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Présentation

La réinjection optique décalée en fréquence permet de stabiliser le battement entre les deux modes d’un laser bifréquence, et d’obtenir ainsi des signaux RF sur porteuse optique de grande pureté spectrale. Elle donne aussi accès à une grande variété de régimes dynamiques, du verrouillage de fréquence sans verrouillage de phase au chaos déterministe.

Fig.1 Schéma d’un laser Nd :YAG bifréquence soumis à une rétroaction optique décalée en fréquence, produite par une cavité externe contenant une lame λ/4 et un modulateur acousto-optique (AO).

Battement RF cohérent porté par un laser bifréquence en régime de Q-switch passif

Nous avons montré qu’il est possible de verrouiller le battement entre les deux modes de polarisation d’un laser Nd : YAG bifréquence sur un oscillateur externe RF de référence. Cela est possible tant en régime continu qu’en régime de Q-switch passif, induit par la présence intracavité d’un absorbant saturable de Cr : YAG. On obtient dans ce cas des impulsions de durée égale à 45 ns, modulées en intensité par un signal RF cohérent à 180 MHz.

Fig.2 (a) Intensité de sortie mesurée derrière un polariseur à 45° des états propres du laser. (b) Intensité de sortie simulée.

Ces signaux RF cohérents sur porteuse optique se prêtent à des applications de type lidar-radar, par exemple pour la vélocimétrie Doppler.

Phase bornée, accrochage de fréquence sans accrochage de phase

Fig.3 Gauche : Charte des bifurcations et régimes dynamiques d’un laser bifréquence avec réinjection optique. Droite : amplitude et phase, mesurés expérimentalement, du battement RF d’un laser bifréquence en régime d’accrochage de fréquence sans accrochage de phase chaotique.

La dynamique d’un laser bifréquence soumis à réinjection optique décalée en fréquence est régie par deux paramètres de contrôle : le désaccord de fréquence entre l’oscillateur externe de référence et la fréquence Δ de battement naturelle du laser, et l’intensité de la lumière réinjectée Γ. Un large éventail de comportements est possible, vu que le système est constitué par deux oscillateurs non-linéaires en interaction. En particulier, nous nous sommes intéressés à la synchronisation des deux modes laser. Nous avons montré qu’un régime d’accrochage de fréquence sans accrochage de phase est possible. Dans ce régime, la phase relative entre les deux modes n’est pas fixe mais oscille au cours du temps. Cependant, elle ne dépasse jamais 2π : la fréquence moyenne des deux oscillateurs est la même, même en absence de verrouillage de phase. Nous avons montré quantitativement que, de façon un peu inattendue, la stabilité à long terme de l’oscillateur maître est parfaitement transférée au battement laser même en absence de verrouillage de phase. Ce comportement est universel, dans le sens qu’il se retrouve dans tout système forcé présentant un point fixe qui se déstabilise via une bifurcation de Hopf. Le régime d’accrochage de fréquence sans accrochage de phase se révèle être assez robuste : nous avons trouvé expérimentalement qu’il survit en présence de chaos déterministe, ou encore lors d’une bifurcation sous-critique menant à des oscillations (chaotiques en l’occurrence) de grande amplitude.

Effets du retard

Fig.4 Gauche : Spectrogrammes expérimentaux et simulés du battement généré par un laser DFB bifréquence soumis à réinjection optique. En changeant un paramètre de contrôle, on observe l’apparition d’une instabilité caractérisée par des pulsations auto-entretenues. Droite : trace temporelle expérimentale du régime auto-pulsé.

La réinjection optique est nécessairement accompagnée d’un certain retard, lié au temps de propagation de la lumière dans la cavité externe. Pour les lasers solides, ce retard est généralement très court à l’échelle de la période des oscillations de relaxation, cependant il peut jouer un rôle dynamique important. Ainsi, nous avons montré l’apparition d’une instabilité à l’intérieur de la plage d’accrochage d’un laser bifréquence DFB fibré : la réinjection retardée fait apparaitre des impulsions périodiques auto-entretenues. A l’inverse, le retard est généralement très long pour les lasers à semi-conducteur, et induit beaucoup de régimes spécifiques, que nous avons étudié dans la thèse de A. Thorette.

Financements

  • Université de Rennes
  • Rennes Métropole
  • Conseil Régional de Bretagne
  • European Defense Agency – HIPPOMOS project
  • CPER PONANT
  • DGA-ASTRID
  • CPER SOPHIE-Photonique

Personnels de recherche impliqués

  • VALLET Marc

    VALLET Marc

    (+33)2 23 23 62 04 Professor Responsable d’équipe

Pour en savoir plus

  • Marie Guionie, Marco Romanelli, Aurélien Thorette, Anthony Carré, Emmanuel Pinsard, et al.. Delay-induced instability in phase-locked dual-polarization distributed-feedback fiber lasers. Physical Review A, 2020, 101 (4), pp.043843. ⟨10.1103/PhysRevA.101.043843⟩. ⟨hal-02565340⟩
  • Aurélien Thorette, Marco Romanelli, Marc Vallet. Synchronization of Two DFB Lasers Using Frequency-Shifted Feedback for Microwave Photonics. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2019, 55 (1), pp.2200108. ⟨10.1109/JQE.2019.2891819⟩. ⟨hal-02383118⟩
  • Marco Romanelli, Aurélien Thorette, Marc Brunel, Thomas Erneux, Marc Vallet. Excitable-like chaotic pulses in the bounded-phase regime of an opto-rf oscillator. Physical Review A, 2016. ⟨hal-01385625⟩
  • Aurélien Thorette, Marco Romanelli, Marc Brunel, Marc Vallet. Frequency-locked chaotic opto-RF oscillator. Optics Letters, 2016, 41 (12), pp.2839-2842. ⟨10.1364/OL.41.002839⟩. ⟨hal-01333412⟩
  • Marco Romanelli, Lihua Wang, Marc Brunel, Marc Vallet. Measuring the universal synchronization properties of driven oscillators across a Hopf instability. Optics Express, 2014, 22 (7), pp.7364-7373. ⟨10.1364/OE.22.007364⟩. ⟨hal-01057954⟩
  • Marc Vallet, Jonathan Barreaux, Marco Romanelli, Grégoire Pillet, Jérémie Thévenin, et al.. Lidar-radar velocimetry using a pulse-to-pulse coherent rf-modulated Q-switched laser.. Applied optics, 2013, 52 (22), pp.5402-10. ⟨10.1364/AO.52.005402⟩. ⟨hal-00854261⟩
  • Jérémie Thévenin, Marco Romanelli, Marc Vallet, Marc Brunel, T. Erneux. Phase and intensity dynamics of a two-frequency laser submitted to resonant frequency-shifted feedback. Physical Review A : Atomic, molecular, and optical physics [1990-2015], 2012, 86 (3), pp.33815. ⟨10.1103/PHYSREVA.86.033815⟩. ⟨hal-00908144⟩
  • Jérémie Thévenin, Marco Romanelli, Marc Vallet, Marc Brunel, Thomas Erneux. Resonance Assisted Synchronization of Coupled Oscillators: Frequency Locking without Phase Locking. Physical Review Letters, 2011, 107 (10), pp.104101. ⟨10.1103/PHYSREVLETT.107.104101⟩. ⟨hal-00714041⟩
  • Jérémie Thévenin, Marc Vallet, Marc Brunel, Hervé Gilles, Sylvain Girard. Beat-note locking in dual-polarization lasers submitted to frequency-shifted optical feedback. Journal of the Optical Society of America B, 2011, 28 (5), pp.1104-1110. ⟨10.1364/JOSAB.28.001104⟩. ⟨hal-00712005⟩
Réinjection optique dans les lasers
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