Brevet FR3082670A1 — publié le 20191220

VERROUILLAGE D'UN LASER SUR UN RESONATEUR AVEC L'AIDE D'UN AMPLIFICATEUR OPTIQUE L'invention concerne le verrouillage en fréquence d'une source laser, et plus particulièrement la génération de signaux électriques microondes par voie optique grâce à des oscillateurs optoélectroniques. Pour des applications d'optique hyper-fréquence, des oscillateurs électroniques ou optoélectroniques peuvent être utilisés. L'utilisation d'oscillateurs optoélectroniques est privilégiée, car contrairement aux oscillateurs électroniques, ils permettent d'obtenir un signal optique pouvant transporter l'information en espace libre ou dans un gaz. Avec des signaux optiques, il est également possible d'obtenir une transmission à faible perte et de générer un retard avec des fibres optiques afin d'augmenter le facteur de qualité de l'oscillateur. De plus, un oscillateur optoélectronique permet d'obtenir de très faibles bruits de phase à température ambiante grâce aux faibles pertes qui peuvent être meilleures que des solutions basées uniquement sur des composants électroniques. Les oscillateurs optoélectroniques les plus courants comprennent une source laser, un modulateur et une photodiode. Le modulateur reçoit un signal optique de la part de la source laser et un signal électrique. Au passage dans le modulateur, le signal électrique est converti en signal optique, qui est modulé et éventuellement retardé si une grande longueur de fibre optique (par exemple, de quelques mètres à quelques kilomètres) est placée en sortie du modulateur. Ce signal optique modulé est ensuite converti en signal électrique par une photodiode. Une partie de ce signal converti est réinjectée dans le modulateur (Yao et al., « Optoelectronic oscillator for photonic system», IEEE Journal of Quantum Electronics, 32 : 1141-1149, 1996). Ces oscillateurs présentent, cependant, quelques inconvénients : ils peuvent être encombrants, notamment à cause de la longueur de fibre optique, et instables, notamment à cause des variations de température influençant les performances de la fibre optique. C'est pourquoi, les auteurs Savchenkov et al. (Savchenkov et al. « Whispering-gallery mode based opto-electronic oscillators », IEEE International Frequency Control Symposium, 1-4 juin 2010) et Liang et al. (Liang et al. « Whispering-gallery-mode-resonator-based 2 ultranarrow linewidth external-cavity semiconductor laser », Optics letters, 35:2822, 2010) utilisent un résonateur optique à mode de galerie à la place de la fibre optique. Le résonateur optique à mode de galerie et plus généralement les générateurs optiques vont permettre de générer un retard du signal grâce aux nombreux allers-retours effectués par le 5 signal dans la cavité du résonateur. Pour un même retard généré, il présente également l'avantage d'être moins encombrant qu'une fibre optique. Cependant pour que l'oscillateur optoélectronique fonctionne, il est nécessaire que la source laser soit capable de se verrouiller par injection sur l'un des modes de résonance du résonateur afin que la lumière du laser ait une fréquence optique correspondant à une fréquence optique de résonnance 10 du résonateur et puisse ainsi se propager dans le résonateur. Dans ces deux documents, les auteurs utilisent donc un résonateur optique à mode de galerie à fort facteur de qualité ainsi qu'un prisme pour qu'une partie du signal sortant du résonateur soit réfléchie à la source laser. La fréquence de ce signal réfléchi est une fréquence appartenant à l'un des modes de résonance de la cavité du résonateur. La source laser se verrouille alors par injection sur une 15 fréquence d'un des modes de résonance et les pertes de l'oscillateur optoélectronique sont réduites. Ce dispositif reste cependant contraignant car il nécessite l'utilisation d'un résonateur à fort facteur de qualité. Pour améliorer la stabilité d'un oscillateur, il est également possible de verrouiller une source laser sur un des modes de résonance d'un résonateur en utilisant un système de 20 Pound-Drever-Hall (Saleh et al. « Phase noise performance comparison between optoelectronic oscillators based on optical delay lines and whispering gallery mode resonators », Optics Express, 22 : 32158-32173, 2014). Le principe de ce système est de mesurer la fréquence du signal en sortie de la source laser dans une cavité de Fabry-Perrot et de renvoyer cette mesure à la source laser pour supprimer les fluctuations en fréquence. 25 Donc en améliorant la fréquence mesurée du signal, on améliore en même temps la pureté du signal renvoyé vers le laser. Ce système est assez complexe à mettre en place car il faut à la fois pouvoir mesurer la fréquence de la source laser et à la fois ajuster cette fréquence, cela étant fait de manière électronique. Il présente un inconvénient supplémentaire car il applique une modulation de phase du signal. 30 L'invention vise à remédier aux problèmes précités de l'art antérieur et plus particulièrement, elle vise à proposer un système laser peu encombrant, verrouillé sur une 3 fréquence, et ne nécessitant pas de résonateur optique de facteur de qualité important. Le système laser selon l'invention peut s'appliquer aux oscillateurs optoélectroniques, mais plus généralement, il peut s'appliquer à tout système souhaitant verrouiller une source laser à une cavité résonante. Un objet de l'invention est donc un système laser caractérisé en ce qu'il comprend une source laser présentant une plage de verrouillage autour d'une fréquence libre, un résonateur optique, placé en sortie de la source laser, présentant un mode de résonance compris dans la plage de verrouillage de la source laser, et un amplificateur optique générant de l'émission spontanée à la fréquence dudit mode de résonance compris dans la 10 plage de verrouillage de la source laser, le résonateur étant agencé de manière à ce qu'il soit couplé avec la source laser et l'amplificateur. Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention : L'intervalle spectral libre du résonateur est tel que la moitié de la largeur de la plage de verrouillage de la source laser est supérieure ou égale à la moitié de 15 l'intervalle spectral libre ; L'intervalle spectral libre du résonateur est supérieur à la moitié de la largeur de la plage de verrouillage de la source laser ; - La source laser est un laser à semi-conducteurs ou un laser à fibre ; L'amplificateur optique est un amplificateur à semi-conducteurs ou un 20 amplificateur à fibre ; Le système laser comprend un modulateur optique placé entre la source laser et le résonateur, de manière à ce que le modulateur soit couplé avec la source laser et le résonateur, la fréquence de modulation du modulateur étant un multiple entier de l'intervalle spectral libre du résonateur optique ; et 25 Le modulateur optique est intégré à la source laser. Un autre objet de l'invention est un oscillateur optoélectronique caractérisé en ce qu'il comprend un système laser selon l'invention et une photodiode convertissant un signal optique en signal électrique, la photodiode étant placée en sortie dudit amplificateur optique et ledit modulateur étant connecté à la sortie de la photodiode. 4 Selon des modes de réalisation particuliers : - La source laser, l'amplificateur optique, la photodiode, le modulateur et le résonateur optique sont implantés sur une même puce optoélectronique ; et - La source laser, l'amplificateur optique, la photodiode et le modulateur sont 5 implantés sur une première puce optoélectronique, qui peut être en semi- conducteur III-V, et le résonateur optique est implanté sur une seconde puce optique, qui peut être en silicium.. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux figures annexées et qui représentent respectivement : 10 - La figure 1, un système laser selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - La figure 2, un système laser selon un second mode de réalisation de l'invention ; La figure 3, un oscillateur optoélectronique selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; et La figure 4, un oscillateur optoélectronique selon un quatrième mode de réalisation 15 de l'invention. La figure 1 présente un système laser selon un mode de réalisation de l'invention. Une source laser SL émet un signal optique S de fréquence libre fo. La plage de verrouillage par injection optique de la source laser SL est [fo -M; fo + Mt où Af est la moitié de la largeur de la plage de verrouillage et est donnée par l'équation (1). Elle correspond à la plage de 20 fréquence, autour de la fréquence libre fo, dans laquelle la source laser SL peut se verrouiller spectralement par injection. Af = lAfoal fol = Vh1'e(1+4) (1) + Où fA est la fréquence du signal optique injecté à la source laser SL (fréquence du signal EAR dans la figure 1), fo la fréquence libre d'émission de la source laser SL, c la vitesse de la 25 lumière dans le vide, ng l'indice de réfraction de groupe dans la structure laser, L la longueur de la cavité laser, r un facteur lié aux pertes de couplage, le le taux d'injection et ail le facteur d'amélioration de la largeur de ligne (ou facteur d'Henry) (Bordonalli et al., « Optical injection locking to optical frequency combs for superchannel coherent detection », Optics Express, 23 : 1547-1557, 2015). 5 Le signal S est transmis à un résonateur optique R. Ce résonateur optique a un intervalle spectral libre ISL. Afin que la source laser SL soit couplée avec le résonateur R, celui-ci possède au moins un mode de résonance dont la fréquence est comprise dans la plage de verrouillage de la source laser SL. Le signal S effectue plusieurs allers-retours au sein de la 5 cavité du résonateur R, et le signal en sortie du résonateur R, noté SR, peut être un peigne de fréquences optiques, ou plus particulièrement un train d'impulsions, présentant des retards ou un signal continu. En effet, si le spectre optique de la source laser SL est monochromatique, s'il n'y a pas d'effets non-linéaires dans le résonateur R et s'il n'y a pas d'autres signaux, autres que le signal issu de la source laser SL, injectés dans le résonateur, 10 alors le signal en sortie du résonateur sera un signal continu. S'il y a des effets non-linéaires dans le résonateur, le signal en sortie du résonateur R est un peigne de fréquences optiques. Dans le cas d'un train d'impulsions, la première impulsion du train d'impulsions présente un retard d'un temps correspondant à un aller dans la cavité et les autres impulsions du train présentent, par rapport à cette première impulsion, des retards qui sont des multiples 15 entiers du temps correspondant à un aller-retour dans la cavité. Ce signal SR correspond, en domaine spectral, à un peigne de raies optiques espacées d'une fréquence ISL. Le signal SR passe ensuite dans un amplificateur optique A générant de l'émission spontanée EA. Le signal sortant de l'amplificateur A (SRA) est un peigne de raies optiques amplifié, espacées d'une fréquence ISL. Le rayonnement issu de l'émission spontanée EA se propage dans 20 toutes les directions, notamment dans la direction du résonateur R. De plus, la plage spectrale de l'émission spontanée EA comprend au moins un des modes de résonance du résonateur R, qui est compris dans la plage de verrouillage de la source laser SL (ffo - af ; fo + Afj), et comprend la fréquence libre fo de la source laser SL. L'amplificateur A est donc couplé avec le résonateur R. En sortant du résonateur R, l'émission spontanée EA devient le 25 signal EAR qui est, dans le domaine spectral, un peigne de raies optiques espacées d'une fréquence ISL. Ce peigne EAR est injecté à la source laser SL et comprend au moins une raie optique de fréquence comprise dans la plage de verrouillage de la source laser SL ([f° - Af ; fo + af]). Cela permet ainsi de verrouiller la source laser SL sur une des fréquences d'un mode de résonance du résonateur R, cette fréquence appartenant à l'intervalle [fo- Af ; fo + àfj. 30 Il est possible que la fréquence optique de la source laser SL se trouve exactement entre deux modes de résonance du résonateur R. Par conséquent, afin de s'assurer que, même 6 dans ce cas, au moins un mode de résonance du résonateur R soit compris dans la plage de verrouillage de la source laser SL, il faut que la moitié de la largeur de la plage de verrouillage, c'est-à-dire M, de la source laser SL soit supérieure ou égale à la moitié de l'intervalle spectral libre ISL du résonateur R, c'est-à-dire 15172 inférieur ou égal à Af. Il n'est 5 cependant pas essentiel que cette condition soit satisfaite, du moment que l'écart entre la fréquence optique fo et au moins un mode du résonateur est inférieur ou égal à M, moitié de la largeur de la plage de verrouillage. De plus, afin de minimiser le nombre de modes de résonance appartenant à la plage de verrouillage, la moitié de la largeur de la plage de verrouillage, Af, de la source laser SL est inférieure à l'intervalle spectral libre ISL du 10 résonateur R, c'est-à-dire M ISL, il peut y avoir plusieurs modes de résonance compris dans la plage de verrouillage de la source laser SL. Dans ce cas, c'est le mode présentant la fréquence la plus proche de la fréquence libre fo de la source laser SL qui donnera lieu au verrouillage. 15 L'amplificateur optique A peut être un amplificateur à semi-conducteurs, un amplificateur optique à fibre ou un amplificateur à état solide. L'amplificateur à état solide peut contenir des verres dopés aux terres rares, pouvant être mis sous la forme de fibre. L'amplificateur A est, par exemple, un amplificateur optique à fibre dopée erbium, car le spectre d'émission spontanée de cet amplificateur couvre une gamme de fréquence 20 suffisamment large pour couvrir plusieurs modes de résonance d'un résonateur optique. La source laser SL peut être un laser à semi-conducteurs, car ce type de laser est capable de se verrouiller à une fréquence par simple injection. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la source laser peut être un laser à fibres ce qui permet d'avoir un signal en sortie de la source laser de puissance plus élevée 25 qu'avec un laser à semi-conducteurs. La figure 2 présente un système laser selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. La source laser SL est verrouillée sur un mode de résonance du résonateur R selon les conditions précisées dans la description de la figure 1. Un modulateur optique M est placé entre la source laser SL et le résonateur optique R. La fréquence de modulation fM 30 du modulateur est égale à l'intervalle spectral libre ISL du résonateur R ou à une de ses 7 harmoniques, c'est-à-dire que la fréquence fM est de la forme fM = N x ISL, avec N un entier naturel strictement positif. En effet, le signal sortant du modulateur comprend des bandes latérales espacées de la fréquence fM et centrées sur fo, or si la fréquence de modulation fM n'est pas égale à l'intervalle spectral libre ISL ou à une de ses harmoniques, il est possible 5 qu'une partie du signal sortant du modulateur M n'appartienne à aucun mode de résonance du résonateur R. Dans ce cas, cette partie du signal ne serait pas couplée à un des modes du résonateur et serait alors perdue. Une photodiode P est placée en sortie de l'amplificateur A pour convertir le signal optique sortant de l'amplificateur A en signal électrique. Le modulateur M reçoit en entrée un signal électrique Seiec. Le signal Seiecidt' en sortie de la 10 photodiode P est le signal électrique Sel' filtré par voie optique par le résonateur R. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le modulateur M est intégré à la source laser SL. La figure 3 présente un oscillateur optoélectronique selon un troisième mode de réalisation de l'invention. L'oscillateur comprend un système laser tel que celui décrit en 15 figure 2. Le signal électrique Selecidtre sortant de la photodiode P est envoyé vers un coupleur électrique CE, avec éventuellement un passage dans un filtre électrique FE. Le coupleur CE permet d'envoyer une partie du signal électrique Selecidtre vers la sortie de l'oscillateur 50 et l'autre partie du signal vers l'entrée électrique du modulateur M. Le filtrage du signal Seiec par voie optique et le rebouclage du signal Seiec filtré, noté Selecjiltre en sortie de la 20 photodiode P, sur le modulateur M permettent de réaliser un oscillateur opto-électronique générant des signaux de très grande pureté spectrale, grâce à la source laser SL verrouillée sur une fréquence. La figure 4 représente un oscillateur optoélectronique selon un quatrième mode de réalisation de l'invention. La source laser L, le modulateur optique M, l'amplificateur optique 25 A et la photodiode D sont implantés sur une puce optoélectronique en semi-conducteur III-V PSC. Le résonateur optique R est implanté sur une autre puce optique en silicium PSI. Un guide optique FO qui peut être une fibre optique est implanté sur les deux puces pour guider le signal optique 50 sortant de la source laser L. De l'émission spontanée EA est émise par l'amplificateur optique A. Les éléments sont implantés sur deux puces différentes afin de 8 réduire les pertes. Le signal optique SO est converti par la photodiode D en signal électrique Selec, qui est ensuite envoyé en entrée du modulateur M. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les éléments composant l'oscillateur peuvent être implantés sur la même puce optoélectronique, REVENDICATIONS1, Système laser caractérisé en ce qu'il comprend : - Une source laser présentant une plage de verrouillage autour d'une fréquence libre fo ; Un résonateur optique, placé en sortie de la source laser, présentant un mode de résonance compris dans la plage de verrouillage de la source laser ; et - Un amplificateur optique générant de l'émission spontanée à la fréquence dudit mode de résonance compris dans la plage de verrouillage de la source laser, Le résonateur étant agencé de manière à ce qu'il soit couplé avec la source laser et l'amplificateur. 2. Système laser selon la revendication 1, dans lequel l'intervalle spectral libre du ateur ISL est tel que la moitié de la largeur de la plage de verrouillage de la source laser est supérieure ou égale à la moitié de l'intervalle spectral libre ISL. 3. Système laser selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'intervalle spectral libre du résonateur ISL est supérieur à la moitié de la largeur de la plage de verrouillage de la source laser. 20 4. Système aser selon l'une des revendications précédentes dans lequel la source laser est un laser à semi-conducteurs ou laser à fibres. 25 5. Système laser selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'ampl optique est un amplificateur à semi-conducteurs. 6. Système laser selon l'une des e dicati à 4 dans lequel ledit amplificateur optique est un amplificateur à fibre. 30 7. Système laser selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le système comprend un modulateur optique, placé entre la source laser et le résonateur, de manière à ce que le modulateur soit couplé avec la source laser et le résonateur, la fréquence de modulation fm du modulateur étant un multiple entier de l'intervalle 5 spectral libre ISL du résonateur optique. 8. Système laser selon la revendication 7 dans lequel ledit modulateur optique est intégré à la source laser. 10 9. Oscillateur optoélectronique caractérisé en ce qu'il comprend z - Un système laser selon l'une des revendications 7 à 8 ; et - une photodiode convertissant un signal optique en signal électrique, la photodiode étant placée en sortie dudit amplificateur optique et ledit modulateur étant connecté à la sortie de la photodiode. 10. Oscillateur optoélectronique selon la revendication 9, dans lequel ladite source laser, ledit amplificateur optique, ladite photodiode, ledit modulateur et ledit résonateur optique sont implantés sur une même puce optoélectronique. 11. Oscillateur optoélectronique selon la revendication 9, dans lequel ladite source laser, ledit amplificateur optique, ladite photodiode et ledit modulateur sont implantés sur une première puce optoélectronique, et ledit résonateur optique est implanté sur une seconde puce optique. 12. Oscillateur optoélectronique selon la revendication 11 dans lequel la seconde puce optique d'implantation est en silicium. 13. Oscillateur optoélectronique selon l'une des revendications 11 et 12 dans lequel la première puce optoélectronique d'implantation est en semi-conducteur III-V.