2.a. Réduction du bruit quantique dans les diodes

Un volet très important des études de bruit quantique est la réduction du bruit au niveau du processus d'émission laser lui-même. L'idée de base, proposée au début des années 1980, consiste à utiliser le principe de la pompe régulière.

En collaboration avec le groupe de Philippe Grangier à l'Institut d'optique (Orsay), nous avons évalué et comparé les méthodes permettant d'assurer une émission monomode à des diodes laser de haut rendement quantique (montage des diodes sur réseau et injection par un autre laser). Nous avons obtenu une compression de bruit de 30 %, du même ordre de grandeur que celle des auteurs précédemment cités. Mais le résultat marquant de cette étude a été la mise en évidence de l'importance de la corrélation entre le bruit du mode central et celui des modes latéraux, d'intensités très faibles, mais de bruits non négligeables [1,2].

En effet, dans certains cas, nous avons montré que l'intensité totale a un bruit réduit au-dessous du bruit quantique standard, alors que le mode central pris isolément a un bruit très supérieur au bruit quantique standard, conclusion qui est d'importance pour l'utilisation de ces diodes en spectroscopie ou dans les télécommunications à haut débit [3].

Théoriquement, l'application simple du principe de la pompe régulière prévoit une compression du bruit d'intensité égale à l'efficacité quantique (taux de conversion électrons-photons). Or expérimentalement, on n'atteint que rarement cette valeur [4]. Une explication possible de ce désaccord réside dans un effet consécutif au principe d'exclusion de Pauli. Du fait de ce principe, les électrons de l'alimentation ne peuvent pas toujours pénétrer dans la diode laser, ce qui détériore la statistique du courant de la pompe et induit un excès de bruit. D'après une théorie de M. Travagnin et L. A. Lugiato de Milan, cet effet donne naissance à un bruit de tension aux bornes de la diode, théoriquement corrélé au bruit d'intensité du faisceau de la diode. Nous nous sommes donc appliqués à détecter ce bruit de tension et nous avons vérifié expérimentalement la corrélation prévue par la théorie.

[1] Zhang T.C., Poizat J.P., Grelu P., Roch J. F. Grangier P., Marin F, Bramati A., Jost V., Levenson M. D., Giacobino E., Quantum Semiclass. Optics 7, 601 (1995) : "Quantum noise of free running and externally stabilized laser diodes".

[2] Giacobino E., Bramati A., Marin F., Jost V., J. of Nonlinear Optical Physics and Materials 5, 863 (1996) : "Quantum noise reduction in lasers".

[3] Marin F., Bramati A., Giacobino E., Zhang T.C., Poizat J.P., Roch J.F., Grangier P., Phys. Rev. Lett. 75, 4606 (1995) : "Squeezing and intermode correlations in laser diodes".[PRL]

[4] Bramati A., Jost V., Marin F., Giacobino E., J. of Modern Optics 44, 1929 (1997) : "Quantum noise models for semiconductor lasers: is there a missing noise source?".