Application des lasers fibrés à verrouillage de modes à la génération très haute fréquence à haute pureté spectrale - LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2017

Application of mode-locked fiber-optic lasers to ultra high frequency spectral high purity generation

Application des lasers fibrés à verrouillage de modes à la génération très haute fréquence à haute pureté spectrale

Résumé

2119/5000 Technological development in the field of telecommunications, as well as detection systems, has increased in recent years the need for reference signals presenting a very high spectral purity. The increase in flow rates, the saturation of frequency bands as well as the performances imposed for radar detection have opened the way to the microwave generation by optics. These frequency references are often derived from optoelectronic oscillators (OEO). These oscillators include an element for storing energy through resonators or long fibered delay lines in order to increase their quality factor and thus to achieve performances superior to signals multiplied from low-frequency sources or directly to From microwave oscillators with a dielectric resonator (DRO). An original topology of optoelectronic oscillators was proposed in the late 1990s by an American team: it is a question of replacing the passive resonator requiring a laser locking on the latter by an active resonator, integrating an optical amplifier. This active resonator, a mode-locked laser, allows a coupling between the optical oscillation of the laser and the optoelectronic oscillation. This is called a coupled optoelectronic oscillator (COEO). The performance of the COEO is closely related to the spectral purity of the signal from the mode-locked laser. This work of thesis deals with the study and optimization of these systems. An in-depth study of noise in optical amplifiers was first conducted to determine what type of amplifier to choose for the COEO and under what conditions optical amplification provides minimal phase noise. Then, a 10 GHz COEO was produced with very low phase noise reaching - 132 dBc / Hz at 10 kHz of the carrier. A model has also been implemented, allowing to determine a posteriori the efficiency of the coupling and thus the locking band between the optoelectronic oscillation and the mode-locked laser. This internal coupling depends strongly on the dynamics of the system. However, the various non-linear effects which occur in the semiconductor amplifier and the fibers do not make it possible to obtain an analytical model. An iterative model was then proposed in order to obtain the properties of the slowly variable complex envelope of the frequency comb generated at the output of the laser whose photodetection leads to the RF power generated by the COEO. The COEO generates a comb sufficiently wide to produce RF harmonics greater than the repetition frequency of the mode-locked laser if the longitudinal modes spaced apart from several free spectral intervals (ISL) are in phase. The iterative model developed allows, from the experimental parameters, to determine the optical spectrum as well as the phase distribution within it. It is then possible to increase the power of a harmonic at the output of the photodiode by adding dispersive elements. This frequency multiplication allows the generation of high spectral purity signals in millimeter band. An experimental demonstration at 90 GHz has been proposed, based on a COEO operating at 30 GHz. These results are promising and integration of the COEO into a thermalized housing as well as finer management of fiber dispersion can allow significant improvements in the phase noise of the system.
Le développement technologique dans le domaine des télécommunications, ainsi que des systèmes de détection, a accru ces dernières années la nécessité de signaux de référence présentant une très haute pureté spectrale. L’augmentation des débits, la saturation des bandes de fréquence ainsi que les performances imposées pour la détection radar ont ouvert la voie à la génération micro-onde par l’optique. Ces références de fréquence sont souvent issues d’oscillateurs optoélectroniques (OEO). Ces oscillateurs intègrent un élément de stockage de l’énergie au travers de résonateurs ou de longues lignes à retard fibrées afin d’augmenter leur facteur qualité et permettant ainsi d’atteindre des performances supérieures aux signaux multipliés à partir de sources basses fréquences ou directement à partir d’oscillateurs micro-ondes à résonateur diélectrique (DRO). Une topologie originale d’oscillateurs optoélectroniques a été proposée à la fin des années 1990 par une équipe américaine : il s’agit de remplacer le résonateur passif nécessitant un verrouillage du laser sur ce dernier par un résonateur actif, intégrant un amplificateur optique. Ce résonateur actif, un laser à blocage de modes, permet un couplage entre l’oscillation optique du laser et l’oscillation optoélectronique. On parle alors d’oscillateur optoélectronique couplé (COEO). Les performances du COEO sont étroitement liées à la pureté spectrale du signal issu du laser à blocage de modes. Ce travail de thèse traite de l’étude et de l’optimisation de ces systèmes. Une étude approfondie sur le bruit dans les amplificateurs optiques a tout d’abord été menée afin de déterminer quel type d’amplificateur choisir pour le COEO et sous quelles conditions l’amplification optique apporte un bruit de phase minimal. Ensuite, un COEO à 10 GHz a été réalisé, présentant un très faible bruit de phase atteignant – 132 dBc/Hz à 10 kHz de la porteuse. Un modèle a par ailleurs été implémenté, permettant de déterminer a posteriori l’efficacité du couplage et ainsi la bande de verrouillage entre l’oscillation optoélectronique et le laser à blocage de modes. Ce couplage interne dépend fortement de la dynamique du système. Cependant, les différents effets non linéaires qui ont lieu dans l’amplificateur à semiconducteur et les fibres ne permettent pas d’obtenir un modèle analytique. Un modèle itératif a alors été proposé afin d’obtenir les propriétés de l’enveloppe complexe lentement variable du peigne de fréquence généré en sortie du laser dont la photodétection conduit à la puissance RF générée par le COEO. Le COEO génère un peigne de fréquence suffisamment large pour produire des harmoniques RF supérieurs à la fréquence de répétition du laser à blocage de modes, si les modes longitudinaux espacés de plusieurs intervalles spectraux libres (ISL) sont en phase. Le modèle itératif développé permet, à partir des paramètres expérimentaux de déterminer le spectre optique ainsi que la distribution de phase à l’intérieur de celui-ci. Il est possible alors d’augmenter la puissance d’une harmonique en sortie de la photodiode par un ajout d’éléments dispersifs. Cette multiplication de fréquence permet la génération de signaux à haute pureté spectrale en bande millimétrique. Une démonstration expérimentale à 90 GHz a été proposée, basée sur un COEO fonctionnant à 30 GHz. Ces résultats sont prometteurs et une intégration du COEO dans un boîtier thermalisé ainsi qu’une gestion plus fine de la dispersion des fibres peut permettre des améliorations significatives sur le bruit de phase du système.
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Dates et versions

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tel-01560899 , version 2 (24-10-2018)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01560899 , version 1

Citer

Vincent Auroux. Application des lasers fibrés à verrouillage de modes à la génération très haute fréquence à haute pureté spectrale. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. UNIVERSITE TOULOUSE 3 PAUL SABATIER (UT3 PAUL SABATIER), 2017. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01560899v1⟩
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