Analyse et génération de signaux dans les boucles optiques à décalage de fréquence : analogie spatiale et nouveaux concepts d'auto-imagerie

Signal analysis and generation in optical frequency shifting loops : spatial analogy and new self-imaging concepts

• Auteur / Autrice : Côme Schnebelin
• Direction : Hugues Guillet de Chatellus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 01/10/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Pellat-Finet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Louchet-Chauvet, Signe Louise Seidelin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Brunel, Kevin Heggarty

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes -- Propagation

Systèmes de communication à laser

Photonique

Mots clés libres

Optique

Lasers

Fibres optiques

Télécommunications

Peignes de fréquence

Effet Talbot

Optics

Lasers

Optics fibers

Telecommunications

Frequency combs

Talbot effect

Résumé

Les techniques de génération et de traitement des signaux souffrent des limitations intrinsèques des systèmes électroniques : bande passante limitée, sensibilité aux interférences électromagnétiques, encombrement et coût. Au contraire, les systèmes optiques s’affranchissent naturellement de ces contraintes et sont potentiellement très attractifs pour la génération et le traitement des signaux. Au cours de cette thèse, nous avons étudié un système optique original utilisé pour la photonique micro-onde : les boucles à décalage de fréquence.Les propriétés temporelles de ces boucles présentent un parallèle frappant avec certaines propriétés de l’effet Talbot en optique spatiale. Cette dualité s’est révélée particulièrement riche au cours de ce travail, car elle nous a conduits à démontrer de nombreuses propriétés à la fois en optique temporelle dans les boucles à décalage de fréquence, mais aussi en optique spatiale dans des montages simples de diffraction.Nous avons ainsi mis en évidence la possibilité de calculer analogiquement la transformée de Fourier et la transformée de Fourier fractionnaire d’un signal arbitraire, avec une très bonne résolution spectrale. Ceci nous a permis de mesurer le taux de « chirp » d’un signal à modulation linéaire de fréquence, ou d’améliorer le rapport signal sur bruit de certains signaux. Nous avons également montré la possibilité de générer des trains d’impulsions avec un taux de répétition ajustable, et de faire de la mise en forme spectrale de haute résolution, en amplitude et en phase. Ce résultat permet de générer des signaux arbitraires optiques ou radiofréquences, avec des bandes passantes de plusieurs dizaines de GHz et des durées pouvant aller jusqu’à plusieurs dizaines de ns.La richesse de la dualité entre l’optique spatiale et les boucles à décalage de fréquence nous a conduits à réinterpréter un certain nombre de propriétés de l’effet Talbot (formation des images, auto-réparation des images de Talbot) et à proposer des concepts nouveaux, tels que le contrôle des images de Talbot (période et taille) ou l’amplification d’image.

Signal generation and processing techniques suffer from intrinsic limitations of electronic systems: limited bandwidth, sensitivity to electromagnetic interference, bulk and cost. On the contrary, optical systems naturally overcome these constraints and are potentially very attractive for the generation and processing of signals. During this thesis, we studied an original optical system used for microwave photonics: frequency shifting loops.The temporal properties of these loops have a strong link with some properties of the Talbot effect in spatial optics. This duality has been successful during this work, because it led us to demonstrate many properties both in time optics in the frequency shifting loops, and in spatial optics with simple diffraction setup.We have thus demonstrated the possibility of analogically calculating the Fourier transform and the fractional Fourier transform of an arbitrary signal, with a very good spectral resolution. This allowed us to measure the "chirp" rate of a linearly frequency modulated signal, or to improve the signal-to-noise ratio of some signals. We have also shown the possibility to generate pulse trains with an adjustable repetition rate, and to make spectral shaping of high resolution, in amplitude and phase. This result has been used to generate arbitrary optical or radiofrequency signals with bandwidths of several tens of GHz and durations of up to several tens of ns.The properties of the duality between spatial optics and frequency shifting loops led us to reinterpret a number of properties of the Talbot effect (image formation, self-healing of Talbot images) and to propose new concepts, such as control of Talbot images (period and size) or image amplification.