Vincent Crozatier Optique et matériaux pour le traitement de l’information

1. 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

2. Laser EOM Signaux radiofréquences CO2 H2O • Radioastronomie • Spectroscopie sub-millimétrique • RADAR • Détection • Contre-détection Pertes Parasites Distorsion Traitement Large bande Filtrage complexe Faibles pertes Immunité électromagnétique Faible dispersion Capacité large bande Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

3. Laser EOM Traitement Opérations clefs • 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 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

4. Analyse spectrale large bande V. Lavielle thèse 2004 G. Gorju thèse 2007 (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 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

5. Cristaux dopés aux ions de terre rare • 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 Traitement cohérent  Source laser Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

6. Laser programmation Plan Architecture proposée RF I – Principe de l’analyseur II – Analyse spectrale large bande III – Laser agile en fréquence Conclusion et perspectives Processeur optique Détecteur rapide Laser EOM Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

7. Principe de l’analyseur Cristaux dopés aux ions de terre rare Échos de photons Algorithme de chirp

8. Un exemple : Tm3+:YAG 793 nm Γinh = 25 GHz Γh = 150 kHz à 5 K laser Γinh Γh Cristaux dopés aux ions de terre rare |e > • Aux basses températures (< 5K) • Γinh>> Γh absorption |f > fréquence  Bande passante  Résolution Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

9. Propriétés 50 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 Effet Stark champ cristallin Effet Zeeman champ externe Y7 … 4I11/2 4I13/2 gY1 µB B Y1 980 nm 1,536 µm 1,526 µm 1,64 µm 1,48 µm 1,64 – 1,48 µm a b c d Z8 4I15/2 … Z1 gZ1 µB B Le cristal Er3+:Y2SiO5 4I13/2:Y1- 4I15/2:Z1- Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

10. t12 t12 t23 écho 1/t12 absorption fréquence Échos de photons • Holographie temporelle • Holographie spatiale <T2 <T1 référence sonde objet temps image • Temps de vie • Cohérences • Populations • Efficacité de diffraction Eécho/Electure~ % Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

11. t12’ +F t12’ -F -2r +2r t12 -r t12 ν’ ν -F/r F/r ν t12(ν) = Cst + r absorption fréquence Algorithme de chirp Gravure Lecture Echo fréquence temps │Eecho(t)│² = │ẼRF(F=rt)│² Crozatier et al., IEEE J. Quantum Electron. 40 (2004) 1450 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

12. Contraintes du cristal Temps de vie des cohérences Largeur inhomogène < T2 t12’ < Γinh t12 ν’ ν Contraintes sur le laser fréquence temps  r ~ GHz/µs = 1015 Hz/s ! + précision < résolution + cohérence en phase Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

13. Analyse spectrale large bande Montage expérimental Résultats

14. Chirp RF Laser AO1 AO2 λ = 1536 ,12 nm Impulsions Porte Gravure Lecture 3 GHz 50 µs 50 µs Ts 22 µs 22 µs Montage expérimental Er:YSO 1,7 K – 2,2 T MZ EDFA PD 15 mW Écho fréquence laser temps Modulateurs Acousto optiques O F Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

15. 1 MHz 67 kHz 100 0,8 10-1 30 dB Signal (u.a.) 0,4 Signal (u.a.) 10-2 0,0 10-3 899,6 900,0 900,4 10-4 Fréquence (MHz) 899,4 900,0 900,8 Fréquence (MHz) Analyse large bande • 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 1,0 0,8 0,6 Signal (u.a.) 0,4 0,2 0,0 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 Fréquence (GHz) Crozatier et al., Opt. Lett., soumis Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

16. Résumé Première démonstration de traitement optique cohérent large bande Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

17. Laser agile en fréquence Architecture de la cavité Caractérisation des chirps Asservissement dynamique des chirps

18. réseau θ Littrow: λL= 2 a sinθ 1/nb traits fréquence du laser ISL temps ISL = c/2L Architecture de la cavité ordre -1 • Balayages en fréquence • 10 GHz en 10 µs • Précision << MHz  Diode laser en cavité étendue diode laser ordre 0 pertes fréquence Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

19. Balayages en fréquence 10 GHz en 10 µs Précision << MHz Cristal électro-optique Contrôle électrique Indépendant de la diode Grande bande passante  Asservissements Cristal électro-optique Accordabilité électro-optique Ménager et al., Opt. Lett. 25 (2000) 1246 Crozatier et al., Opt. Commun. 241 (2004) 203 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

20. E. Ducloux, C. Gagnol 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 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

21. r fréquence fb n(t - Ti) Ti temps n(t) Caractérisation des chirps Ti + e(t - Ti) Laser PD + e(t) n(t)= n0 + r.t + e(t)  Battement : fb = r.Ti + e(t) - e(t - Ti) Gorju et al., Eur. Phys. J. Appl. Phys. 30 (2005) 175 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

22. Ti rampes de tension fb = r.Ti PD EO Laser filtre de boucle détecteur de phase OL Chirps verrouillés en 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) Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

23. Bruits techniques Phase du battement 100 2,5 MHz -20 80 30 dB 20 kHz 60 90 -40 Amplitude (dBV) Amplitude (mV) 40 45 -60 20 Phase du battement (°) 0 -80 0 -45 14.8 12 15.2 14 15.6 16 16.0 18 16.4 20 16.8 Fréquence (MHz) Fréquence (MHz) -90 90 100 110 120 130 140 Temps (µs) Pureté du chirp 3 GHz 50 µs ~ 7° rms Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

24. 1,0 100 kHz 0,8 0,6 Signal (V) 0,4 0,2 0,0 -20 -10 0 10 20 30 Temps (ns) Effets sur l’algorithme de chirp Gravure lecture 50 µs 25 µs 25 µs fréquence du laser écho = TF 3 GHz Temps 10 µs  Erreur de fréquence pendant le chirp << 100 kHz / 3 GHz Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

25. Conclusions Perspectives

26. 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) 1450 Opt. Lett., soumis Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

27. Mais aussi… et ultra-stables • 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) IEEE Photon. Technol. Lett., accepté Opt. Commun. 241 (2004) 203 Opt. Lett.. 30 (2005) 1288 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

28. 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 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

29. Merci ! • Labo • Les Chefs Pierre Pillet, Fabien, Ivan, Jean-Louis • Les services techniques Patrice, Henri, Daniel, (mécanique), Bruno (BE), Roger, Alain, Arnaud (électronique) • Les thésards et autres stagiaires La 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) … • Tous les autres ! Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006