Résultat de la recherche
Towards compact ultralow phase noise lasers and microwave signals based on new approaches
Aujourd'hui, les signaux micro-ondes à bruit de phase le plus faible sont générés optiquement par division de fréquence d'une référence optique ultra-stable utilisant un peigne de fréquence femtoseconde. Dans l'approche couramment utilisée, la référence optique ultra-stable est obtenue par stabilisation en fréquence d'un laser sur une cavité optique à très faible coefficient d’expansion thermique, et la division en fréquence est effectuée en stabilisant optiquement un laser à verrouillage de mode au laser ultra-stable. Ces deux sous-systèmes sont assez complexes et encombrants, mais ils ont démontré des performances de pointe.
Dans cette thèse, des approches alternatives ont été étudiées pour la génération de micro-ondes à faible bruit basées sur un schéma d'oscillateur de transfert. Dans une première partie, une nouvelle méthode inspirée du concept de l'oscillateur de transfert a été développée et validée pour caractériser la fréquence d’offset (décalage de phase entre la porteuse et l’enveloppe, carrier-envelope offset en anglais, CEO) d’un peigne de fréquence optique sans s'appuyer sur la méthode traditionnelle d'auto-référencement et donc sans le besoin d’un spectre optique couvrant une octave de fréquence, qui est difficile à générer notamment avec des peignes à fréquence de répétition élevée. Cette méthode a ensuite été appliquée avec succès pour caractériser trois différents types de peignes de fréquence optiques générés à partir d'un laser à semi-conducteur à verrouillage de mode, d'un laser à l'état solide pompé par diode avec un taux de répétition de 25 GHz et d'un laser à cascade quantique émettant dans la région spectrale de l’infrarouge moyen.
En modifiant et en améliorant cette technique, on a démontré et caractérisé la génération d'un signal hyperfréquence à bruit de phase ultra-faible basé sur un oscillateur de transfert. La méthode a également été mise en œuvre à l'aide d'un micro-résonateur à peigne de Kerr pour une première démonstration de principe.
En outre, la stabilisation en fréquence d'un laser continu à cascade quantique émettant dans l'infrarouge moyen sur une ligne à retard optique est présentée pour la première fois et conduit à une largeur de raie inférieure à 10 kHz en utilisant un montage en espace libre. La même approche peut être appliquée dans le proche infrarouge avec un long délai utilisant des fibres optiques, donnant la possibilité d'atteindre une largeur de raie au niveau du hertz.
Les technologies développées dans cette thèse sont des composants attrayants pour les futurs générateurs de micro-ondes compacts à très faible bruit., Today, the lowest phase noise microwave signals are generated optically by frequency division of an ultra-stable optical reference using a femtosecond frequency comb. In the commonly used approach, the ultra-stable optical reference is obtained by frequency-stabilizing a laser to a high-finesse ultra-low expansion optical cavity, and the frequency division is performed by optically locking a mode-locked laser to the ultra-stable laser. Both sub-systems are fairly complex and cumbersome, but have demonstrated state-of-the-art performance.
In this thesis, alternative approaches have been investigated for low-noise microwave generation based on a transfer oscillator scheme. In a first part, a novel method inspired by the transfer oscillator concept has been developed and validated to characterize the offset frequency of a comb spectrum without relying on the traditional self-referencing method and, thus, without requiring an octave-spanning spectrum that is challenging to be generated, especially with high repetition rate frequency combs. This method has then been successfully applied to characterize three different types of comb spectra from a semiconductor mode-locked laser, a diode-pumped solid-state laser with 25-GHz repetition rate, and a quantum cascade laser frequency comb emitting in the mid-infrared spectral region.
By modifying and improving this scheme, ultra-low phase noise microwave signal generation based on a transfer oscillator was demonstrated and characterized. The method was also implemented with a micro-resonator Kerr-comb for a first proof-of-principle demonstration of frequency division performed with a Kerr comb.
In addition, frequency stabilization of a mid-infrared quantum cascade laser to an optical delay-line is presented for the first time and led to a sub-10-kHz linewidth using only a meter-scale free-space delay-line. The same approach can be applied in the near-infrared with a long fiber delay with the potential to achieve Hz-level linewidth.
The technologies developed in this thesis are attractive components for future compact ultra-low noise microwave generators.
Frequency Noise Characterization of a 25-GHz Diode-Pumped Mode-Locked Laser With Indirect Carrier-Envelope Offset Noise Assessment
We present a detailed frequency noise characterization of an ultrafast diode-pumped solid-state laser operating at 25-GHz repetition rate. The laser is based on the gain material Er:Yb:glass and operates at a wavelength of 1.55 μm. Using a beating measure-ment with an ultralow-noise continuous-wave laser in combination with a dedicated electrical scheme, we measured the frequency noise properties of an optical mode of the 25-GHz laser, of its repetition rate and indirectly of its carrier-envelope offset (CEO) signal without detecting the CEO frequency by the standard approach of nonlinear interferometry. We ob-served a strong anticorrelation between the frequency noise of the indirect CEO signal and of the repetition rate in our laser, leading to optical modes with a linewidth below 300 kHz in the free-running laser (at 100-ms integration time), much narrower than the individual contributions of the carrier envelope offset and repetition rate. We explain this behavior by the presence of a fixed point located close to the optical carrier in the laser spectrum for the dominant noise source.
Power Spectrum Computation for an Arbitrary Phase Noise Using Middleton’s Convolution Series: Implementation Guideline and Experimental Illustration
In this paper, we revisit the convolution series initially introduced by Middleton several decades ago to determine the power spectrum (or spectral line shape) of a periodic signal from its phase noise power spectral density. This topic is of wide interest, as it has an important impact on many scientific areas that involve lasers and oscillators. We introduce a simple guideline that enables a fairly straightforward computation of the power spectrum corresponding to an arbitrary phase noise. We show the benefit of this approach on a computational point of view, and apply it to various types of experimental signals with different phase noise levels, showing a very good agreement with the experimental spectra. This approach also provides a qualitative and intuitive understanding of the power spectrum corresponding to different regimes of phase noise.