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.

Abstract

Single frequency lasers are essential in diverse applications such as metrology, sensors, and telecommunications. In recent years, they have played a key role in the development of new atomic clocks, optical clocks. These systems show great promise for fundamental scientific breakthroughs, e.g., quantum, SI units’ definition as well as for applications, e.g., satellites, metrology, in particular optical clocks based on Sr87. Current optical clocks require bulky systems based on free space optics. Improvements in compactness and reliability are desired to increase their accessibility and broaden their environment usage such as in space. Single frequency fiber lasers offer such advantages. However, the laser specification requirements for Sr87 atomic clock lead to multiple design challenges. They mainly arise from the high power required at the optical lattice wavelength of 813 nm and from the use of polarization maintaining fiber, including the gain fiber. In this work, we propose a new design for a single frequency (SF) single linear polarization (SP) laser based on a distributed feedback (DFB) laser in thulium (Tm) fiber with an external fiber Bragg grating (FBG). This external FBG discriminates in wavelength thus allowing single polarization laser operation when in phase. Unlike short-cavity lasers, our developed laser enables usage of a longer active fiber and does not require cutting-edge splicing equipment. The laser emits at λ = 1742 nm and will be integrated in a MOPA system with a 1530 nm laser. Their combined usage with non-linear optics will achieve the required optical lattice wavelength of 813.420 nm. This work demonstrates the feasibility of a DFB laser in polarization maintaining Tm fiber. Simulations based on the proposed design then highlight key parameters for robust single polarization single frequency laser operation. These parameters are the external cavity length, the phase, the temperature uniformity, and the wavelength tuning. Finally, we demonstrate robust SPSF operation under strain and temperature tuning and a desired output power of 1 mW output power.