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Stabilisation d’un laser à cascade quantique sur un laser femto-seconde à fibre

- 6 juillet 2010 -

La gamme de fréquences dans l’infrarouge lointain qui s’étend entre l’optique et les micro-ondes reste largement inexploitée par les technologies des semiconducteurs. C’est le « gap terahertz » qui s’étend de 1 à 10 térahertz (THz) environ, soit de 300 à 30 microns en terme de longueur d’onde. Dans ce contexte les Lasers à Cascades Quantiques (ici QCL) offrent un fort potentiel en tant que nouvelles sources de rayonnement THz. Il s’agit de lasers à semi-conducteur à pompage électrique, donc extrêmement compacts et à basse consommation de puissance.
Si les QCLs ont pu combler, au moins partiellement, le gap THz en tant que sources cohérentes à semi-conducteur, le manque de détecteurs à la fois sensibles, rapides et fonctionnant a température ambiante, reste chronique dans cette gamme de fréquences. Le travail de l’équipe QUAD de MPQ démontre qu’une détection similaire à celle des ondes radio (c’est à dire dans la gamme MHz) peut être poussée jusqu’aux ondes THz. En effet grâce à la collaboration avec le laboratoire LNE-SYRTE de l’Observatoire de Paris, les chercheurs ont démontré que la fréquence d’émission ainsi que la phase des QCL THz peuvent être stabilisées avec une technique à la fois robuste et de simple implémentation, qui utilise un laser femto-seconde à fibre.

Le véritable avantage de cette technique est de permettre la détection cohérente de lasers à cascade quantique avec un rapport signal sur bruit de 100 millions pour un temps d’intégration d’une seconde. C’est une performance remarquable, jamais atteinte par une technologie basée sur des composants commerciaux. À ce jour elle peut être obtenue seulement à l’aide de détecteurs refroidis à des températures cryogéniques et basés sur des capteurs supra-conducteurs. Cette technique ouvre les portes à des applications telles que la détection cohérente de lasers à cascade quantique THz ou la mise en phase simultanée de plusieurs lasers à cascade quantique pour réaliser un balayage de faisceaux électronique.

Figure :

Spectre Radio-Fréquence (RF) illustrant le verrouillage en phase d’un laser QCL émettant a une fréquence de 2.7THz, à l’n-ième harmonique du taux de répétition d’un laser fs a fibre, dopée Erbium. La résolution en fréquence utilisée est de 1Hz, ce qui correspond a la limite de l’Analyseur de Spectre employé. Cette mesure démontre qu’environ 90% de la puissance émise par le QCL est verrouillée, ce qui amène à un signal de détection avec un rapport signal/bruit de 100 millions (80dBm).

Contact :

Stefano Barbieri.
stefano.barbieri@univ-paris-diderot.fr

Référence :

Phase-locking of a 2.7 terahertz quantum cascade laser to a mode-locked erbium-doped fibre laser.

Stefano Barbieri, Pierre Gellie, Giorgio Santarelli, Lu Ding, Wilfried Maineult, Carlo Sirtori, Raffaele Colombelli, Harvey Beere, David Ritchie.
Nature Photonics, publié en ligne le 20 Juin 2010.

DOI 10.1038/NPHOTON.2010.125.