Oscillateurs optoélectroniques à base de résonateurs silicium pour applications à la génération de signaux hyperfréquences et aux capteurs

Silicon resonators based optoelectronic oscillators for applications in microwave signal generation and sensing

• Auteur / Autrice : Thi Phuong Do
• Direction : Isabelle Ledoux-Rak
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 02/07/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Photonique Quantique et moléculaire (Cachan, Val de Marne) Cachan
• Jury : Président / Présidente : Éric Cassan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Polleux, Bernard Journet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Bigler, Joël Charrier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit de phase

Résonateurs optiques

Optoélectronique hyperfréquence

Photonique

Optoélectronique

Oscillateurs

Mots clés libres

Oscillateur optoélectronique

Photonique

Photonique hyperfréquence

Résonateur optique

Capteur

Bruit de phase

Optoelectronic oscillator

Photonics

Microwave photonics

Optical resonators

Sensor

Phase noise

Résumé

Ces travaux portent sur l'insertion de résonateurs en anneau de silicium dans des boucles d’oscillateurs optoélectroniques (OEO) pour la génération de signaux micro-ondes à faible bruit de phase et constituent une contribution à la future intégration complète des systèmes OEO en photonique silicium. L'orientation de l'application qui a été explorée a été d'évaluer la performance de ces systèmes pour la détection de variations d’indice optique en volume. Deux configurations différentes de résonateurs en anneau de silicium à base d'OEO ont été proposées et démontrées : des OEO à base de résonateurs en anneau silicium millimétriques et des OEO accordables à base d’anneaux plus compacts et d'un schéma spécifique de réinjection de porteuse optique.Dans la première approche, le signal optique est utilisé comme porteuse optique, qui est modulée par un modulateur d'intensité qui produit un ensemble de deux bandes latérales dans le domaine optique, tandis que le résonateur en anneau génère un peigne optique qui agit comme un filtre optique, transposant son intervalle spectral libre (ISL) dans le domaine micro-onde. Par le battement des deux raies optiques adjacentes dans un photodétecteur, l’information est ainsi traduite dans le domaine RF. La contribution de notre travail a été de démontrer que la réalisation de résonateurs millimétriques (environ 6mm) en photonique silicium était une approche viable et intéressante pour la réalisation directe d'OEO. Dans les configurations étudiées, les résonateurs en anneau SOI ont été optimisés pour satisfaire la cible requise d'un ISL d’environ 15 GHz et un facteur de qualité optique supérieur à 10^5. Les résultats expérimentaux obtenus ont démontré la viabilité et la stabilité de l'approche proposée, tandis qu’un niveau de bruit de phase de -100dBc/Hz à un décalage de 100 kHz par rapport à la porteuse et une capacité de détection du système d’environ 3,72 GHz/RIU ont été quantifiés pour une variation de l'indice de réfraction comprise entre 1,572 et 1,688, en bon accord avec les résultats des simulations.En complément de cette première étape, nous avons abordé la question très importante de l'accordabilité de la fréquence du signal hyperfréquence généré. À cette fin, nous avons proposé, conçu, puis développé et testé une configuration d’OEO originale, basée sur l'utilisation d'une seule bande de modulation et d'un mécanisme de réinjection de la porteuse optique du laser de la boucle. Dans ce schéma, le signal oscillant est créé par le battement entre le faisceau laser et une bande latérale unique du signal de modulation sélectionnée par un résonateur en anneau. Dans l'implémentation que nous avons réalisée, un résonateur photonique SOI avec un ISL de 77 GHz et un facteur de qualité optique à 8,1×10^4 a été utilisé. En modifiant la fréquence du laser tout en conservant une longueur d'onde de résonance du résonateur fixe, une accordabilité de 5,8 GHz à 18,2 GHz a été démontrée, qui est seulement limitée par le fonctionnement de l'amplificateur RF utilisé dans les expériences réalisées. Parallèlement, un niveau de bruit de phase de -115 dBc/Hz à une fréquence de décalage de 1 MHz a été obtenu pour tous les signaux générés, démontrant la possibilité de créer des fréquences d'oscillation élevées avec le même niveau de bruit de phase. Nous avons ensuite appliqué cette approche à la détection de l'indice de réfraction en volume et démontré une sensibilité de détection de 94350 GHz/RIU et une limite de détection d'indice de 10^-8 RIU. Au-delà de ces résultats expérimentaux, l'apport de cette seconde approche apporte une solution simple et flexible au problème de la génération de signaux hyperfréquences à fréquences variables à la demande, et ouvre des perspectives d'application très riches.Tous les résultats de la thèse contribuent à la question de l'intégration des OEO sur puces silicium et permettent d'anticiper diverses applications dans le domaine des communications et des capteurs.

This work focuses on the insertion of silicon ring resonators into the loops of optoelectronic oscillators (OEO) for the generation of low phase noise microwave signals and is a contribution to the future full integration of OEO systems on single silicon chips. The application orientation that was explored was to evaluate the performance of these systems for bulk optical index detection. Two different configurations of silicon ring resonators based OEO have been proposed and demonstrated: OEO based on millimeter-long silicon ring resonators and tunable OEO based on more compact silicon ring resonators and a specific optical carrier reinjection scheme.In the first approach, the optical signal is used as an optical carrier, which is modulated by an intensity modulator that produces a set of sidebands in the optical domain, while the ring resonator generates an optical comb that acts as an optical filter, translating its Free Spectral Range (FSR) into the microwave domain. By the beating of two adjacent optical comb lines in a photodetector, the optical spectral lines are then translated into the RF domain. The contribution of our work has been to demonstrate that the realization of millimeter resonators (about 6mm) in silicon photonics was a viable and interesting approach for the direct realization of OEO. In the investigated configurations, SOI ring resonators were optimized to satisfy the required target of a FSR of around 15GHz and an optical quality factor above 10^5. The demonstrated experimental results showed the viability and the stability of the proposed approach, while phase noise level of -100dBc/Hz at an offset of 100 kHz from carrier was obtained and sensing capability of the studied system was quantified to around 3.72 GHz/RIU for a refractive index variation in the range of 1.572 to 1.688, in good agreement with simulation results.In a complementary direction to this first step, we addressed the very important issue of the tunability of the frequency of the microwave signal generated. To this end, we proposed, designed, and then developed and tested an original OEO configuration based on the use of a single modulation band and a mechanism for reinjection of the optical carrier from the loop laser. In this scheme, the oscillation signal is created under the beating between the laser light beam and a single modulation signal sideband selected by an add-drop ring resonator working as an effective optical bandpass filter. In the implementation we have carried out, a SOI photonic resonator with a FSR of 77 GHz and an optical quality factor at 8.1×10^4 was used. By changing the laser frequency while keeping a fixed resonator resonance wavelength, a tunability from 5.8GHz to 18.2GHz was demonstrated, being only limited by the working operation of the RF amplifier used in the carried out experiments. Meanwhile, a phase noise level of -115 dBc/Hz at 1MHz offset frequency was obtained for all generated signals, showing the possibility of creating high oscillation frequencies with the same phase noise level. We then applied this approach for bulk refractive index sensing application and demonstrated a sensing sensitivity of 94350GHz/RIU and an index limit of detection of 10^-8 RIU by considering a signal resolution of 1MHz. Beyond these experimental results, the contribution of this second approach provides a simple and flexible solution to the problem of generating microwave signals with variable frequencies on demand, and opens up very rich application perspectives.All the results of the thesis contribute to the question of the integration of OEOs on silicon chips and make it possible to anticipate various applications in the field of communications and sensors.