence de battement. Nous avons montré un bruit de phase à 10 GHz meilleur que le plancher de bruit du banc de mesure3.

Implémentation d’une synthèse de fréquence ultra-stable par des lasers à état solide à 1,5 μm.

Synthétiseur accordable continûment 0-850 GHz

Nous avons conçu et réalisé un synthétiseur de fréquences à partir de composants d’optique fibrée pour les télécommunications optiques. Deux lasers DFB sont asservis en polarisations croisées sur une cavité fibrée2 ; nous avons montré que le bruit de fréquence du battement est indépendant de la fréquence de battement4 jusqu’à 96 GHz. En ajustant la température des lasers, on contrôle précisément l’indice de la résonance. Une boucle à verrouillage de phase permet un ajustement continu de la fréquence. L’ensemble du dispositif est pilotable par ordinateur, permettant un contrôle compatible avec la spectroscopie submillimétrique.5

Fig. 1 – schéma de l’instrument. Le battement de deux diodes lasers stabilisées en polarisations croisées sur une référence commune permet la grande excursion de fréquence et l’exactitude de la fréquence synthétisée. Une antenne convertit le battement en une onde en espace libre. La cellule de spectroscopie (chemin optique de 50 cm) peut analyser les molécules d’un mélange gazeux ou les gaz dissous dans un prélèvement liquide ou solide.
Fig. 2 – Détails de la synthèse de fréquence : (à gauche, recto) éléments d’optique fibré commerciaux pour les télécommunications optiques
(à droite-verso) électroniques, avec des stabilisations s’inspirant de celles du projet Virgo. Nous avons démontré un record de largeur de raie de 30 Hz.

Financements

  • FP7, projet “nexpresso” : FP7-ICT-258178, “ »Tunable high resolution Ti:Sa dual frequency laser for CW THz oscillator », partenariat avec Resolution Spectra Systems
  • ANR-15-CE24-004, « Émetteur térahertz photonique reposant sur un photomélangeur hautement distribué excité par un laser bifréquence — PHENIX », partenariat avec IEMN à Lille.
  • ANR-11-BS03-0010, « Oscillateur micro-onde à THz Ultra-stable — OSMOTUS», partenariat avec IEMN Lille, Thales TRT, ARTEMIS Nice.
  • CNRS MITI « source submillimétrique accordable pour la détection du métabolisme des microorganismes » 2018-2020, partenariat ECOBIO Rennes

Personnels de recherche impliqués

Ingénieurs de recherche, chercheurs et Enseignants-Chercheurs

  • ALOUINI Mehdi

    ALOUINI Mehdi

    02 23 23 66 58 Professeur des universités Directeur d’Unité

  • BRUNEL Marc

    BRUNEL Marc

    02 23 23 55 73 Professeur des universités

  • VALLET Marc

    VALLET Marc

    02 23 23 62 04 Professeur des universités Responsable d’équipe

Doctorants et Post-doctorants

    Les anciens :

    • F. Parnet
    • A. Hallal
    • A. Rolland
    • …

Pour en savoir plus

  • Mehdi Alouini. Étude théorique et expérimentale des lasers solides Er3+ et Nd3+ : applications des lasers bi-fréquences aux télécommunications optiques et hyperfréquences. Optique [physics.optics]. Université de Rennes 1, 2001. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01850679⟩
  • Francois Bondu, Marc Brunel, Mehdi Alouini, Marc Vallet, Goulc’Hen Loas, et al.. DISPOSITIF DE PRODUCTION DE TRÈS HAUTES FRÉQUENCES PAR BATTEMENT DE FRÉQUENCES LUMINEUSES. France, N° de brevet: FR 2960354 / Texte intégral : http://bit.ly/1nOKVdW. 2012, pp.23. ⟨hal-00994792⟩
  • Gwennaël Danion, François Bondu, Goulc’Hen Loas, Ludovic Frein, Cyril Hamel, et al.. Synthèse optique d’ondes hyperfréquences et millimétriques à très bas bruit de phase : résultats préliminaires. Optique Bretagne 2015, Jul 2015, RENNES, France. , 2015. ⟨hal-01491862v2⟩
  • Ayman Hallal, Steve Bouhier, François Bondu. Synthesis of a 30-Hz Linewidth Wave Tunable Over 500 GHz. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2017, 65 (4), pp.1367-1371. ⟨10.1109/TMTT.2016.2635639⟩. ⟨hal-01427869⟩
  • Francois Bondu, Goulc’Hen Loas, Ludovic Frein, Cyril Hamel, Anthony Carré, et al.. An optical instrument for the submillimeter spectroscopy of the volatile metabolome. 2019 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Sep 2019, Paris, France. pp.19149312. ⟨hal-02292414⟩
Synthèse de fréquences RF et THz
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