# Oscillateur opto-électronique intégrant une cavité ULE asservie par “tilt-locking”

Brian Sinquin, Marc Vallet, Ludovic Frein, Clara Artur, Marco Romanelli, Mehdi Alouini

► To cite this version:

Brian Sinquin, Marc Vallet, Ludovic Frein, Clara Artur, Marco Romanelli, et al. Oscillateur opto-électronique intégrant une cavité ULE asservie par “tilt-locking”. Journée du Club Optique Microondes, LAAS Toulouse (Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes), Société Française d’Optique, Jun 2025, Toulouse, France. hal-05120292

HAL Id: hal-05120292

https://hal.science/hal-05120292v1

Submitted on 19 Jun 2025

HAL is a multi-disciplinary open access
archive for the deposit and dissemination of sci-
entific research documents, whether they are pub-
lished or not. The documents may come from
teaching and research institutions in France or
abroad, or from public or private research centers.

L'archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
destinée au dépôt et à la diffusion de documents
scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
émanant des établissements d'enseignement et de
recherche français ou étrangers, des laboratoires
publics ou privés.

<figure><img src="image_1.png" /></figure>

Distributed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License
# Oscillateur opto-électronique intégrant une cavité ULE asservie par « tilt-locking ».

Brian Sinquin¹,², Marc Vallet¹*, Ludovic Frein¹, Clara Artur¹, Marco Romanelli¹, Mehdi Alouini¹

1. Université de Rennes, CNRS, Institut FOTON - UMR 6082, F-35000 Rennes, France

2. Max-Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy, Max-Born Straße 2A, 12489 Berlin,

*marc.vallet@univ-rennes.fr

Les oscillateurs opto-électroniques (OEO) génèrent des ondes de très grande pureté spectrale dans le domaine radiofréquence (RF), typiquement [1 ; 300] GHz. Cette pureté est liée au facteur de qualité de l'oscillateur, égal à $Q = \pi f_0 \tau$, où $f_0$ est la fréquence RF de l'oscillateur et $\tau$ le temps de stockage de l'onde dans la ligne à retard. Habituellement, $\tau$ correspond au temps de parcours dans une bobine de fibre optique kilométrique [1]. Cependant, l'utilisation de fibres optiques comme ligne à retard conduit à des résonances très proches espacés de $1/\tau$ (de l'ordre de qq dizaines de kHz). Pour s'affranchir des remontées de bruits associées à des modes non-oscillants, il est alors nécessaire d'utiliser des filtres RF très étroits ainsi qu'un filtrage interférométrique opto-RF [2]. Notons que ces bobines relativement encombrantes limitent également les possibilités d'intégration des OEO.

Une alternative est de remplacer la bobine fibrée de l'OEO par une cavité Fabry-Perot vide de très grande finesse (pour maximiser $\tau$), cette cavité constituant un filtre photonique associant les deux fonctions de retard et de filtre RF [3]. De plus, dans ce cas, $f_0$ ne présente plus les dérives induites par les variations thermiques ou acoustiques d'indice dans les fibres. Par contre, il est nécessaire de verrouiller la fréquence $v_L$ du laser d'injection sur une résonance de la cavité au moyen d'une contre-réaction opto-électronique. La méthode généralement utilisée est la technique de Pound-Drever-Hall (PDH) qui implique une électronique rapide et l'ajout d'un modulateur de phase. Or, il existe une autre technique beaucoup moins courante, la méthode de « tilt-locking » (TL) [4], qui permet de s'affranchir de cette électronique et du modulateur. Dans ce contexte, nous présentons ici la preuve de concept d'une architecture d'OEO incluant à la fois une cavité ultrastable de grande finesse (ULE) et un asservissement TL (Fig. 1).

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Fig. 1 : Schéma de principe.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Fig. 2 : Amplitude du signal d'erreur lorsque $v_L$ varie autour d'une résonance.</figcaption></figure>

La cavité en ULE utilisée présente un intervalle spectral libre de 5,9 GHz et une finesse de 160000. Elle est injectée par une diode laser à cavité étendue (RIO Planex) amplifiée. Une boucle opto-RF, de longueur L=20 m, constituée d'une photodiode rapide PD, d'un déphaseur réglable, d'un amplificateur RF et d'un modulateur d'intensité EOM conduit à une oscillation monofréquence à 5,9 GHz lorsque $v_L$ est verrouillée sur une fréquence de résonance.

L'asservissement TL consiste à faire interférer sur une photodiode segmentée en deux cadrans (SPD) les réflexions du mode résonant TEM₀₀ et du mode non-résonant TEM₀₁, chaque cadran de la photodiode détectant un lobe du mode TEM₀₁ [3]. Le signal d'erreur $\epsilon$ est alors obtenu par soustraction des deux photocourants (Fig.2) et la correction par rétroaction PID sur le courant de la diode laser.
Malgré des perturbations extérieures significatives dues à un montage sur table ne bénéficiant d'aucune isolation thermique ni phonique, la fréquence de la diode laser reste à résonance pendant plusieurs heures, validant l'intérêt d'utiliser dans ce contexte la méthode TL.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Fig. 3 : Bruit de phase de $f_0$. PID optimisé pour limiter le bruit i) haute-fréquence (noir), ii) basse fréquence (rouge).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Fig. 4 : Spectrogramme du signal RF.</figcaption></figure>

Le bruit de phase associé à $f_0$ est représenté sur la Fig. 3. Comme attendu par l'utilisation d'un filtre photonique, il ne présente pas de pics aux fréquences multiple de c/L = 15 MHz. Par contre, le bruit de phase dépend des paramètres PID de la boucle. Concernant les dérives long-terme, elles sont inférieures à 4 Hz.s⁻¹ (Fig. 4). Nous mesurons une déviation d'Allan de 3 10⁻¹⁰ à 1 s [5]. L'utilisation du TL abouti donc à des performances similaires à celles obtenues avec PDH en termes de stabilité long-terme [3,6]. Différents tests sont en cours sur le montage pour étudier quantitativement l'influence du réglage du PID sur le bruit de phase. A terme, le TL pourrait permettre l'intégration d'un OEO performant et compact en évitant l'utilisation de fibre optique et en tirant parti des mini-cavité ULE maintenant disponibles [7].

**Remerciements :**

Ce projet a bénéficié du soutien financier de l'Agence Nationale de la Recherche (22-PEEL-0008 (PEPR Électronique - OROR)), et de la Région Bretagne, FEDER et Rennes Métropole dans le cadre du CPER PhotBreizh.

**Références :**

[1] X. Yao and L. Maleki, "Optoelectronic oscillator for photonic systems," IEEE Journal of Quantum Electronics 32(7), 1141 (1996).

[2] O. Lelievre, V. Crozatier, P. Berger, G. Baili, O. Llopis, D. Dolfi, P. Nouchi, F. Goldfarb, F. Bretenaker, L. Morvan, and G. Pillet, "A model for designing ultralow noise single- and dual-loop 10-GHz optoelectronic oscillators," J. Lightwave Technol. 35(20), p.4366 (2017).

[3] M. Bagnell, J. Davila-Rodriguez, and P. J. Delfyett, "Millimeter-wave generation in an optoelectronic oscillator using an ultrahigh finesse etalon as a photonic filter," J. Lightwave Technol. 32(6), p.1063 (2014).

[4] N. Chabbra, A. R. Wade, E. Rose Rees, A. J. Sutton, A. Stochino, R. L. Ward, D. A. Shaddock, and K. McKenzie, "High stability laser locking to an optical cavity using tilt locking," Opt. Lett. 46(13), p.3199 (2021). And refs. in.

[5] B. Sinquin, M. Vallet, M. Romanelli, and M. Alouini, "Optoelectronic Oscillator combining a high-finesse cavity and tilt-locking stabilization", IEEE Photon. Technol. Lett. 37(6), p.321 (2025).

[6] P. Merrer, K. Saleh, O. Llopis, S. Berneschi, F. Cosi, and G. Nunzi Conti, "Characterization technique of optical whispering gallery mode resonators in the microwave frequency domain for optoelectronic oscillators", Appl. Opt. 51(20), p.4742 (2012).

[7] Y. Liu et al., "Low-noise microwave generation with an air-gap optical reference cavity," APL Photonics 9(1), p. 010806 (2024).