Sources lasers à faible bruit d’intensité

⮞ Équipe DOP ⮞ Thématiques de recherche ⮞ Activité « Dynamique des lasers » ⮞

Présentation

L’enjeu de cette activité de recherche est de proposer des architectures de cavités laser à état solide ou à fibre, ou encore à semiconducteurs (type VCSEL) présentant un niveau de bruit d’intensité intrinsèquement bas. Les applications de ce type de laser, dont le bruit d’intensité est régulé naturellement par le passage en régime de classe A ou par un effet non linéaire, sont la transmission de signaux analogiques par voie optique (par exemple pour les lidar-radar et la photonique microonde en général), ou encore la métrologie et les horloges atomiques.

Réalisation de lasers de classe A dans les semi-conducteurs

Sur des architectures VECSEL (lasers à émission de surface demi-VCSEL à cavité étendue), il est possible de réaliser des lasers dits de classe A, ne présentant pas d’excès de bruit d’intensité aux fréquences propres des oscillations de relaxation. Ces architectures permettent aussi d’obtenir un régime d’oscillation bifréquence stable et accordable, sur une porteuse optique faible bruit. Les dynamiques originales de ce type de lasers ont par ailleurs permis d’observer des phénomènes de lumière lente ou encore d’accrochage de phase entre mode laser et modes d’émission spontanée amplifiée. Ces études ont permis de démontrer un laser dont le bruit d’intensité de –170 dB/Hz est obtenu sur tout le spectre de fréquence.

Laser à état-solide autorégulé en bruit d’intensité

Ces études visent à imprimer des modifications profondes de la dynamique d’oscillation de lasers à état solide de manière à réduire naturellement leur bruit. Ceci est obtenu au travers d’un mécanisme de buffer reservoir, lié à une absorption non linéaire (absorption à deux photons, doublage de fréquence inefficace) à l’intérieur de la cavité laser. Il a ainsi été démontré qu’un laser à état solide peut être autorégulé en bruit d’intensité sur des plages fréquentielles extrêmement élevées, ce dernier ne présentant plus d’excès de bruit à la fréquence des oscillations de relaxation mais aussi aux fréquences de battement entre le mode oscillant et les modes adjacents d’émission spontanée amplifiée. Ceci n’avait encore jamais été obtenu dans aucun type de laser.

Lasers bi-fréquences sans bruit d’antiphase

Dans les lasers bi-fréquence, le bruit d’antiphase apporte un excès de bruit d’intensité à une fréquence plus basse que la fréquence d’oscillation de relaxation inhérente aux lasers de classe B, traduisant l’échange d’énergie entre les deux modes de polarisation qui oscillent dans la cavité. Dans le Nd:YAG, nous avions démontré que ces bruits de partition pouvaient être supprimés en utilisant une coupe cristallographique bien particulière du milieu à gain, coupe permettant de découpler les populations du milieu à gain liées à chaque mode de polarisation. Dans les lasers Er:Yb:verre émettant à 1,5 µm, la réduction drastique du bruit d’antiphase est obtenue en combinant l’effet de buffer reservoir à une légère séparation spatiale des états de polarisation dans le milieu actif et dans l’élément non linéaire. Nous avons également développé un modèle théorique du type rate equations en tenant compte de l’effet d’absorption non linéaire. Ce modèle permet de reproduire toutes les observations faites avec les lasers bifréquences dans différentes architectures de cavité.

Financements

• EXAIL
• ANR
• DGA
• Thales R&T
• Collaborations EPFL
• LUMIN (ex-LAC)
• C2N (ex-LPN)

Personnels impliqués

Ingénieurs de recherche, chercheurs et Enseignants-Chercheurs

Doctorants et Post-doctorants

Pour en savoir plus

Publications

• Anwar Kerchaoui, Alexandru Mereuta, Andrei Caliman, Cyril Paranthoen, Christophe Levallois, et al.. Electrically pumped shot-noise limited class A VECSEL at telecom wavelength. Optics Letters, 2021, 46 (10), pp.2465-2468. ⟨10.1364/OL.412746⟩. ⟨hal-03362767⟩
• Kevin Audo, Abdelkrim El Amili, Mehdi Alouini. Analytical modeling of dual-frequency solid-state lasers including a buffer reservoir for noise cancellation. Optics Express, 2018, 26 (7), pp.8805-8820. ⟨10.1364/OE.26.008805⟩. ⟨hal-01786645⟩
• Kevin Audo, Mehdi Alouini. Intensity noise cancellation in solid-state laser at 1.5 μm using SHG depletion as a buffer reservoir. Applied optics, 2018, 57 (7), pp.1524-1529. ⟨10.1364/AO.57.001524⟩. ⟨hal-01786640⟩
• Kevin Audo, Abdelkrim El Amili, G. Baïli, D. Dolfi, Mehdi Alouini. Reduction of residual excess noise in class-A lasers using two-photon absorption. Optics Letters, 2016, 41, pp.4237–4240. ⟨10.1364/OL.41.004237⟩. ⟨hal-01380705⟩
• Abdelkrim El Amili, Kevin Audo, Mehdi Alouini. In-phase and antiphase self-intensity regulated dual-frequency laser using two-photon absorption. Optics Letters, 2016, 41 (10), pp.2326–2329. ⟨10.1364/OL.41.002326⟩. ⟨hal-01343404⟩
• Abdelkrim El Amili, Mehdi Alouini. Noise reduction in solid-state lasers using a SHG-based buffer reservoir. Optics Letters, 2015, 40 (7), pp.1149. ⟨10.1364/OL.40.001149⟩. ⟨hal-01142133⟩
• Abdelkrim El Amili, Goulc’Hen Loas, Lucien Pouget, Mehdi Alouini. Buffer reservoir approach for cancellation of laser resonant noises. Optics Letters, 2014, 39 (17), pp.5014. ⟨10.1364/OL.39.005014⟩. ⟨hal-01142129⟩
• Abdelkrim El Amili, Gaël Kervella, Mehdi Alouini. Experimental evidence and theoretical modeling of two-photon absorption dynamics in the reduction of intensity noise of solid-state Er:Yb lasers. Optics Express, 2013, 21 (7), pp.8773-8780. ⟨10.1364/OE.21.008773⟩. ⟨hal-00790606⟩
• Ghaya Baili, L Morvan, Grégoire Pillet, Daniel Dolfi, Sophie Bouchoule, et al.. High power and ultra-low noise VECSEL for high dynamic range and wideband microwave optical links. International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP), Oct 2013, Alexandria, United States. pp.278-281, ⟨10.1109/MWP.2013.6724075⟩. ⟨hal-01142545⟩
• Abdelkrim El Amili, Goulc’Hen Loas, Syamsundar De, Sylvain Schwartz, Gilles Feugnet, et al.. Experimental demonstration of a dual-frequency laser free from anti-phase noise. Optics Letters, 2012, 37 (23), pp.4901-4903. ⟨10.1364/OL.37.004901⟩. ⟨hal-00723655⟩
• A. El Amili, V. Pal, F. Goldfarb, R. Ghosh, M. Alouini, et al.. Observation of noise phase locking in a single-frequency VECSEL. Optics Express, 2011, 19 (18), pp.17250-17259. ⟨10.1364/OE.19.017250⟩. ⟨hal-01068762⟩
• Abdelkrim El Amili, B.-X. Miranda, Fabienne Goldfarb, Ghaya Baili, Gilles Beaudoin, et al.. Observation of Slow Light in the Noise Spectrum of a Vertical External Cavity Surface-Emitting Laser. Physical Review Letters, 2010, 105, pp.223902. ⟨10.1103/PHYSREVLETT.105.223902⟩. ⟨hal-00658842⟩
• Ghaya Baili, Loïc Morvan, Mehdi Alouini, Daniel Dolfi, Fabien Bretenaker, et al.. Experimental demonstration of a tunable dual-frequency semiconductor laser free of relaxation oscillations. Optics Letters, 2009, 34 (21), pp.3421. ⟨10.1364/OL.34.003421⟩. ⟨hal-00664805⟩
• Ghaya Baili, Mehdi Alouini, Thierry Malherbe, Daniel Dolfi, Isabelle Sagnes, et al.. Direct observation of the class-B to class-A transition in the dynamical behavior of a semiconductor laser. EPL – Europhysics Letters, 2009, 87 (4), pp.44005. ⟨10.1209/0295-5075/87/44005⟩. ⟨hal-00665029⟩

Thèses

• Kevin Audo. Étude théorique et expérimentale des lasers solides bi-fréquences auto-régulés en bruit d’intensité via des non-linéarités intracavité. Optique [physics.optics]. Université de Rennes, 2018. Français. ⟨NNT : 2018REN1S002⟩. ⟨tel-01720039⟩
• Anwar Kerchaoui. Réalisation d’un VECSEL pompé électriquement faible bruit et étude des boîtes quantiques pour la réalisation d’un VECSEL bi-fréquence. Optique [physics.optics]. Université de Rennes, 2022. Français. ⟨NNT : 2022REN1S016⟩. ⟨tel-03813851⟩