Towards Space Grade Lasers for Sr Atomic Clock Applications: Fabrication and Characterization of a DFB Tm PM Fiber Laser with a Novel Single Polarization Single Frequency Design

Les lasers monofréquences jouent un rôle fondamental dans diverses applications en passant par la métrologie, les senseurs et les télécommunications. Depuis quelques années, ils jouent un rôle crucial dans la nouvelle génération d’horloges atomiques, les horloges optiques. Celles-ci promettent de belles avancées scientifiques tant fondamentales, e.g., quantique, unité de base SI, qu’appliquées, e.g., satellites, métrologie, en particulier celles basées sur l’atome de strontium (Sr87). Les horloges optiques actuelles nécessitent des systèmes encombrants basés sur de l’optique en espace libre. Une réduction de la taille et une augmentation de la fiabilité sont souhaitables pour accroître leur accessibilité et leur utilisation dans de nouvelles installations telles que dans l’espace. Les lasers fibrés monofréquences offrent les avantages souhaités, mais les spécifications du laser pour l’horloge de Sr87 posent plusieurs défis de conception dans la fibre optique. Les principaux défis proviennent de la haute puissance requise à la longueur d’onde du réseau optique à 813 nm, ainsi que du besoin d’utiliser une fibre à maintien de polarisation pour tout le système, particulièrement dans la fibre de gain. Dans cette étude, nous proposons un nouveau montage pour un laser monofréquence à polarisation linéaire unique basé sur un réseau de Bragg à rétroaction répartie dans de la fibre dopée au Thulium (Tm) à maintien de polarisation avec un réseau de Bragg externe. Ce dernier est discriminatif en polarisation et permet ainsi une opération à polarisation unique du laser lorsqu’en phase. Contrairement aux lasers à cavités courtes, notre laser permet une plus grande longueur de fibre active et ne requiert pas d’épaisseuses de pointes. Le laser développé qui émet à 1742 nm s’insèrera avec un laser 1530 nm dans un système combinant MOPA (Master optical power amplifier) et effets non-linéaires pour générer la longueur d’onde du réseau optique requise à 813.420 nm. L’étude démontre tout d’abord la faisabilité du laser à rétroaction répartie dans la fibre dopée au Tm. Des simulations du plan de conception montrent les paramètres clés à contrôler pour le bon fonctionnement du laser soit la longueur de la cavité externe, la phase, la température puis l’accord en longueur d’onde. Enfin, l’étude démontre la robustesse de son opération monofréquence à polarisation unique face aux perturbations de phase et de température testé sur une plage de 11 GHz. Une puissance de sortie au-dessus de la puissance minimum requise de 1 mW est observée.