Rapport spécial : Technique de préfeed-back de Pound–Drever–Hall : Réduction du bruit de phase laser au-delà du feedback

Auteurs : Yu-Xin Chao, Zhen-Xing Hua, Xin-Hui Liang, Zong-Pei Yue, Li You, Meng Khoon Tey
Institution : Laboratoire d’État de Physique Quantique en Basse Dimension, Département de Physique, Université Tsinghua, Pékin, Chine
Revue : Optica
Date de publication : 9 juillet 2024
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I. Contexte de la recherche

Au cours des dernières décennies, l’apparition de lasers à bande étroite verrouillés en fréquence sur une cavité optique ultra-stable a ouvert la voie à une série de technologies révolutionnaires telles que la détection des ondes gravitationnelles, les horloges optiques, la génération de micro-ondes photoniques à ultra-faible bruit, le contrôle de qubits atomiques à haute fidélité, la synthèse cohérente de molécules ultrafroides et la recherche de la matière noire et des variations des constantes fondamentales. Au cœur de toutes ces applications se trouve une méthode de discrimination et de verrouillage de fréquence appelée technique de Pound–Drever–Hall (PDH). Cette technique convertit l’écart entre le laser et la fréquence de résonance de la cavité en un signal électrique adapté au feedback rapide. Combinée à une cavité optique ultra-stable de haute qualité, la technique de feedback PDH est maintenant couramment utilisée pour réaliser des systèmes laser à bande ultra-étroite.

Cependant, tout mécanisme de feedback introduit intrinsèquement un retard temporel, ce qui limite sa bande passante de feedback. Le bruit aux fréquences dépassant la bande passante de feedback non seulement ne peut pas être supprimé, mais peut également être amplifié, formant ce qu’on appelle une “servitude”. Pour les applications d’horloges optiques, la solution courante à ce problème est d’utiliser une cavité optique pour le filtrage spectral, mais cette méthode présente des limitations de puissance, entre autres. Elle est encore plus sensible dans la génération de micro-ondes photoniques et les portes quantiques à haute fidélité en calcul quantique.

Pour résoudre ces problèmes, notre équipe de recherche a proposé une nouvelle méthode de préfeed-back qui réutilise le signal résiduel PDH lorsque le laser est verrouillé sur la cavité et le réinjecte dans le champ de sortie du laser pour réaliser une suppression du bruit de phase à haute fréquence. Avec cette méthode simple et directe, notre étude démontre des performances de suppression du bruit dans une plage de plusieurs MHz, dépassant de quatre ordres de grandeur la méthode de feedback PDH traditionnelle.

II. Source de l’article

Cet article a été co-réalisé par Yu-Xin Chao, Zhen-Xing Hua, Xin-Hui Liang, Zong-Pei Yue, Li You et Meng Khoon Tey du Laboratoire d’État de Physique Quantique en Basse Dimension de l’Université Tsinghua et publié dans la revue Optica le 9 juillet 2024. Il est à noter que les premiers auteurs Yu-Xin Chao et Zhen-Xing Hua ont contribué de façon égale à la recherche et à la rédaction de l’article.

III. Méthode expérimentale

1. Processus expérimental

Dans la technique PDH, les configurations de feedback traditionnelles comprennent : - L’utilisation d’un oscillateur local (Local Oscillator, LO) et d’un modulateur électro-optique (Electro-Optic Modulator, EOM1) pour la modulation de phase, générant des bandes latérales de fréquence. - Le traitement différent de la réflexion des bandes latérales éloignées de la fréquence de résonance et du porteuse proche de la résonance. - L’utilisation d’une photodiode à avalanche (Avalanche Photodiode, APD) pour détecter la battement entre les bandes latérales réfléchies et la porteuse. - La conversion de l’écart entre le laser et la fréquence de résonance de la cavité en un signal d’erreur dispersif adapté au verrouillage de fréquence via un mélangeur et un filtre passe-bas (Low-Pass Filter, LP).

Dans le contrôle par feedback traditionnel, ce signal d’erreur passe par un filtre PID (Proportionnel-Intégral-Dérivé) avant d’être appliqué au laser pour réaliser le verrouillage de fréquence. Dans la méthode de préfeed-back, notre étude réinjecte le signal d’erreur résiduel PDH dans le laser.

2. Conception et réalisation de l’expérience

Lors de l’expérience, l’équipe de recherche a utilisé un laser à diode à cavité externe (External Cavity Diode Laser, ECDL) à 1013 nm, une cavité à faible expansion ultra-stable (ULE) de largeur à mi-hauteur de 14.5 kHz, une fibre optique de 20 mètres de long et deux filtres de boucle faits maison (PID et P). L’équipe a comparé le spectre de puissance du signal battement entre le laser de sortie passant par EOM2 et celui filtré par la cavité. Les résultats montrent que, sur une certaine plage de fréquences (de plusieurs centaines de kHz à quelques MHz), le bruit de phase est considérablement réduit avec le signal de préfeed-back.

IV. Résultats de la recherche

1. Suppression du bruit de phase à haute fréquence

À travers une série d’expériences, l’équipe de recherche a démontré la capacité significative de suppression du bruit de phase de la méthode de préfeed-back PDH. Dans la plage de fréquences au-dessus de 500 kHz, le niveau de bruit de phase après préfeed-back était nettement inférieur au bruit de détection, indiquant que la méthode de préfeed-back excelle dans la suppression du bruit de phase à haute fréquence.

2. Performances de réduction du bruit

Pour valider l’efficacité de la méthode de préfeed-back, l’équipe a introduit artificiellement des signaux de modulation de phase sinusoïdales faibles à différentes fréquences de modulation (fin). Les résultats expérimentaux montrent une suppression du bruit de plus de 30 dB entre 10 kHz et 4 MHz, atteignant un maximum de 43 dB. Bien qu’il y ait une certaine atténuation aux hautes fréquences, ces performances restent significativement supérieures aux techniques de préfeed-back précédentes.

V. Principe de fonctionnement

Le fondement théorique de la méthode de préfeed-back repose sur le fait que les signaux d’erreur PDH résiduels à différentes fréquences contiennent toutes les informations spectrales du bruit de phase du laser. Par conséquent, un filtre de boucle à gain constant peut être utilisé pour les réinjecter dans le laser pour compenser le bruit de phase. En fixant le gain de préfeed-back dans les expériences, le signal de préfeed-back interfère avec le laser pour annuler le bruit de phase haute fréquence.

VI. Limites de performance et directions d’amélioration

L’équipe de recherche indique que la longueur de la fibre optique, le gain de la boucle et la stabilité du système influencent la performance du préfeed-back. Pour de meilleurs résultats, il est proposé de stabiliser la puissance transmise par la cavité optique, d’utiliser des circuits de préfeed-back plus rapidement pour réduire les délais, et d’éviter les fibres optiques trop longues. En outre, l’équipe propose certaines directions d’amélioration potentielles, comme l’optimisation des configurations expérimentales pour améliorer la suppression du bruit à haute fréquence.

VII. Conclusion

L’équipe de recherche a validé expérimentalement l’utilisation du signal PDH pour réaliser un préfeed-back, permettant une suppression efficace du bruit de phase laser à des fréquences plus élevées. La combinaison du contrôle par feedback et par préfeed-back permet désormais à la méthode PDH de réaliser une suppression inégalée du bruit de phase laser des fréquences continues jusqu’à quelques dizaines de MHz. Comparé aux méthodes de préfeed-back précédentes, la méthode de préfeed-back PDH ne nécessite pas de détection en phase ou en quadrature supplémentaire pour détecter le bruit de phase, et est plus robuste face aux changements de trajet optique et au bruit d’intensité. De plus, comme le préfeed-back PDH n’est pas limité par la puissance transmise par la cavité, il est possible d’utiliser une cavité optique à bande étroite pour réaliser une suppression optimale du bruit basse fréquence. L’équipe de recherche indique que cette nouvelle méthode a un potentiel énorme pour les applications laser haute stabilité nécessitant une sortie de haute puissance et un faible bruit de phase dans une plage de plusieurs dizaines de MHz.