Nouveaux concepts de stabilisation et de comparaison de

Ecole Doctorale Sciences Fondamentales et Appliquées
Université Nice Sophia Antipolis
UFR Sciences
Proposition de Sujet de Thèse pour Contrat Doctoral UNS
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[email protected]
Titre de la thèse
Nouveaux concepts de stabilisation et de comparaison de fréquences laser par
interférométrie à fibre
Thesis Title
New concepts for stabilisation and comparison of laser frequencies with fiber-based
interferometers
Directeur de Thèse (HDR ou assimilé)
Nom : LINTZ
Prénom : Michel
Téléphone : (33) 4 92 00 31 98
Courriel : [email protected]
Laboratoire d'accueil
ARTEMIS
Co-directeur
Nom : KEFELIAN
Prénom : Fabien
HDR : Non
Unité de recherche : ARTEMIS
Téléphone : (33) 4 92 00 30 22
Courriel : [email protected]
Domaine Scientifique
DS8 - Sciences pour l'Ingénieur

Ecole Doctorale Sciences Fondamentales et Appliquées
Université Nice Sophia Antipolis
UFR Sciences
Description du sujet
Les lasers sont les sources de base pour la génération de signaux de grande pureté
spectrale aux fréquences optiques. Ces quinze dernières années la stabilisation et la
comparaison de ces fréquences a fait des progrès considérables grâce aux cavités
Fabry-Pérot ultra-stables et aux lasers femtoseconde [1,2]. ARTEMIS est un laboratoire à
forte composante expérimentale, à l’interface de la physique et des sciences de
l’ingénieur, reconnu notamment pour son implication dans la détection des ondes
gravitationnelles [3]. Notre équipe s’intéresse à de nouveaux concepts pour la stabilisation
et la comparaison de fréquences optiques en utilisant des interféromètres à fibres
optiques et des composants photoniques fibrés du fait de leurs avantages en termes de
compacité, robustesse, fiabilité, simplicité d’utilisation et coût. En 2009 il a été démontré
[4-5] qu’un interféromètre réalisé à partir d’une bobine kilométrique de fibre optique
standard pouvait présenter une stabilité de longueur optique approchant celle d’une
cavité optique monolithique ultra-stable. Sur cette base nous proposons d’étudier les
propriétés de stabilité différentielle de la longueur optique d’une fibre à deux longueurs
d’onde différentes, ceci dans le cadre de deux applications : le transfert spectral de
stabilité de fréquence, et la stabilisation de fréquence laser par auto-compensation des
dérives thermiques. Il n’existe à l’heure actuelle aucune donnée concernant ces propriétés
des fibres optiques, ce sujet de thèse apportera par conséquent des connaissances
scientifiques entièrement nouvelles sur les fibres optiques tout en quantifiant leur
potentiel technologique en métrologie des fréquences.
Le doctorant (master en physique expérimentale ou appliquée, ou école d'ingénieur)
réalisera un travail largement pluridisciplinaire mais centré sur l'optique/photonique:
réalisation de montages expérimentaux à base de lasers et composants optiques fibrés et
d’asservissements électroniques, développement de techniques de caractérisation de bruit
et de mesures physiques, analyse de données. Le doctorant sera également amené à
proposer de nouvelles expériences et à imaginer des solutions pour repousser les limites
rencontrées. Selon son intérêt, il pourra s’orienter sur des aspects plus appliqués ou plus
fondamentaux.
Le laboratoire dispose d’équipements de mesure de haute performance et s'appuie sur une
large expertise en électronique et asservissements.
[1] Optical frequency metrology, Th. Udem, R. Holzwarth & T. W. Hänsch, Nature 416,
233-237 (2002)
[2] www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2005/
[3] "Advanced Virgo: a second-generation interferometric gravitational wave detector",
Classical and Quantum Gravity 32 (2015) 024001
[4] F. Kéfélian et al., "Ultralow-frequency-noise stabilization of a laser by locking to an
optical fiber-delay line," Opt. Lett. 34, 914-916 (2009)
[5] H. Jiang et al., "An agile laser with ultra-low frequency noise and high sweep linearity,"
Opt. Express 18, 3284-3297 (2010)
Description of the thesis
Lasers are key sources for the generation of high spectral purity signals at optical
frequencies. During the last fifteen years, stabilisation and comparison of laser frequency

Ecole Doctorale Sciences Fondamentales et Appliquées
Université Nice Sophia Antipolis
UFR Sciences
have been greatly improved thanks to ultra-stable Fabry-Perot cavities and femtosecond
lasers [1,2]. ARTEMIS is a laboratory with a strong experimental component at the
interface between physics and engineering, it is recognized in particular for its implication
in the detection of gravitational waves [3]. Our team addresses new concepts in the
stabilisation and comparison of optical frequencies using optical fiber based
interferometers, due to their advantages in terms of compacity, robustness, reliability,
simplicity of use and lower cost. In 2009, km-length standard fiber spool based
interferometers were shown to exhibit a length stability close to the performance of
ultra-stable monolithic optical cavities. From this result, we propose to study and exploit
the properties of the differential stability of an optical length of fiber at two different
wavelengths in the frame of two applications : the spectral transfer of frequency stability,
and absolute laser frequency stabilisation by self-compensation of thermal drifts. There is
currently no data concerning these properties of optical fiber, this doctoral thesis subject
will consequently provide entirely new knowledge on optical fibers, and their potentiel for
frequency metrology.
The student (master in experimental or applied physics) will implement experimental
setups based on fibered optical components and electronic servo loops, develop
techniques for noise measurement and data analysis. He/she will suggest, and implement,
improvements of the setup to challenge the limits encountered. Depending on his interest
he will address more applied or more fundamental issues.
The student will benefit from the expertise in electronics and servo loops, and the
high-end metrology instruments available in the lab.
[1] Optical frequency metrology, Th. Udem, R. Holzwarth & T. W. Hänsch, Nature 416,
233-237 (2002)
[2] www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2005/
[3] Advanced Virgo: a second-generation interferometric gravitational wave detector,
Classical and Quantum Gravity 32 (2015) 024001
[4] F. Kéfélian et al., "Ultralow-frequency-noise stabilization of a laser by locking to an
optical fiber-delay line," Opt. Lett. 34, 914-916 (2009)
[5] H. Jiang et al., "An agile laser with ultra-low frequency noise and high sweep linearity,"
Opt. Express 18, 3284-3297 (2010)
Informations complémentaires
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