FR3044398B1 - Source laser pour capteur inertiel a atomes froids - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un ensemble source laser (10) configuré pour illuminer une enceinte à vide (E) comprenant des atomes à l'état gazeux (At) de manière à mettre en œuvre un capteur inertiel à atomes froids, lesdits atomes présentant au moins deux niveaux fondamentaux séparés d'une différence de fréquence fondamentale (δf0) comprise entre 1 et quelques Gigahertz, ledit ensemble comprenant : -un laser maître (Lm) émettant un faisceau présentant une fréquence maître (fm), -une première boucle d'asservissement (BA1) configurée pour asservir la fréquence maître du laser maître sur une fréquence correspondant à la moitié d'une fréquence déterminée d'une transition atomique entre un niveau fondamental et un niveaux excité desdits atomes, -un laser esclave (Le) présentant une fréquence esclave (fe), -une deuxième boucle d'asservissement (BA2) configurée pour asservir la fréquence esclave du laser esclave par rapport à la fréquence maître (fm), -la fréquence esclave (fe) étant décalée par rapport à la fréquence maître (fm) successivement dans le temps d'une première (δf1), deuxième (δf2), et troisième (δf3) valeur de décalage prédéterminées, lesdites valeurs de décalage étant comprises dans un intervalle égal à la moitié de la différence de fréquence fondamentale (δf0) plus ou moins quelques centaines de MHz.

Description

Source laser pour capteur inertiel à atomes froids
DOMAINE DE L’INVENTION L’invention se situe dans le domaine des capteurs inertiels à atomes froid. Plus particulièrement l’invention concerne les sources laser nécessaires à la création des différents faisceaux laser pour la mise en oeuvre du capteur.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les capteurs à atomes froids ont déjà montré d’excellentes performances pour la mesure du temps (horloge) et des champs de gravitation, des accélérations et des rotations. Leur principe de fonctionnement est rappelé ci-dessous.
Un capteur à atome froid pour réaliser une horloge atomique utilise un nuage gazeux d’atomes dans une enceinte à vide. Ces atomes sont tels qu’ils présentent deux niveaux atomiques fondamentaux dit « hyperfins » séparés en fréquence d’une grandeur ôfo de l’ordre du gigahertz avec ôf0= ω0 / 2π, qui est très stable et très bien connue. Ces atomes sont typiquement du Rubidium 87, pour lequel ôfo=6,834 GHz.
Ces atomes sont initialement dans un des deux états fondamentaux. On applique à ces atomes une impulsion issue d’un oscillateur à une pulsation ω (dénommé impulsion π/2), puis on attend un certain temps tf, puis on applique une deuxième impulsion identique à la première. Les atomes sont alors répartis sur les deux états fondamentaux « hyperfins » et la mesure des populations respectives d’atomes permet de remonter à la grandeur ωο-ω, ce qui permet de recaler l’oscillateur sur l’oscillation atomique.
Pour mesurer une accélération on sépare spatialement les deux états fondamentaux avec des champs magnétiques. La mesure des deux populations d’atomes soumis à l’accélération est proportionnelle à : s=œo-ü)-m.a.d/ft , où a est l’accélération à laquelle est soumise le nuage, d la séparation spatiale des états fondamentaux, h la constante de Planck réduite et m la masse de l’atome.
La mesure de l’accélération s’effectue par exemple par la mesure d’un déplacement des franges d’un interféromètre de type Ramsey dans le domaine fréquentiel (typiquement comme sur un interféromètre de Max Zender en optique).
Pour mesurer une vitesse de rotation il convient d’être sensible à l’effet Sagnac. Pour cela les atomes parcourent une trajectoire fermée contenant une aire, cette trajectoire étant parcourue dans des sens opposés par les deux états internes.
Pour réaliser un capteur inertiel à atomes froids exploitant les effets décrits ci dessus, la mesure comporte trois phases principales, une phase de refroidissement, une phase de pompage et une phase de détection. A titre d’exemple non limitatif, dans la suite le principe du capteur est décrit pour des atomes de Rubidium 87, qui est l’atome le plus couramment utilisé, mais d’autres atomes alcalins tels que le Rubidium 85 (ôfo = 3.0 GHz) le Césium (5f0 = 9.2 GHz), le Sodium (5fo = 1.7 GHz) ou le Potassium 40 (5fo = 1.3 GHz) présentant le même type de structure atomique, peuvent être utilisés.
La figure 1 illustre les principaux niveaux atomiques d’intérêt de Rubidium. Les deux niveaux fondamentaux F=1 et F=2 sont séparés de ôf0=6834 MHz. Les niveaux excités F’=0, 1, 2 ou 3 sont obtenus par excitation optique au voisinage de 780 nm, et séparés les uns des autres de grandeurs comprises entre 50 et 300 MHz.
La figure 2 illustre les fréquences nécessaires lors des trois phases précitées.
Dans la phase de refroidissement, on réalise un piège magnéto-optique à trois dimensions. Pour cela, on règle le premier laser L1 dit de refroidissement sur une fréquence fRefroid légèrement en dessous d’un niveau excité d’une grandeur ε1, typiquement compris entre quelques MHz et une centaine de MHz. Les atomes prennent de leur énergie cinétique pour réémettre sur la fréquence d’excitation et se ralentissent. Préférentiellement la fréquence du laser L1 diminue d’une centaine de MHz entre le début et la fin de la phase de refroidissement. En pratique on décompose le faisceau initial du laser en 3 faisceaux utilisés pour ralentir les trois directions, par exemple à l’aide d’un coin de cube (voir figure 8).
Pendant le refroidissement, pour obtenir tous les atomes sur le même niveau fondamental, on utilise un deuxième laser L2 dit « de repompage » de fréquence ÎRepomp qui pompe optiquement les atomes vers un des deux niveaux hyperfins, par exemple F=2. Le choix des niveaux s’effectue en fonction des règles de sélection spectrale de l’atome considéré.
Une fois les atomes refroidis, la deuxième phase de pompage optique met tous les atomes sur un même sous-niveau Zeeman de l’état fondamental F=2. On utilise un champ magnétique pour lever la dégénérescence des différents niveaux par effet Zeeman. Le laser L1 refroidisseur est réutilisé comme laser de pompe (il éclaire alors le nuage atomique selon une autre direction que lors du refroidissement) pour le pompage qui nécessite d’être à une fréquence fpomp en dessous d’une transition déterminée d’une grandeur ε2 d’environ 160 à 260 MHz, et le deuxième laser L2 « de repompage » est également utilisé pour ramener tous les atomes sur le même niveau fondamental.
Dans une troisième phase de détection (après un certain temps d’interférométrie) seul le laser L1 est utilisé, ici comme laser de détection, avec une fréquence fdet ajustée sur une résonnance atomique.
Selon un capteur inertiel à atome froid selon l’état de la technique tel qu’illustré sur la figure 3, la fréquence f1 du laser L1 et la fréquence f2 du laser L2 sont chacune asservies très précisément sur une fréquence atomique du rubidium à l’aide de boucles d’asservissement BAetl et BAet2 utilisant chacune une cellule d’absorption saturée de rubidium CelH et Cell2. La fréquence du laser L1 est asservie à partir de l’état fondamental F=2 et la fréquence du laser L2 « repompeur » à partir de l’état fondamental F=1. Les bonnes fréquences pour les deux lasers L1 et L2 et pour chaque phase de mesure (refroidissement, puis pompage optique puis détection) sont obtenues à l’aide d’un montage optique très complexe et d’au moins 5 modulateurs acousto-optique. L’AOM3 sert à l’asservissement du laser L1 sur une transition atomique et ΓΑΟΜ4 sert à l’asservissement du laser L2 sur une transition atomique. L’AOM 7 sert à la réalisation de la phase de refroidissement, l’AOM 6 sert à la réalisation de la phase de pompage optique et l’AOM 1 sert à la phase de détection.
Les solutions existantes pour réaliser le banc nécessaire au refroidissement et à la manipulation d’atomes froids sont de deux types : -réaliser le tout avec des composants fibrés : l’ensemble tient alors dans une baie de 1mx1m sur 2 m de haut, un tel encombrement étant incompatible avec toute application embarquée. -utiliser de la micromécanique semblable au banc laser de l’horloge atomique Pharao réalisée par la société Sodern : cette solution est plus compact que la précédente mais extrêmement onéreuse du fait de la nécessité d’aligner et de coller un très grand nombre de composants optiques miniatures.
Un but de la présente invention est de palier aux inconvénients précités en proposant un ensemble source laser simplifié compatible d’une réalisation en optique intégrée.
DESCRIPTION DE L’INVENTION
La présente invention a pour objet un ensemble source laser configuré pour illuminer une enceinte à vide comprenant des atomes à l’état gazeux de manière à mettre en oeuvre un capteur inertiel à atomes froids, lesdits atomes présentant au moins deux niveaux fondamentaux séparés d’une différence de fréquence fondamentale comprise entre 1 et quelques Gigahertz, l’ensemble comprenant : -un laser maître émettant un faisceau présentant une fréquence maître, -une première boucle d’asservissement configurée pour asservir la fréquence maître du laser maître sur une fréquence correspondant à la moitié d’une fréquence déterminée d’une transition atomique entre un niveau fondamental et un niveaux excité des atomes, -un laser esclave présentant une fréquence esclave, -une deuxième boucle d’asservissement configurée pour asservir la fréquence esclave du laser esclave par rapport à la fréquence maître, -la fréquence esclave étant décalée par rapport à la fréquence maître successivement dans le temps d’une première, deuxième, et troisième valeur de décalage prédéterminées, les valeurs de décalage étant comprises dans un intervalle égal à la moitié de la différence de fréquence fondamentale plus ou moins quelques centaines de MHz.
Préférentiellement, la fréquence maître est déterminée de sorte qu’elle corresponde à la moitié d’une fréquence de repompage des atomes, et les première, deuxième et troisième valeurs de fréquences esclaves successives correspondent à la fréquence maître décalée respectivement de la première, de la deuxième, et de la troisième valeur de décalage, et sont déterminées de sorte qu’elles correspondent respectivement à la moitié d’une fréquence de refroidissement, à la moitié d’une fréquence de pompage optique et à la moitié d’une fréquence de détection des atomes, lors de la mise en œuvre d’un capteur inertiel.
Avantageusement, la deuxième boucle d’asservissement est réalisée à partir d’une boucle à verrouillage de phase optique configurée pour réaliser l’asservissement à partir d’un signal d’erreur fonction d’une différence de phase entre d’une part un battement entre la fréquence maître et la fréquence esclave et d’autre part un signal de référence présentant une fréquence de référence prédéfinie à partir d’une valeur de décalage prédéterminée.
Selon un mode de réalisation, la boucle à verrouillage de phase optique comprend: -une photodiode configurée pour détecter le battement entre la fréquence maître et la fréquence esclave, -un mélangeur configuré pour délivrer à partir dudit battement un signal converti de fréquence inférieure compatible avec une plage de fonctionnement d’un comparateur de phase, -un oscillateur de référence configuré pour délivrer un signal de référence radio présentant une fréquence de référence radio prédéfinie à partir d’une valeur de décalage prédéterminée, -un comparateur de phase configuré pour délivrer un signal d’erreur fonction de la différence de phase entre le signal converti et le signal de référence radio, -un dispositif électronique de rétroaction configuré pour rétroagir sur la fréquence esclave du laser esclave de manière à minimiser ledit signal d’erreur.
Avantageusement, la première boucle de d’asservissement comprend un modulateur de phase, un amplificateur, un composant doubleur de fréquence et une cellule à absorption saturable comprenant la même espèce d’atomes que ceux utilisés pour la mise en oeuvre d’un capteur inertiel.
Avantageusement les lasers maître et esclave sont des diodes laser de type « laser à rétroaction répartie » ou « distributed feedback laser » (DFB) en anglais.
Avantageusement l’ensemble source laser selon l’invention comprend en outre un étage de mise en forme de faisceaux comprenant : -une pluralité d’amplificateurs optiques configurés pour amplifier des faisceaux issus des lasers asservis en fréquence, -une pluralité de composants doubleur de fréquence configurés pour doubler la fréquence desdits faisceaux amplifiés.
Avantageusement, les sources lasers émettent une longueur d’onde de 1560 nm (correspondant à la division par deux de la fréquence optique du rubidium) et les amplificateurs sont à base de semi-conducteurs.
Selon un mode de réalisation préféré, l’ensemble source laser selon l’invention comprend un premier circuit photonique intégré sur un substrat en silicium comprenant la deuxième boucle d’asservissement et des composants optiques nécessaires à la génération des faisceaux optiques pour la mise en œuvre dudit capteur.
Avantageusement le premier circuit photonique intégré comprend en outre le modulateur de phase de la première boucle d’asservissement. Préférentiellement l’ensemble source laser selon l’une des revendications précédentes comprenant un deuxième circuit photonique intégré sur substrat InP comprenant les amplificateurs et/ou comprend un troisième circuit photonique intégré comprenant les composants doubleurs réalisés sous la forme de guides d’onde en PPLN pour Periodically Poled Lithium Niobate. Préférentiellement le premier, le cas le deuxième et le cas échéant le troisième circuits photonique intégrés sont hybridés de manière à être intégrés sur une même puce.
Avantageusement, l’ensemble source laser selon l’invention comprend un circuit photonique intégré source comprenant le laser maître, le laser esclave et des isolateurs associés.
Avantageusement, le circuit photonique intégré source, le premier, le deuxième (PIC2) et le troisième circuits photonique intégrés sont hybridés de manière à être intégrés sur une même puce. L’invention a également pour objet un capteur inertiel à atomes froids comprenant un ensemble source laser selon l’invention et comprenant en outre l’enceinte à vide E comprenant les atomes à l’état gazeux At. D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :
La figure 1 illustre les principaux niveaux atomiques d’intérêt du Rubidium.
La figure 2 illustre les fréquences d’illumination nécessaires lors des trois phases de mise en œuvre d’un capteur inertiel à atome froids.
La figure 3 schématise un ensemble source laser pour capteur inertiel selon l’état de la technique.
La figure 4 schématise un ensemble source laser selon l’invention.
La figure 5 décrit les différentes fréquences et valeurs de décalage pour la mise en œuvre d’un capteur à atomes froid à base d’atomes de Rubidium.
La figure 6 illustre le mode de fonctionnement d’une deuxième boucle d’asservissement utilisant une boucle à verrouillage de phase optique.
La figure 7 illustre un exemple de source laser pour capteur à atomes froids utilisant une technologie d’optique intégrée.
La figure 8 illustre un exemple de capteur inertiel à atomes froids selon l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
La figure 4 schématique un ensemble source laser 10 selon l’invention pour mettre en œuvre un capteur inertiel à atomes froids. Le capteur inertiel utilise des atomes à l’état gazeux At piégés dans une enceinte à vide E. Les atomes At présentent au moins deux niveaux fondamentaux séparés d’une différence de fréquence fondamentale ôfo comprise entre 1 et quelques Gigahertz.
Préférentiellement les atomes sont du Rubidium 87, pour lequel ôf0 = 6.834 GHz. Mais différents atomes alcalins tels que le Rubidium 85, le Césium, le Sodium ou le Potassium 40 peuvent également être utilisés. L’ensemble 10 comprend un laser maître Lm qui émet un faisceau présentant une fréquence maître fm qui est asservie par une première boucle d’asservissement BA1 sur une fréquence correspondant à la moitié d’une fréquence déterminée d’une transition atomique entre un niveau fondamental et un niveaux excité des atomes At. Pour le cas du Rubidium, les atomes passent d’un niveau fondamental F=1 ou F=2 vers un niveau excité lorsqu’ils sont excités optiquement avec une longueur d’onde de 780 nm. La première boucle d’asservissement BA1 comprend une cellule de Rubidium CelH, pour pouvoir asservir le laser maître sur la moitié d’une fréquence atomique (un système de doublage de fréquence est utilisé avant d’envoyer la partie du laser servant à l’asservissement sur les atomes). Cette boucle d’asservissement BA1 utilise un modulateur de phase et le signal d’absorption généré par la cellule atomique pour réaliser un asservissement de type Pound-Drever-Hall.
On considère la moitié d’une fréquence atomique plutôt que la fréquence atomique car l’émission des lasers est préférentiellement sensiblement égale à une longueur d’onde télécom (bande C), par exemple pour un capteur au Rubidium 87 la longueur d’onde télécom est de 1560 nm, qui est ensuite doublée en fréquence à 780 nm avant d’illuminer le capteur (pour correspondre aux transitions optiques du rubidium). L’ensemble 10 comprend en outre un laser esclave Le, présentant une fréquence esclave fe asservie par rapport à la fréquence maître fm par une deuxième boucle d’asservissement BA2. La fréquence esclave fe est décalée par rapport à la fréquence maître fm successivement dans le temps d’une première valeur de décalage ôf 1, d’une deuxième valeur de décalage Ôf2, et d’une troisième valeur de décalage ôf3 prédéterminées.
Ces valeurs de décalage sont comprises dans un intervalle égal à la moitié de la différence de fréquence fondamentale (ôf0) plus ou moins quelques centaines de MHz.
Typiquement ôf 1, ôf2, ôf 13 comprises entre [ôfo/2 - 400 MHz; ôf0/2 + 400 MHz].
Typiquement la fréquence du laser esclave est inférieure à la fréquence du laser maître.
Ces valeurs prédéterminées doivent être obtenues avec une grande précision, typiquement de l’ordre de 1 à quelques MHz.
Par exemple pour le Rubidium : ôf0 = 6.836 GHz 2.ôf1,2.ôf2, 2.ôf3 compris entre [ôfo - 300 MHz ôfo + 300 MHz] (voir plus loin figure 5).
On considère la moitié de la différence de fréquence fondamentale ôf0 pour la même raison qu’expliqué plus haut.
Contrairement à l’ensemble source laser du capteur inertiel de l’état de la technique, pour lequel chacune des fréquences f1 et f2 est asservie sur une transition atomique, à l’aide d’une cellule de gaz atomique CelH, Cell2, l’ensemble laser selon l’invention ne comprend qu’une seule cellule atomique CelH dans la première boucle d’asservissement BA1, la fréquence du laser esclave fe étant asservie par rapport à la fréquence fm du laser maître qui reste fixe, et non pas dans l’absolu, sur une deuxième transition atomique à l’aide d’une deuxième cellule. Ainsi la fréquence du laser esclave fe est ajustée par rapport à fm selon les bonnes valeurs lors des différentes phases de mise en œuvre du capteur.
Lors de la mise en œuvre du capteur inertiel la fréquence maître fm du laser maître est déterminée de sorte qu’elle corresponde à la moitié de la fréquence de repompage ÎRepomp des atomes : fm = ÎRepomp /2
Cette fréquence étant fixée, les valeurs de fréquence successives du laser esclave sont déterminées comme suit :
Soit fe1 la première valeur de fréquence esclave correspondant à la fréquence appliquée au laser esclave pendant la phase de refroidissement. Soit fe2 la deuxième valeur de fréquence esclave correspondant à la fréquence appliquée au laser esclave pendant la phase de pompage optique. Soit fe3 la troisième valeur de fréquence esclave correspondant à la fréquence appliquée au laser esclave pendant la phase de détection.
Ces valeurs de fréquence successives correspondent à la fréquence maître fm décalée respectivement de la première valeur de décalage 5f 1, de la deuxième valeur de décalage 5f2, et de la troisième valeur de décalage ôf3 : fe1 = fm - ôf 1, fe2 = fm - ôf2, fe3 = fm - ôf3
La valeur de décalage ôf1 est déterminée de sorte que fe1 corresponde à la moitié de la fréquence de refroidissement fRefroid des atomes At : fe1 = fRefroid /2
La valeur de décalage 5f2 est déterminée de sorte que fe2 corresponde à la moitié de la fréquence de pompage optique fpomp des atomes At : fe2 = fpomp /2
Par exemple pour le Rubidium, le pompage optique s’effectue vers le niveau atomique |2,2>.
La valeur de décalage 5f3 est déterminée de sorte que fe3 corresponde à la moitié de la fréquence la fréquence de détection fdet des atomes At. fe3 = fdet /2.
Par exemple pour le Rubidium, la détection s’effectue sur la transition atomique de |2, mF> vers |3,mF>.
On constate bien sur la figure 2 que les différentes fréquences fe1 (fRefroid/2), fe2 (fpomp/2) et fe3 (fdet/2) sont décalées par rapport à la fréquence du laser maître fm (fRepomp/2) d’une valeur de décalage proche de ôfo/2 à quelque centaines de MHz, cette valeur devant être obtenue avec une grande précision. La fréquence de repompage dépeuple de niveau F=1, tandis que les fréquences fe1 fe2 et fe3 excitent les atomes à partir du niveau F=2.
Compte tenu des valeurs des transitions atomiques des atomes utilisables pour la mise en oeuvre d’un capteur inertiel à atomes froids, on a préférentiellement : fei = fm - ôfi. avec i=1,2,3 avec ôfi compris dans l’intervalle [ ôfo/2 - 800 MHz ; ôfo/2 + 800 MHz ]. A noter que le refroidissement consistant à réaliser un piège magnéto-optique à trois dimensions dans l’enceinte nécessite typiquement 3 faisceaux couramment dénommés MOT 3D X1, X2 et H, qui peuvent être issu d’un seul faisceau (voir plus loin). A noter également que les étapes de pompage et de détection ont pour objet de préparer les atomes dans le bon état avant la séquence d’interférométrie, lors de la mise en œuvre du capteur inertiel. Les faisceaux pompe et détection n’étant pas utilisé au même moment du cycle de mesure du capteur, il est possible d’utiliser la même sortie pour illuminer l’enceinte.
Préférentiellement, les lasers maître Lm et esclave Le de l’ensemble source laser 10 sont des diodes laser à réseau, ou une barrette de diodes laser, de type DFB pour « Distributed Feed-Back » ou DBR pour « Distributed Bragg Reflector » émettant une longueur d’onde télécom, avantageusement 1560 nm.
Selon un mode de réalisation préféré le laser esclave Le est asservi au laser maître en détectant un battement entre les deux lasers à l’aide d’une photodiode, puis en réalisant un asservissement basé sur le principe d’une boucle à verrouillage de phase ou Optical Phase-Locked Loop (OPLL) en anglais, tel que décrit plus loin.
Selon un mode de réalisation préféré, l’ensemble source laser 10 selon l’invention comprend également un étage de mise en forme de faisceaux 20 également illustré figure 4 et comprenant : -Une pluralité d’amplificateurs optiques A configurés pour amplifier des faisceaux issus des lasers asservis en fréquence. Avantageusement les amplificateurs sont à base de semi conducteur, de type SOA pour « Semiconductor Optical Amplifier » en anglais. -Une pluralité de composants doubleur de fréquence D configurés pour doubler la fréquence des faisceaux amplifiés. Dans l’exemple précédent d’une émission à 1560 nm, le faisceau doublé a une longueur d’onde de 780 nm compatible de l’excitation des atomes précités pour la mise en œuvre d’un capteur inertiel à atomes froids. L’ensemble source laser comprend également différents composants pour la manipulation des faisceaux issus des lasers maître et esclave : ces faisceaux issus des lasers sont séparés, atténués, recombinés, pour former des faisceaux destinés à être amplifiés puis doublés de manière à générer des faisceaux configurés pour illuminer l’enceinte d’un capteur à atomes froids de manière à mettre œuvre une phase 1 de refroidissement, une phase 2 de pompage et une phase 3 de détection lors d’une mesure réalisée lors de la mise en œuvre du capteur.
Lors de la phase 1 de refroidissement, les faisceaux du haut de la figure 4 sont coupés, et la cellule est éclairée par les faisceaux du bas de la figure 4. Lors de la phase 2 de pompage, les faisceaux du bas de la figure 4 sont coupés, et la cellule est éclairée par les faisceaux du haut de la figure 4.
Lors de la phase 3 de détection, les faisceaux du bas de la figure 4 sont coupés, ainsi que le faisceau du haut de la figure provenant du laser maître, qui reste néanmoins allumé pour réaliser l’asservissement en fréquence de fe3 par rapport à fm.
Un exemple de valeurs de décalage ôf 1, Ôf2, Ôf3 non limitatif à réaliser par la boucle BA2 est illustré figure 5 pour le Rubidium. La fréquence maître fm est donnée en THz et correspond à une longueur d’onde optique d’environ 780 nm comme décrit plus haut, avec un ôfo entre l’état fondamental F=1 et l’état fondamental F=2 de 6,834 GHz. La fréquence du laser maître est réglée sur la moitié de la fréquence dite de « repompage » ÎRepomp telle qu’illustrée figure 2.
Lors de la phase de refroidissement, la fréquence fe1 correspond à la fréquence du laser maître fm diminuée de ôf 1 avec : 2.ôf1 varie entre ôfo -267 MHz et ôf0 -167 MHz
Lors de la phase de pompage, la fréquence fe2 correspond à la fréquence du laser maître fm diminuée de ôf2 avec : 2.ôf2 = ôfo - 2 MHz
Lors de la phase de détection, la fréquence fe3 correspond à la fréquence du laser maître fm diminuée de Ôf3 avec : 2.ôf3 = ôf0 - 267 MHz
Ces valeurs de décalage sont déterminées à partir des valeurs des niveaux d’énergie atomique connues par ailleurs (voir figures 1 et 2) et de la physique des capteurs à atomes froids. La précision souhaitée sur la valeur de fréquence esclave, et donc sur les valeurs de décalage est préférentiellement de l’ordre 1 à quelques MHz.
Préférentiellement, la première boucle d’asservissement BA1 comprend un modulateur de phase Mod(p, un amplificateur, un composant doubleur de fréquence et une cellule à absorption saturable CelH comprenant des atomes At du même matériau que celui utilisé dans l’enceinte du capteur telle que décrite précédemment.
Selon un mode de réalisation préférée, la deuxième boucle d’asservissement BA2 est basée sur le principe du verrouillage de phase ou PLL pour Phase Lock Loop, adapté pour opérer sur la phase relative entre deux faisceaux optiques par transposition sur un signal électrique. Cette méthode est dénommée boucle à verrouillage de phase optique, ou Optical Phase-Locked Loop soit OPLL.
Le principe d’un tel asservissement est illustré figure 6.
Rappelons que la fréquence d’un signal f est proportionnelle à la dérivée de la phase φ du signal par rapport au temps. Rendre la différence de phase entre le signal esclave à asservir et un signal de référence, par exemple nulle, permet d’obtenir une fréquence esclave asservie (rendue égale) à la fréquence de référence.
En d’autres termes la deuxième boucle d’asservissement BA2 est réalisée à partir d’une boucle à verrouillage de phase optique OPLL configurée pour réaliser l’asservissement à partir d’un signal d’erreur ε fonction d’une différence de phase entre d’une part le battement fm-fe entre la fréquence maître et la fréquence esclave et d’autre part un signal de référence présentant une fréquence de référence fref prédéfinie à partir d’une valeur de décalage prédéterminée ôf 1, ôf2 ou Ôf3.
Selon un mode de réalisation préféré, la boucle à verrouillage de phase OPLL comprend une photodiode Ph qui détecte les faisceaux optiques issus du laser maître et esclave, et plus particulièrement le signal de battement entre ces fréquences, de fréquence fm-fe. La fréquence du laser esclave fe est asservie sur la fréquence du laser maître fm (elle-même directement asservie sur une référence atomique), à partir de ce battement fm-fe réglé sur une valeur proche de ôfO/2 (3,418 GHZ pour le Rubidium), que l’on doit pouvoir modifier de quelques centaines de MHz, par exemple entre -150 MHz et +50 MHz, de façon répétable et en un temps de l’ordre de la milliseconde.
La comparaison de phase entre signaux de l’ordre du Gigahertz étant très complexe à mettre en œuvre on réalise une conversion de la fréquence de battement fm-fe en un signal converti de fréquence inférieure fm-fe-fd à l’aide d’un mixer M, cette opération étant dénommé « down conversion » en anglais. Le but est de rendre la fréquence du signal à asservir compatible avec la plage de fonctionnement du comparateur de phase Compcp. Le signal obtenu de fréquence fm-fe-fd et de phase Φ=2π(ίιτι-ίβ-Μ)ί+Φ1 présente typiquement une fréquence comprise entre 1 et 500 MHz. Préférentiellement un filtre est ajouté après le mixer pour ne sélectionner que le signal d’intérêt de fréquence fm-fe-fd selon la plage souhaitée.
La boucle OPLL comprend également un oscillateur de référence Oref configuré pour générer un signal de référence radio présentant une fréquence de référence radio frefr et une phase de référence 0ref=2TT.frefr.t+02, la fréquence frefr étant prédéfinie à partir d’une valeur de décalage prédéterminée souhaitée soit ôf1 ou Ôf2 ou ôf3. La fréquence du signal de référence radio frefr est typiquement dans le domaine radio fréquence, comprise entre 1 et 500 MHz.
Puis le comparateur de phase Comp<p génère un signal d’erreur ε fonction de la différence de phase Φ - Φτβί entre le signal converti et le signal de référence radio.
Enfin un dispositif électronique de rétroaction ER génère un signal de correction et rétroagit sur la fréquence esclave fe du laser esclave de manière à minimiser le signal d’erreur ε. Pour le cas d’une diode laser DFB, typiquement on agit sur le courant d’alimentation du laser, la fréquence optique étant fonction du courant.
Typiquement à l’allumage, au bout d’un certain temps, la fréquence du signal de battement converti se verrouille sur la fréquence frefr choisie de l’oscillateur. L’avantage d’utiliser une boucle OPLL est qu’elle est compatible des ordres de grandeurs des décalages à réaliser et d’une implémentation en photonique intégrée, ce qui permet de réduire drastiquement l’encombrement et le coût total d’un capteur inertiel à atomes froid. L’invention concerne également un capteur inertiel à atomes froids 100, également illustré figure 4, comprenant un ensemble source laser 10 et comprenant en outre une enceinte à vide E comprenant les atomes At à l’état gazeux piégés illuminée par les faisceaux issus de l’ensemble source laser complet.
Dans le schéma de figure 4 un séparateur S, par exemple un coin de cube est utilisé, sur le faisceau déjà amplifié, pour séparer le faisceau en trois pour la réalisation du piège magnéto-optique. Alternativement la séparation est faite en amont des amplificateurs.
Un exemple de source laser pour capteur à atome froid, ainsi que le capteur 100 selon l’invention est illustré figure 7. L’ensemble de la figure 7, à l’exception de l’enceinte E et de la cellule à absorption saturable CelH, peut être intégré selon différents niveaux en utilisant des composants en photonique intégrée.
Selon une variante préférée, l’ensemble source laser 10 comprend un premier circuit photonique intégré PIC1 sur un substrat en silicium comprenant au moins la deuxième boucle d’asservissement BA2 et des composants optiques nécessaires à la génération des différents faisceaux optiques pour la mise en œuvre du capteur. Optionnellement, le circuit PIC1 comprend également une partie de la boucle BA1, hors la cellule à absorption saturée CelH.
Préférentiellement l’ensemble source laser 10 comprend un deuxième circuit photonique intégré PIC2 sur substrat InP comprenant les amplificateurs optiques.
Avantageusement l’ensemble source laser 10 comprend un troisième circuit photonique intégré PIC3 comprenant les composants doubleurs, réalisés sous la forme de guides d’onde en PPLN.
Préférentiellement, le premier circuit photonique intégré PIC1 comprend le modulateur de phase de la première boucle de verrouillage BA1 et/ou le deuxième circuit photonique intégré PIC2 comprend l’amplificateur de la première boucle de verrouillage et/ou le troisième circuit photonique intégré PIC3 comprend le composant doubleur de la première boucle de verrouillage.
Selon un mode de réalisation, les premier, deuxième et/ou troisième circuits photonique intégrés sont hybridés avec les circuits photoniques intégrés adjacents de manière à être intégrés sur une même puce. Dans une version complètement intégrée, on utilise une matrice de doubleurs PPLN hybridée sur le circuit photonique.
Ces différents circuits photoniques intégrés remplacent tout ou partie du banc optique complexe de l’état de la technique nécessaire à la mise en œuvre d’un capteur à atomes froids.
Selon un mode de réalisation l’ensemble source laser 10 selon l’invention comprend un circuit photonique intégré source PICs comprenant les lasers Le et Lm et des isolateurs associés ISOe et ISOm. Selon un autre mode de réalisation les lasers et leur isolateur sont reliés au circuit PIC1 avec des fibres optiques.
Selon un mode de réalisation tout intégré, le circuit photonique intégré source PICs, le premier PIC1, le deuxième PIC2 et le troisième PIC3 circuits photoniques intégrés sont hybridés de manière à être intégrés sur une même puce PIC.
Selon une variante, on utilise une barrette d’isolateurs en espace libre ou fibrés pour la protection des diodes dans le cas où les diodes lasers sont déportées du circuit intégré. Dans le cas où les sources lasers sont hybridées sur le circuit, selon une variante on utilise des isolateurs directement intégrés sur le circuit photonique PIC en utilisant par exemple des couches de matériaux Faraday, ou encore, en créant une diffusion Brillouin non réciproque pour rendre un guide transparent dans un seul sens.
Les composants listés ci-dessous sont compatibles d’une intégration sur une puce en silicium, tel que schématisé figure 7, comprenant des composants en photonique intégrée pour la création et manipulation des différents faisceaux nécessaire à la manipulation des atomes froids ainsi que pour l’asservissement des différentes diodes laser : -Séparateur (ou « Splitter » en anglais) 1/99 (1 vers 2) et 33/33/33 (1 vers 3), coupleurs statiques 2 vers 1 et 2 vers 3 (ou 2 vers 6), croisement entre guides, réalisés avec une technologie CMOS, -Atténuateur réglable de 0 à -10 dB sans contrainte sur la bande passante. Les atténuateurs variables peuvent être réalisés à l’aide de Mach-Zender, ou « splitters » variables dont une sortie sert à envoyer la puissance dont on ne veut pas. Pour les manipulations d’atomes froids le taux d’extinction des lasers est relativement important pour cela on peut mettre plusieurs atténuateurs à la suite. -On/Off : par exemple coupleurs 2 vers 2 dont on peut changer l’affectation des sorties en un temps de l’ordre de la microseconde. Avec un ratio d’extinction de -20 dB. -Une photodiode PhD à 1560 nm pour l’asservissement des lasers avec une bande passante de 3,5 GHz. -Entrée-sortie fibrée par exemple couplage par réseau. -Modulateur de phase Mod<p (réalisé par exemple par injection de porteurs)-Boucle à verrouillage de phase en photonique intégrée (par exemple en électronique CMOS) -Isolateur utilisant des effets non-réciproques obtenus par exemple par des couches minces de matériaux à effet Faraday ou bien encore au moyen de la transparence induite par diffusion Brillouin ou « Brillouin scattering induced transparency » (BSIT) en anglais.
La figure 8 illustre un exemple de capteur inertiel à atome froids selon l’invention comprenant un ensemble source laser tout intégré dans un circuit photonique unique PIC. Le circuit photonique intégré PIC contient ses propres lasers maître et esclave qui sont mis en forme (amplifiés et doublés) puis couplés dans des fibres optiques FOi et FO23 à la sortie du circuit photonique. Ces fibres sont amenées au plus proche de l’enceinte à vide E et les faisceaux issus de ces fibres servent à refroidir, pomper et détecter les atomes. Dans le schéma un piège magnéto-optique à coin de cube CC ne nécessitant qu’un seul faisceau initial pour le refroidissement est utilisé à titre d’exemple non limitatif.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS
    1. Ensemble source laser (10) configuré pour illuminer une enceinte à vide ( E) comprenant des atomes à l’état gazeux (At) de manière à mettre en œuvre un capteur inertiel à atomes froids, lesdits atomes présentant au moins deux niveaux fondamentaux séparés d’une différence de fréquence fondamentale (5fo) comprise entre 1 et quelques Gigahertz, ledit ensemble comprenant : - un laser maître (Lm) émettant un faisceau présentant une fréquence maître (fm), - une première boucle d’asservissement (BÂ1) configurée pour asservir la fréquence maître du laser maître sur une fréquence correspondant à la moitié d’une fréquence déterminée d’une transition atomique entre un niveau fondamental et un niveaux excité desdits atomes, - un laser esclave (Le) présentant une fréquence esclave (fe), - une deuxième boucle d’asservissement (BA2) configurée pour asservir la fréquence esclave du laser esclave par rapport à la fréquence maître (fm), ladite deuxième boucle d’asservissement (BAS) étant réalisée à partir d’une boucle à verrouillage de phase optique (OPLL) configurée pour réaliser l’asservissement à partir d’un signal d’erreur (ε) fonction d’une différence de phase entre d’une part un battement (fm-fe) entre la fréquence maître et la fréquence esclave et d’autre part un signal de référence présentant une fréquence de référence prédéfinie à partir d’une valeur de décalage prédéterminée.- la fréquence esclave (fe) étant décalée par rapport à la fréquence maître (fm) successivement dans le temps d’une première (ôf1 ), deuxième (5f2), et troisième (Ôf3) valeur de décalage prédéterminées, lesdites valeurs de décalage étant comprises dans un intervalle égal à la moitié de la différence de fréquence fondamentale (ôfo) plus ou moins quelques centaines de MHz.
  2. 2. Ensemble source laser selon la revendication 1 dans lequel : -la fréquence maître (fm) est déterminée de sorte qu’elle corresponde à la moitié d’une fréquence de repompage (fRepcmp) desdits atomes, et dans lequel, - des première (fe1), deuxième (fe2) et troisième (fe3) valeurs de fréquences esclaves successives, correspondant à la fréquence maître (fm) décalée respectivement de la première (Ôf1 ), de la deuxième (Ôf2), et de la troisième (6f3) valeur de décalage, sont déterminées de sorte qu’elles correspondent respectivement à la moitié d’une fréquence de refroidissement (ÎRefroid), à la moitié d’une fréquence de pompage optique (fpomp) et à la moitié d’une fréquence de détection (foet) desdits atomes, lors de la mise en oeuvre d’un capteur inertiel.
  3. 3. Ensemble source laser selon la revendication 2 dans lequel la boucle à verrouillage de phase optique comprend: -une photodiode (Ph) configurée pour détecter le battement (fm-fe) entre la fréquence maître et la fréquence esclave, -un mélangeur (M) configuré pour délivrer à partir dudit battement un signal converti de fréquence inférieure compatible avec une plage de fonctionnement d’un comparateur de phase (Compcp), -un oscillateur de référence (Oref) configuré pour délivrer un signal de référence radio présentant une fréquence de référence radio (frefr) prédéfinie à partir d’une valeur de décalage prédéterminée, -un comparateur de phase (Compcp) configuré pour délivrer un signal d’erreur (ε) fonction de la différence de phase entre le signal converti et le signal de référence radio, -un dispositif électronique de rétroaction (ER) configuré pour rétroagir sur la fréquence esclave du laser esclave de manière à minimiser ledit signal d’erreur.
  4. 4. Ensemble source laser selon l’une des revendications précédentes dans lequel la première boucle de d’asservissement (BA1) comprend un modulateur de phase (Μοάφ), un amplificateur, un composant doubleur de fréquence et une cellule à absorption saturable comprenant la même espèce d’atomes (At) que ceux utilisés pour la mise en œuvre d'un capteur inertiel.
  5. 5. Ensemble source laser selon Tune des revendications précédentes dans lequel les lasers maître et esclave sont des diodes laser de type « laser à rétroaction répartie ».
  6. 6. Ensemble source laser selon l’une des revendications précédentes comprenant en outre un étage de mise en forme de faisceaux (20) comprenant : -une pluralité d’amplificateurs optiques (A) configurés pour amplifier des faisceaux issus des lasers asservis en fréquence, -une pluralité de composants doubleur de fréquence (D) configurés pour doubler la fréquence desdits faisceaux amplifiés.
  7. 7. Ensemble source laser selon l’une des revendications précédentes dans lequel les sources lasers émettent une longueur d’onde de 1560 nm et les amplificateurs sont à base de semi-conducteurs,
  8. 8. Ensemble source laser selon l’une des revendications précédentes comprenant un premier circuit en photonique intégré (PIC1) sur un substrat en silicium comprenant la deuxième boucle d’asservissement (BA2) et des composants optiques nécessaires à la génération des faisceaux optiques pour la mise en œuvre dudit capteur.
  9. 9. Ensemble source laser selon la revendication 8 dans lequel le premier circuit photonique intégré comprend en outre le modulateur de phase (Mod<p) de la première boucle d’asservissement (BA1).
  10. 10. Ensemble source laser selon l’une des revendications précédentes comprenant un deuxième circuit photonique intégré (PIC2) sur substrat InP comprenant les amplificateurs et/ou comprenant un troisième circuit (PICS) photonique intégré comprenant les composants doubleurs réalisés sous la forme de guides d’onde en PPLN.
  11. 11. Ensemble source laser selon l’une des revendications 8 à 10 dans lequel le premier, et le cas échéant le deuxième et te cas échéant le troisième circuit photonique intégré sont hybridés de manière à être intégrés sur une même puce.
  12. 12. Ensemble source laser selon l’une des revendications précédentes comprenant un circuit photonique intégré source (PICs) comprenant le laser maître, le laser esclave et des isolateurs associés.
  13. 13. Ensemble source laser selon l’une des revendications précédentes dans lequel le circuit photonique Intégré source (PICs) , le premier (PIC1), le deuxième (PIC2) et le troisième (PIC3) circuits photonique intégrés sont hybridés de manière à être intégrés sur une même puce.
  14. 14. Capteur înertiel (100) à atomes froids comprenant un ensemble source laser selon l’une des revendications 1 à 13 et comprenant en outre l’enceinte à vide (E) comprenant les atomes à l’état gazeux (At).
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