Lumière lente et rapide dans les amplificateurs optiques à semi-conducteurs pour des applications en optique micro-onde et aux RADAR

Slow and fast light in semiconductor optical amplifiers. Applications in microwave photonics and RADAR

• Auteur / Autrice : Perrine Berger
• Direction : Fabien Bretenaker
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/02/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Thales Research and Technology (Palaiseau, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Aimé Cotton (Orsay, Essonne) - Thales Research and Technology [Palaiseau] - Laboratoire Aimé Cotton
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Bretenaker, Luc Thévenaz, Jean-Claude Simon, Philippe Boucaud, Jean-Louis Coutaz, Philippe Adam
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luc Thévenaz, Jean-Claude Simon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-ondes

Optique non linéaire

Amplificateurs optiques

Semiconducteurs

Mots clés libres

Lumière lente et rapide

Amplificateurs optiques à semi-conducteurs

Optique micro-onde

RADAR

Hyperfréquence

Ligne à retards accordables

Déphaseur RF accordable

Oscillations cohérentes de population

SOA

CPO

Slow and fast light

Semiconductor optical amplifier

Microwave photonics

Radar

Hyperfrequency

Tunable delay lines

RF phase shifter

Coherent population oscillation

SOA

CPO

Résumé

Les techniques permettant de maitriser la vitesse de la lumière, au-delà de l'intérêt scientifique qu'elles suscitent, peuvent être appliquées au domaine radar. Elles permettent, ainsi, de remplacer avantageusement les retards optiques, jusqu'alors réalisés par des modifications géométriques du chemin optique. L’objectif de la thèse est d’étudier la lumière lente et rapide créée par oscillations cohérentes de population dans les amplificateurs à semi-conducteurs.Nous avons évalué théoriquement et expérimentalement les performances d’une ligne à retards accordables, en termes d’amplitude des retards et déphasages accordables, et de bandes passantes. Nous avons aussi étudié l’impact des oscillations cohérentes de population sur les facteurs de mérite de la liaison opto-électronique. La compréhension des mécanismes physiques mis en jeu nous a amenés à proposer des solutions pour contourner les limites identifiées du composant. Nous avons montré qu’il était possible d’utiliser les lignes à retards accordables au delà de l’inverse du temps de vie des porteurs (500 MHz) en utilisant la montée en fréquence des oscillations cohérentes de population par modulation croisée de gain. Nous avons ainsi obtenu des retards accordables de 389 ps à 16 GHz, sur une bande passante instantanée de 360 MHz. Enfin nous avons proposé une architecture permettant d’obtenir des déphasages accordables proches de 180 degrés à haute fréquence, en substituant l’effet du couplage gain-indice, révélé par l’utilisation d’un filtre optique, par l’excitation paramétrique des oscillations cohérentes de population. Nous avons utilisé ce principe, qui permet par exemple d’atteindre un déphasage accordable de 162 degrés à 2,2 GHz, pour concevoir un oscillateur optoélectronique fonctionnant à 2,2 GHz. La fréquence de ce dernier est rapidement accordable sur 6 MHz à l’aide du courant d’injection de l’amplificateur à semi-conducteur.

Slow and fast light is becoming a wide research field driven by an extensive effort to implement this new technology in real applications. Coherent population oscillations in semiconductor optical amplifiers constitute one of the most promising approaches, in particular for the processing of optically carried microwave signals, which includes the control of tunable true time delays and RF phase shifts.We studied theoretically and experimentally the available tunable delays and phase shifts and the associated bandwidths for a microwave photonics link including a semiconductor optical amplifier. We analyzed the influence of the coherent population oscillations on the dynamic range of the link.The understanding of the underlying physical mechanisms led us to propose new architectures in order to overcome the identified limitations of the components. We show how up-converted coherent population oscillations enable to get rid of the intrinsic limitation of the carrier lifetime (500 MHz), leading to the generation of true time delays at any high frequencies in a single semiconductor device. We demonstrated tunable delays up to 389 ps at 16 GHz, with an instantaneous bandwidth of 360 MHz.Lastly we demonstrate how to conceive a RF phase shifter up to 180 degrees at high frequency by forced coherent population oscillations. This effect replaces the enhancement of the coherent population oscillations by gain-index coupling effect, revealed by an optical filter. We used this principle, which enables to achieve a tunable phase shift up to 162 degrees at 2,2 GHz, in order to conceive an optoelectronic oscillator at 2,2 GHz. The frequency of this oscillator is fast tunable over 6 MHz by changing the current of the semiconductor amplifier.