Cavité optique ultra-stable pour la génération et le traitement de signaux hyperfréquences.

par Vincent Billault

Projet de thèse en Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement

Sous la direction de Hugues Guillet de chatellus et de Vincent Crozatier.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Physique , en partenariat avec Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (laboratoire) et de OLA : Optique, Lasers et Applications (equipe de recherche) depuis le 21-11-2017 .


  • Résumé

    La thèse “Cavité optique ultra-stable pour la génération et le traitement de signaux hyperfréquences” se propose d'étudier un certain nombre de fonctionnalités des cavités à décalage de fréquence pour la génération et le traitement de signaux RF. En effet, dans un contexte d'augmentation constante de la bande passante des signaux RF pour les télécommunications , les techniques de génération et de traitement de signaux purement électroniques sont limitées par la vitesse de la conversion analogique-numérique, et numérique-analogique. Au contraire, les techniques optiques présentent des bandes passantes extrêmement importantes (THz) et offrent des perspectives prometteuses pour la génération et le traitement de signaux RF. Parmi les différentes architectures possibles, les boucles à décalage de fréquence (ou laser à effet Talbot) constituent une solution simple et robuste, qui permet de générer des trains d'impulsions à des cadences élevées (> 10 GHz) en utilisant une source électronique à quelques dizaines de MHz. Par ailleurs, ces systèmes permettent aussi d'effectuer un traitement analogique en temps réel de signaux RF (transformée de Fourier, et transformée de Fourier fractionnaire). Cette thèse entre Thales Research and Technology et le LIPhy, se propose, dans le cadre du projet ANR TAPAS, de démontrer et d'optimiser les potentialités des boucles à décalage pour la génération de trains d'impulsions à des cadences > GHz, et à très faible bruit de phase. Une première partie du travail proposé sera dédiée à une étude de la dynamique des lasers à effet Talbot. Les premières réalisations expérimentales ont été faites avec des milieux à gain solide (Ti :Sa, fibre dopée erbium), dont le gain modéré limite les possibilités de filtrage optique et pose des contraintes sur les pertes du décaleur de fréquence intracavité. En outre, compte tenu du temps de vie de l'inversion de population des milieux à gain et des longueurs de cavité mises en jeu, la dynamique de ces lasers est dite de classe B. L'utilisation d'un amplificateur optique à semi-conducteur (SOA), doit ouvrir de nouvelles possibilités. D'une part le grand gain optique disponible permet de lever les contraintes de pertes de la cavité. D'autre part, compte du faible temps de vie des porteurs dans les semi-conducteurs (ns), l'utilisation de SOAs dans de longues cavités fibrées permettra de basculer la cavité Talbot vers une dynamique de classe A , non étudiée jusqu'ici avec ce type de laser. En outre, ces amplificateurs sont particulièrement pertinents du point de vue de l'intégration dans des systèmes à terme. Le doctorant développera une nouvelle cavité Talbot à base de SOA, qui servira de point de départ pour le reste de ces travaux. Dans la deuxième partie le doctorant étudiera finement la dynamique des lasers à cavité Talbot. Cette étude s'accompagnera d'une modélisation, qui se basera sur les premiers travaux du LIPhy pour le faire évoluer et notamment prendre en compte la dynamique rapide des porteurs dans le SOA, les sources de perturbation (émission spontanée, bruits de fréquence et d'intensité de la source d'injection), et les dérives relatives entre la fréquence de décalage fs et la longueur de la cavité. La pureté du train d'impulsions issu de la cavité Talbot sera comparée à celle obtenue par des méthodes de génération de trains d'impulsions optiques traditionnels par verrouillage de modes actif harmonique. Enfin, la cavité Talbot sera étudiée dans un but de traitement de signal RF. Différentes voies sont envisageables (analyse spectrale, génération de signaux arbitraires, filtrage, génération d'impulsions à dérive de fréquence). Une première analyse de performances sera menée pour effectuer une démonstration expérimentale à la fois originale scientifiquement, et pertinente du point de vue applicatif.

  • Titre traduit

    Ultra stable optical cavity for the generation and processing of microwave signals.


  • Résumé

    The thesis "Ultra-stable optical cavity for the generation and processing of microwave signals" proposes to study a number of functions of frequency shifting cavities for the generation and processing of RF signals. Indeed, in a context of constantly increase of the bandwidth of RF signals for telecommunications, purely electronic techniques for the generation and processing of RF signals are limited by the speed of analog-to-digital conversion and digital-to-analog conversion. On the contrary, optical techniques show extremely high bandwidths (THz) and offer promising prospects for the generation and processing of RF signals. Among the various possible architectures, frequency shifting loops (or Talbot lasers) are a simple and robust solution that can generate pulse trains at high speeds (> 10 GHz) using an electronic generator at a few tens of MHz. Moreover, these systems also make it possible to carry out an analog real-time processing of RF signals (Fourier transform, and Fractional Fourier transform). This thesis between Thales Research and Technology and LIPhy proposes, within the framework of the ANR TAPAS project, aims at demonstrating and optimizing the potential of frequency shifting loops for the generation of pulse trains at rates > GHz with ultra low phase noise. A first part of the proposed work will be devoted to a study of the dynamics of Talbot lasers. The first experiments were performed with solid gain media (Ti: Sa, doped erbium fiber), whose moderate gain limits the optical filtering possibilities and imposes constraints on the losses of the intracavity frequency shifter. In addition, due to the lifetime of the inversion of the gain media and the cavity lengths involved, the dynamics of these lasers are called class B. The use of a semiconductor optical amplifier (SOA), must open up new possibilities. On the one hand, the large available optical gain makes it possible to exceed the losses of the cavity. On the other hand, given the low lifetime of the carriers in semiconductors (ns), the use of SOAs in long fibered cavities will make it possible to switch the Talbot cavity to a class A dynamics, not studied until now. In addition, fiber systems are particularly relevant from the point of view of integration. The PhD student will develop a new Talbot-based SOA cavity, which will serve as a starting point for the rest of this work. In the second part, he will study the dynamics of cavity lasers Talbot. This study will be based on a numerical model taking into account the rapid dynamics of the carriers in the SOA, the sources of disturbance (spontaneous emission, frequency and frequency noises), the intensity of the injection source), and the relative drifts between the offset frequency and the length of the cavity. The purity of the pulse train from the Talbot cavity will be compared with that obtained by conventional optical pulse train generation methods by locking of harmonic active modes. Finally, the Talbot cavity will be studied for the purpose of RF signal processing. Different options can be envisaged (spectral analysis, generation of arbitrary signals, filtering, generation of frequency drift pulses). A first performance analysis will be carried out to carry out an experimental demonstration that is both scientifically original and relevant from an application point of view.