Oscillateurs optoélectroniques largement accordables et faible bruit pour les applications radar

Widely tunable and low noise optoelectronic oscillators for radar applications

• Auteur / Autrice : Jérémy Maxin
• Direction : Olivier Llopis, Loïc Morvan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et systèmes optoélectriques
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Jury : Président / Présidente : Philippe Arguel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Bondu, Vincent Giordano

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radar

Oscillateurs à microondes

Dispositifs optoélectroniques

Mots clés libres

Oscillateur optoélectronique (OEO)

Oscillateur optoélectronique couplé (COEO)

Optique micro-onde

Radar

Bruit de phase

Laser bifréquence

Boucle à verrouillage de fréquence

Fibre optique

Résonateur à fibre

Laser à verrouillage de modes

Amplificateurs optiques à semi-conducteur "à semelle"

Résumé

L'objectif de cette thèse est le développement de deux architectures d'oscillateurs optoélectroniques (OEO) afin de générer des signaux microondes très stables pour des applications radar. Les nouvelles génération de radar et de systèmes de guerre électronique requièrent le développement de nouvelles sources de signaux microondes très stables. La première architecture réalisée consiste à stabiliser le signal d'un laser bifréquence avec une boucle à verrouillage de fréquence optique. L'étude théorique et expérimentale du système a permis d'améliorer significativement la pureté spectrale du signal délivré par le laser. Implémenté avec une fibre optique de 100 m de long, l'oscillateur présente un bruit de phase de -105 dBc/Hz à 10 Hz de la porteuse avec une accordabilité de 2,5 à 5,5 GHz par pas de 2 MHz. Ces résultats correspondent aux limites techniques fixées par les composants hyperfréquences utilisés pour la boucle de stabilisation. L'implémentation de la boucle avec deux retards optiques en parallèles ou avec un anneau de fibre résonant comme retard optique est également étudiée. La seconde architecture développée est un oscillateur optoélectroniques couplé (COEO). Celle-ci, similaire à celle d'un laser à verrouillage de modes régénératif, résulte de l'imbrication d'une cavité laser à modes bloqués et d'une cavité optoélectronique résonante. Le développement du laser autour d'un amplificateur optique à semiconducteur (SOA) à semelle permet de tirer parti d'une puissance de saturation élevée et du faible bruit inhérent à ces composants. Nous mesurons avec ce dispositif une densité spectrale de puissance de bruit de phase de -135 dBc/Hz à 10 Hz de la porteuse à 10 GHz.

The objectives of this thesis is the developement of two optoelectronic oscillator architectures dedicated to the generation of low noise microwave signals for radar applications. The first oscillator is based on the stabilization of the beatnote of a widely tunable dual-frequency laser with an optical fiber delay line. A fine analysis of the stabilization loop implemented with a 100 m long optical fiber allowed us to reach the technical limit fixed by the loop microwave amplifiers. The oscillator is tunable from 2. 5 to 5. 5 GHz by 2 MHz steps and present a phase noise power spectral density of -105 dBc/Hz at 10 kHz offset from the carrier (performance independent of the carrier frequency). The use of two optical fibers in a double delay lines architecture and of a fiber ring resonator as a delay line are also investigated. The second architecture developed is a coupled optoelectronic oscillator (COEO). The architecture, similar to a regenerative mode-locked laser, is realized by coupling a resonant laser cavity to a resonant optoelectronic loop. The developpement of this oscillator is based on a new architecture of SOA : an asymmetrical cladding semiconductor optical amplifier. This component offers better saturation power and lower intrinsic noise than the classical design. The COEO operates around 10 GHz. A phase noise power spectral density of -135 dBc/Hz is measured at 10 kHz offset from the carrier.