Elaboration de sources hyperfréquences à haute pureté spectrale à base de résonateurs optiques

par Pierre-Henri Merrer

Thèse de doctorat en Micro-ondes, électromagnetisme et optoélectronique

Sous la direction de Olivier Llopis et de Sophie Bonnefont.

Soutenue en 2009

à Toulouse 3 .

mots clés

• Résonateur optique à modes de galerie
• Facteur de qualité
• Couplage
• Asservissement
• Filtrage micro-onde par l'optique
• Optique microonde
• Oscillateur Microonde
• Bruit de phase
• Tubes hyperfréquences
• Fibres optiques
• Résonateurs électriques
• Oscillateurs à microondes

Résumé

La réalisation d'une source hyperfréquence à très haute pureté spectrale à base de résonateurs optiques représente un véritable enjeu. C'est dans cette approche que s'inscrivent les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit. L'oscillateur électro-optique a été développé à la fin des années 90 et a conduit à d'excellents résultats en termes de bruit de phase. Les dispositifs actuels utilisent une ligne à retard réalisée par une fibre optique. Les faibles pertes dans la ligne autorisent un retard important de l'onde optique modulée, équivalent dans le domaine hyperfréquence à un résonateur de coefficient de qualité de l'ordre de 106. Cependant, plusieurs problèmes se posent. Un des problèmes est celui des dimensions du système, et du contrôle de la stabilité en température de l'ensemble du dispositif. Il n'existe pas de solution simple, et la seule solution consiste à remplacer la ligne à retard fibrée par un résonateur optique à très fort coefficient de qualité. Plusieurs types de ces résonateurs optiques ont été étudiés : micro- ou mini-sphère de silice, et mini-disque monocristallin de Quartz. L'étude de ces résonateurs dédiés à la réalisation d'une source hyperfréquence à très haute pureté spectrale constitue par conséquent la problématique essentielle de ce travail de thèse. Pour effectuer une telle analyse, un protocole de mesure des différents types de résonateurs optiques dont nous disposions a été mis en place. Un nouveau type de résonateur a également été proposé pour ces applications : l'anneau fibré. Finalement, un premier oscillateur micro-onde à résonateur optique a été réalisé et caractérisé.

Titre traduit

Investigations towards high spectral purity microwave sources based on optical resonators

Résumé

Investigations towards a resonator featuring a high quality factor in a reduced volume are a very important and interesting problem in the microwave field. The microwave resonators used for high spectral purity microwave sources are reaching their limits when the goal is to get simultaneously high performance in terms of phase noise, small size and high frequency operation. Therefore, an original approach is to transpose the microwave wavelength in the optical field. This is the case, as an example, of microwave oscillators using as a frequency reference element an optical delay line in place of the conventional microwave resonator. However, these oscillators require a large volume, and are difficult to stabilize versus the temperature fluctuations. The aim of this study is thus to replace the optical fiber by an optical resonator, and to realize an high spectral purity microwave source referenced on this resonator. A characterization bench has been set up with nanometre scale precision 3D displacement stages to hold the coupling of the resonator (SiO2 mini-sphere, or monocrystalline disk). An optical Q factor of 4. 109 has been demonstrated on a quartz minidisk. However, it is difficult to get an efficient and stable resonator coupling, because of the mode shift with temperature when the light is induced in the resonator. Two techniques have been studied to solve these problems and are presented in this manuscript. . .