FR2655781A1 - Circuit de stabilisation de la frequence d'emission d'une diode laser et diode laser stabilisee. - Google Patents

Abstract

Le circuit de stabilisation de la fréquence d'émission de la diode laser (2) comprend un modulateur (12, 16) pour produire un signal de modulation fm , et un discriminateur de fréquence (6) présentant un pic d'absorption linéaire à une fréquence fo correspondant à la fréquence d'émission de la diode laser, ce discriminateur recevant le signal modulé. Il comprend également un détecteur synchrone (14) démodulant le signal délivré par le discriminateur (6) à une fréquence (2n+1).fm , où n est un entier non nul, le signal démodulé constituant un signal de correction commandant le moyen d'alimentation (4) de la diode laser. Application en spectroscopie, métrologie de longueur et de fréquence, et télécommunications.

Description

La présente invention concerne un circuit de stabilisation de la fréquence d'émission d'une diode laser. Elle concerne également une diode laser munie d'un tel circuit de stabilisation.

Les diodes laser sont utilisées dans de nombreux domaines tels que la spectroscopie, la métrologie de longueur et de fréquence, et les télécommunications.

Dans ces applications, il est nécessaire de contrôler de manière précise la fréquence d'émission de la diode laser, puisque la stabilité à long terme et la précision souhaitées sont de l'ordre de 10-7.

Or, on sait que la fréquence d'émission d'une diode laser dépend fortement de la température et du courant d'alimentation. Par exemple, pour une diode laser GaAlAs à A = 780 nm, la variation relative de la fréquence est typiquement de 3-10 4 / K et de 1-10 4 / mA.

Pour qu'une diode laser puisse être utilisée efficacement dans les domaines susmentionnés, il est donc nécessaire de stabiliser sa fréquence en l'asservissant sur une fréquence de référence indépendante.

Une technique classique de stabilisation est decrite dans l'article "A simple rubidium-stabilised laser diode for interferometric application" de G. Barwood et al. paru dans J. Phys. E. Sci.

Instrum., vol 21 (1988), 966-971, et notamment au paragraphe 3 "Frequency stabilisation".

La frequence de référence est fournie par une cellule d'absorption à gaz de rubidium. Plus généralement, cette fréquence de référence pourrait être fournie par tout discriminateur de fréquence présentant un pic d'absorption bien marqué.

Le signal émis par la diode laser est dirigé vers le discriminateur de fréquence après avoir été modulé à une fréquence m qui est typiquement de quelques centaines de hertz. Le signal sortant du discriminateur de fréquence est reçu dans un détecteur synchrone fonctionnant à la fréquence f . L'amplitude et la phase du signal résultant déterminent l'intensité et le signe du signal de correction qui doit être appliqué au moyen d'alimentation en courant de la diode laser pour maintenir sa fréquence égale à celle du pic d'absorption du discriminateur de fréquence.

Cette technique est adaptée aux cas ou la courbe de réponse du discriminateur de fréquence ne se superpose à aucun signal parasite ou, au plus, à un signal parasite constant. En effet, le centre de la courbe de réponse du discriminateur, c'est-à-dire le pic d'absorption, est alors confondu avec le point ou la dérivée première s'annule. C'est précisément sur ce point que, dans la technique susmentionnée, la fréquence d'émission de la diode laser est asservie.

En pratique cependant, dans le cas des diodes laser, la courbe de réponse du discriminateur de fréquence se superpose à un signal parasite dont l'intensité varie avec la frequence du signal émis par la diode laser. Ceci provient de la variation d'intensité lumineuse qui accompagne la modulation de frequence de la diode laser. Elle a pour conséquence un décalage de fréquence de la diode laser asservie, qui dépend de paramètres difficiles à contrôler tels que la caractéristique intensité lumineuse - courant d'alimentation de la diode laser, la transmission optique du discriminateur de fréquence, etc.

L'invention a pour but de remédier aux inconvénients des techniques connues de stabilisation de fréquence des diodes laser, et en particulier de supprimer le décalage en fréquence qui apparat dans la technique décrite ci-dessus.

A cette fin, l'invention consiste à modifier la technique décrite de manière à faire une détection synchrone du signal délivré par le discriminateur de fréquence, non plus à la fréquence de modulation fm mais à une fréquence (2n+1)fm, ou n est un entier non nul.

Selon l'invention, la fréquence de la diode laser est asservie sur la fréquence correspondant au point de la courbe de réponse du discriminateur ou la dérivée 3eme de cette courbe s'annule. La fréquence sur laquelle la diode laser est asservie est alors indépendante d'un bruit de fond ou d'un signal parasite variant de manière linéaire avec la fréquence. On supprime ainsi l'influence de la caractéristique de la diode laser (puissance variable avec la fréquence) et on s'affranchit des variations à long terme de la pente de ce bruit de fond causé par les variations de la caractéristique de la diode laser (vieillissement) ou du discriminateur de fréquence (vieillissement, fluctuation de températures, ..).

De manière précise, l'invention a pour objet un circuit de stabilisation de la fréquence d'émission d'une diode laser comprenant un modulateur pour moduler à une fréquence f le signal émis par la diode laser, un discriminateur présentant un pic d'absorption linéaire à une fréquence fO proche de la fréquence d'emission de la diode laser, ce discriminateur recevant ledit signal modulé, et un moyen de correction delivrant un signal de correction de la fréquence d'émission de la diode laser en fonction du signal délivré par ledit discriminateur, ledit circuit de stabilisation étant caractérisé en ce que ledit moyen de correction comporte un détecteur synchrone démodulant le signal délivré par ledit discriminateur à une fréquence (2n+1) fm, ou n est un entier non nul.

L'invention a également pour objet une diode laser stabilisée comprenant une diode laser, un circuit d'alimentation et un tel circuit de stabilisation.

il est important de noter que le recours à la 3eme harmonique évoqué dans l'article de G. Barwood et al. cité plus haut pour supprimer un bruit de fond en pente est totalement différent de l'invention. En effet, ce passage de l'article ne concerne pas la stabilisation de la fréquence de la diode laser mais l'observation du spectre sans effet Doppler (voir p. 98 "Observation of Dopplerfree components").

Au contraire, l'invention porte sur l'emploi de la 3eme harmonique en relation avec un spectre d'absorption linéaire, i.e. non saturé, et le bruit de fond supprimé ne dépend pas de la technique utilisée mais résulte de la caractéristique de la diode laser elle-même.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, en référence aux dessins annexés, sur lesquels
- la figure 1 est un diagramme illustrant la courbe de réponse d'un discriminateur de fréquence en présence d'un bruit de fond linéaire et en l'absence d'un tel bruit de fond, et
- la figure 2 représente schematiquement une diode laser équipée d'un circuit de stabilisation selon l'invention.

La fréquence d'émission de la diode laser est stabilisée, de manière connue, sur une fréquence de référence extérieure fournie par un discriminateur de fréquence. Ce dernier peut être notamment un interféromètre de Fabry-Perot ou une cellule d'absorption atomique ou moléculaire, telle qu'une cellule à gaz de rubidium ou de césium.

On a représenté sur la figure 1 la courbe de réponse d'un tel discriminateur de fréquence, c'est-à-dire l'intensité lumineuse I transmise en fonction de la fréquence fd du signal émis par la diode laser. Ce discriminateur présente un pic d'absorption de fréquence f.

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La courbe (a) illustre le cas idéal où la courbe de réponse est exempte de bruit de fond et la courbe (b) le cas réel où un bruit de fond essentiellement linéaire (c) se superpose à la courbe de réponse.

Avec la technique classique mentionne plus haut, qui consiste à moduler le signal de la diode laser à une fréquence f avant son entrée dans le discriminateur de fréquence et à faire une détection synchrone avec un demodulateur de même fréquence fm la fréquence d'émission de la diode laser se stabilise sur la frequence correspondant au maximum d'absorption.

Par définition, le maximum d'absorption correspond à la fréquence fO du pic d'absorption du discriminateur pour la courbe de reponse (a). On constate sur la figure 1 que, dans le cas réel, le maximum d'absorption a lieu pour une fréquence fb qui est inférieure (lorsque, comme on l'a représenté, le bruit de fond croit avec la fréquence) à la fréquence fO. Par conséquent, avec la technique classique, on se cale en pratique sur une fréquence différente de la fréquence voulue.

L'invention permet de supprimer ce décalage. Ceci est obtenu en démodulant le signal sortant du discriminateur de fréquence non plus à la fréquence de modulation f , mais à une fréquence multiple (2n+i).fm, où n est un entier non nul.

On obtient ainsi, après demodulation, un signal de correction E centré sur l'intensité correspondant à la fréquence f0 et dont l'amplitude et la phase déterminent la correction à appliquer pour que le signal module S émis par la diode laser soit calé sur la fréquence fO.

Une diode laser équipée d'un circuit de stabilisation conforme à l'invention est représentée schématiquement sur la figure 2.

Cette diode laser 2 émet un signal dont la fréquence dépend de l'intensité du courant reçu d'un moyen d'alimentation 4. Le signal émis par la diode laser 2 traverse un discriminateur de frequence 6 vers un détecteur 8. Le discriminateur de fréquence peut être notamment un interféromètre de Fabry-Perrot, une cellule d'absorption à gaz atomique ou moléculaire ou autre. il présente un pic d'absorption à la fréquence d'émission f0 désirée de la diode laser.

Le détecteur 8 peut être par exemple une cellule photoelectrique. Le signal électrique délivré par le détecteur est reçu dans un moyen 10 d'amplification et de mise en forme.

Le signal d'émission de la diode laser 2 est classiquement module à basse frequence (typiquement quelques centaines de hertz), avant d'être reçu dans le discriminateur de fréquence 6. Cette modulation est produite par un oscillateur 12. Le signal de modulation de fréquence fm peut être appliqué, comme représente sur la figure 2, sous forme de signal de commande de modulation du moyen d'alimentation 4. On pourrait également utiliser un signal de modulation optique; ce signal serait alors combiné avec le signal émis par la diode laser, par exemple au moyen d'un modulateur acoustooptique.

Le signal modulé délivre par le moyen 10 est reçu dans un sélecteur synchrone 14 effectuant une démodulation à la fréquence
Comme on l'a représenté sur la figure 2, les signaux de modulation et de démodulation peuvent être produits par un oscillateur 12 de fréquence 3 fm ce signal étant ensuite traité par un diviseur par trois 16 pour l'obtention du signal de modulation de fréquence fm.

Le signal délivré par le detecteur synchrone constitue le signal de correction appliqué sur l'entrée de commande du moyen d'alimentation. Ce signal de correction est de préférence filtré par un filtre passe-bas 18, ou un intégrateur. De même, le signal de modulation délivré par le diviseur 16 peut être filtré par un filtre passe-bas 20, ou un intégrateur, avant d'etre appliqué sur l'entrée de commande de modulation du moyen d'alimentation.

A titre d'exemple, pour une fréquence de modulation m de 558 Hz, on peut utiliser pour le filtre 18 un ensemble constitué par un filtre passe-bande de Legendre du 4ème ordre, avec une largeur de bande de 30 % à 1673 Hz et un filtre passe-haut de Cauer du gemme ordre, avec des zéros à 558 et 1116 Hz, et pour le filtre 20 un filtre passe-bas de Legendre du 8eme ordre à 634 Hz.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Circuit de stabilisation de la frequence d'emission d'une diode laser (2) comprenant un modulateur (12, 16) pour moduler à une fréquence m le signal émis par la diode laser, un discriminateur (6) présentant un pic d'absorption linéaire à une fréquence fO correspondant à la fréquence d'émission désirée de la diode laser, ce discriminateur (6) recevant ledit signal modulé, et un moyen de correction délivrant un signal de correction de la fréquence d'émission de la diode laser en fonction du signal délivré par ledit discriminateur, ledit circuit de stabilisation étant caractérisé en ce que ledit moyen de correction comporte un détecteur synchrone (14) démodulant le signal délivré par ledit discriminateur (6) à une fréquence (2n+1) fm, où n est un entier non nul.

2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal délivré par ledit discriminateur (6) est démodulé à la fréquence 3fm.

3. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le moyen de correction comporte un filtre passe-bas (18) recevant le signal délivré par le détecteur synchrone (14) et délivrant le signal de correction.

4. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le moyen de correction comporte un intégrateur recevant le signal délivré par le detecteur synchrone (14) et délivrant le signal de correction.

5. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un oscillateur (12) de frequence (2n+1) fm et un diviseur par 2n+1 (16) pour delivrer les signaux de modulation du modulateur et du détecteur synchrone.

6. Diode lasser stabilisée comprenant une diode laser (2), un moyen (4) d'alimentation en courant et un circuit de stabilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.

7. Diode laser stabilisée selon la revendication 6, caractérisée en ce que le signal de correction et le signal de modulation de fréquence f sont appliqués sur des entrées du moyen (4) d'alimentation en courant.