vincent crozatier optique et matériaux pour le traitement de l’information
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Développement de lasers solides agiles ultra-stables pour la manipulation cohérente de systèmes atomiques. Applications au traitement optique de signaux RF et à l'information quantique. Vincent Crozatier Optique et matériaux pour le traitement de l’information. Laser. EOM. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Développement de lasers solides agiles ultra-stables pour la manipulation
cohérente de systèmes atomiques.
Applications au traitement optique de signaux RF et à l'information quantique.
Vincent Crozatier
Optique et matériaux pour le traitement de l’information
Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006
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Signaux radiofréquences
Traitement
Radioastronomie Spectroscopie sub-millimétrique
RADAR Détection Contre-détection
CO2
H2O
Large bandeFiltrage complexe
EOMLaser
Faibles pertesImmunité électromagnétique
PertesParasitesDistorsion
Faible dispersionCapacité large bande
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Liaisons: sources bas bruit Intensité
Baïli et al., Opt. Lett. 31 (2006) 62 Phase
Brunel et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 16 (2004) 870
Traitement: filtrage Génération de retard
Liu et al., Appl. Opt. 42 (2003) 2273 Tonda-Goldstein et al., Microwave Photonics (2004) 28
Filtrage large bande Arain et al., Appl. Opt. 45 (2006) 2428
Opérations clefs
TraitementEOMLaser
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Analyse spectrale large bande
(1) Saperstein et al., Opt. Lett. 29 (2004) 501(2) Lavielle et al., J. Lumin. 107 (2004) 263(3) Gorju et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 17 (2005) 2385
V. Laviellethèse 2004
G. Gorjuthèse 2007
Bande passante
Nombre de canaux
Probabilité d’interception
Temps d’accès
Dynamique
Autocorrélateur numérique
< GHz
100
100 %
msintégration
50 dB
Autocorrélateur analogique
3 GHz
100
100 %
> 10 msintégration
40 dB
Spectromètre
acousto-optique
1 GHz
2 000
100 %
mslecture CCD
30 dB
Spectromètre
fibres optiques (1)
7 GHz
10 ?
?
limité par TF
?
Projection spatiale
(2)
3 GHz
100 + zoom
50 %
mslecture CCD
33 dB
Creusement spectral
(3)
10 GHz
10 000
50 %
mslecture
32 dB
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Capacités Large bande Haute résolution Tout analogique
Traitement de signaux RF Analyse spectrale
Crozatier et al., IEEE J. Quantum Electron. 40 (2004) 1450
Corrélations Harris et al., Opt. Lett. 25 (2000) 85 Harris et al., Appl. Opt. 45 (2006) 343
Génération de formes arbitraires Barber et al., Opt. Express 10 (2002) 1145
Retard / mémoire Reibel et al., J. Lumin. 98 (2002) 355
Cristaux dopés aux ions de terre rare
Traitement cohérent
Source laser
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Plan
I – Principe de l’analyseur
II – Analyse spectrale large bande
III – Laser agile en fréquence
Conclusion et perspectives
Architecture proposée
EOMLaser
RF
Processeuroptique
Laserprogrammation
Détecteurrapide
Principe de l’analyseur
Cristaux dopés aux ions de terre rare Échos de photons Algorithme de chirp
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Un exemple : Tm3+:YAG 793 nm Γinh = 25 GHz Γh = 150 kHz à 5 K
Γinh
Γh
laser
fréquence
abs
orp
tion
|f >
|e >Aux basses températures (< 5K)
Γinh>> Γh
Cristaux dopés aux ions de terre rare
Bande passante Résolution
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Le cristal Er3+:Y2SiO59
80
nm
1,6
4 –
1,4
8 µ
m
4I11/2
4I13/2
4I15/2
Propriétés50 ppm / T = 1,7 K / B = 2,2 T
λ = 1536,12 nm Γinh = 2 GHz Γh = 2 kHz T2 = 150 µs T1 = 10 ms
1,48
µm
1,52
6 µ
m
1,53
6 µ
m
1,64
µm
Y1
Z1
Effet Starkchamp cristallin
Y7
Z8
……
a b c d
Effet Zeemanchamp externe
gY1 µB B
gZ1 µB B4I15/2:Z1-
4I13/2:Y1-
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Échos de photons
t12 t12
écho
temps
référence objetsonde
image
t23<T2 <T1
fréquence
abso
rptio
n
1/t12
Holographie spatiale Holographie temporelle
Temps de vie Cohérences Populations
Efficacité de diffractionEécho/Electure ~ %
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Algorithme de chirp
Gravure Lecture
temps
ν’
ν
fréquence
abso
rptio
n
t12(ν) = Cst + νr
│Eecho(t)│² = │ẼRF(F=rt)│²
-F/r F/r
Echo
-r
t12’
t12
+F
-F
t12
t12’
-2r +2r
fréq
uenc
e
Crozatier et al., IEEE J. Quantum Electron. 40 (2004) 1450
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Contraintes sur le laser
temps
fréq
uenc
e
< Γinh
< T2
Contraintes du cristal Temps de vie des cohérences Largeur inhomogène
ν’
ν t12
t12’
r ~ GHz/µs = 1015 Hz/s !+ précision < résolution+ cohérence en phase
Analyse spectrale large bande
Montage expérimental Résultats
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Montage expérimental
PDEDFAMZ
Mo
du
late
urs
Aco
ust
oo
ptiq
ue
s
O
F
temps
fré
qu
en
cela
ser
Écho
RF
Er:YSO
1,7 K – 2,2 T
3 G
Hz
Gravure Lecture
50 µs 50 µs
AO1
Impulsions
AO2
Porte
22 µs 22 µs Ts
Laser
Chirp
λ = 1536 ,12 nm 15 mW
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Analyse large bande
Fréquence (GHz)0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Sig
na
l (u
.a.)
Performances spectrales Bande passante : 1,5 GHz Précision < 20 kHz Résolution : 67 kHz
24 000 canaux spectraux!
Dynamique 32 dB (25 dB) >25 dB @ 1 MHz
899,6 900,0 900,4
0,0
0,4
0,8
Fréquence (MHz)
Sig
na
l (u
.a.) 67 kHz
30 dB
1 MHz
Crozatier et al., Opt. Lett., soumis
899,4 900,0 900,8Fréquence (MHz)
Sig
na
l (u
.a.)
10-4
10-3
10-2
10-1
100
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RésuméLarge bande
Bande passante1,5 GHz
Largeur inhomogène
Résolution 50 kHzPhotodiode
Nombre de canaux 24 000
Temps d’accès Limité par TF
Probabilité d’interception
15 µs/100ms
Dynamique 32 dB
Potentielles
3 GHz
Rampes de tension
<20 kHzPrécision du chirp
>150 000
Limité par TF
100 % ?
Première démonstration de traitement optique cohérent large bande
Architecture de la cavité Caractérisation des chirps Asservissement dynamique des chirps
Laser agile en fréquence
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Architecture de la cavité
diodelaser
fréquence
pertes
Littrow:λL= 2 a sinθ
ISL = c/2L
1/nb traits
réseau
θordre -1
ordre 0
fréq
uenc
e du
lase
r
temps
ISL
Balayages en fréquence 10 GHz en 10 µs Précision << MHz
Diode laser en cavité étendue
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Ménager et al., Opt. Lett. 25 (2000) 1246
Accordabilité électro-optiqueCristal électro-optique
Balayages en fréquence 10 GHz en 10 µs Précision << MHz
Cristal électro-optique Contrôle électrique Indépendant de la diode Grande bande passante
Asservissements Crozatier et al., Opt. Commun. 241 (2004) 203
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Réalisation Pureté
Largeur de raie < 2 kHz Stabilité < MHz sur 1 ms
Accordabilité Électrique: 8,5 MHz/V Balayages
jusqu’à 8 GHz en 500 µs jusqu’à 3 GHz en 5 µs
E. Ducloux, C. Gagnol
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Caractérisation des chirps
Gorju et al., Eur. Phys. J. Appl. Phys. 30 (2005) 175
Laser PD
Ti
(t)= 0 + r.t (t)
(t - Ti)
Battement : fb = r.Ti
+ (t) + (t)
+ (t - Ti)
+ (t) - (t - Ti)
Titemps
fréq
uenc
e
r
fb
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Chirps verrouillés en phase
OLfiltre de boucle
détecteur de phase
Le retard de l’interféromètre : Ti
Propagation : le plus court possible Précision sur le chirp : le plus long possible Fréquence de battement
Ti = 250 ns (fibre de 60 m)
fb = r.Ti
Laser
Tirampes de tension
PDEO
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Pureté du chirp
Bruits techniques Phase du battement
14.8 15.2 15.6 16.0 16.4 16.8
0
20
40
60
80
100
Am
plitu
de (
mV
)
Fréquence (MHz)
3 GHz50 µs
20 kHz
12 14 16 18 20
-80
-60
-40
-20
Am
plitu
de (
dBV
)
Fréquence (MHz)
2,5 MHz
30 dB
~ 7° rms
0
45
90
Pha
se d
u b
atte
me
nt (
°)
Temps (µs)90 100 110 120 130 140
-90
-45
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Effets sur l’algorithme de chirp
25 µs 25 µs 50 µs
Temps
fréq
uenc
edu
lase
r
3 G
Hz
Gravure lecture
-20 -10 0 10 20 30
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Sig
nal (
V)
Temps (ns)
écho = TF
10 µs
100 kHz
Erreur de fréquence pendant le chirp
<< 100 kHz / 3 GHz
Conclusions Perspectives
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Conclusion Traitement optique cohérent large bande
Première démonstration 1,5 GHz (largeur inhomogène de la transition) 24 000 canaux spectraux
Fenêtre télécom
Développement de sources lasers agiles Architecture électro-optique
Contrôle électrique de la fréquence Asservissement du chirp
Boucle à verrouillage de phase rapide Excellente précision du chirp sur plusieurs GHz
IEEE J. Quantum Electron. 40 (2004) 1450Opt. Lett., soumis
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Mais aussi… Sources lasers agiles
Architecture guidée Meilleure stabilité Meilleur sensibilité (55 MHz/V)
Asservissement de fréquence fixe Boucle de Pound – Drever – Hall Largeur de raie sub-kHz
Echos de photons en milieu amplificateur Première démonstration dans un cristal dopé aux ions de terre rare
Meilleur rendement Capacité de cyclage
Application à l’analyse spectrale Dynamique de l’écho de photons (diffusion spectrale)
et ultra-stables
IEEE Photon. Technol. Lett., accepté
Opt. Commun. 241 (2004) 203
Opt. Lett.. 30 (2005) 1288
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Perspectives
Plus de bande passante Cristal
Gradient de champ magnétique Er:LiNbO3, Er:Eu:YSO
Laser (Sensibilité 8,5 MHz/V) Amplificateur électronique (1 kV en 10 µs) Nouvelles technologies (architecture guidée) jusqu’à 250 MHz/V
Probabilité d’interception Configuration non-coplanaire Répétition de la lecture
Nouvelles architectures Génération de formes arbitraires Renversement temporel
Γinh ~ 10 GHz
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Merci ! Labo
Les ChefsPierre Pillet, Fabien, Ivan, Jean-Louis
Les services techniquesPatrice, Henri, Daniel, (mécanique), Bruno (BE), Roger, Alain, Arnaud (électronique)
Les thésards et autres stagiairesLa Guite, Bichon, Vince, Fred, Nassim, Thibault, Matthieu, Aurélie, Carine, Pierre, Oualid, Elodie, Haikel, Jérôme, Téodor, Hien, Jamil…
Collaborateurs ‘Financiers’
X. Grison (DGA), ONR Scientifiques
E. Ducloux, C. Gagnol (NetTest), D. Dolfi, G. Baili, L. Morvan, S. Tonda Goldstein (TRT), W. Sohler, B. K. Das (Paderborn), P. Goldner, O. Guillot-Noël (ENSCP), K. Bencheick, E. Baldit (LPN), T. Böttger, R. Cone, K. Wagner, W.R. Babbitt (USA) …
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