Dynamique et applications des boucles optiques à décalage de fréquence pour l'optique hyperfréquence et la métrologie

Dynamics and applications of optical frequency shifting loops for microwave photonics and metrology

• Auteur / Autrice : Vincent Billault
• Direction : Hugues Guillet de Chatellus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 09/10/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble, Isère, France ; 1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Éric Lacot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Laure Billabert, Arnaud Fernandez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Bretenaker, Ammar Sharaiha

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de communication à laser

Micro-ondes

Photonique

Mots clés libres

Optique hyperfréquence

Boucle à décalage de fréquence

Peigne de fréquences

Échantillonnage assisté optiquement

Métrologie optique

Amplificateur optique

Microwave photonics

Frequency shifting loops

Frequency combs

Optically-Assisted sampling

Optical metrology

Optical amplifier

Résumé

Depuis une dizaine d’années, les boucles à décalage de fréquence ont montré des performances inédites dans le domaine de la photonique microonde. La compréhension fine de ces architectures particulières représente une étape essentielle à leur optimisation selon les applications visées. Les objectifs de cette thèse sont d'apporter une description dynamique des boucles à décalage de fréquence, et d’étudier en profondeur leur utilisation dans deux cas concrets d’applications : la génération d’impulsions à haute cadence de répétition et à bas bruit de phase, et la génération d’impulsions à modulation linéaire de fréquence de large couverture spectrale.Nous avons étudié théoriquement et expérimentalement la formation du peigne de fréquences dans le régime transitoire des boucles à décalage de fréquence, ainsi que la stabilité du train d’impulsions émis par la boucle en régime stationnaire. La compréhension des mécanismes et phénomènes mis en en jeu à travers deux modèles basés respectivement sur les équations couplées du laser et sur la fonction de transfert de bruit de la boucle à décalage de fréquence, nous ont permis de proposer des solutions pour optimiser l’architecture de boucle à décalage de fréquence.Nous avons enfin proposé deux applications pour lesquelles nous avons montré les avantages de l‘utilisation de boucles à décalage de fréquence : l’échantillonnage de signaux radiofréquence à large bande instantanée assisté optiquement, et la métrologie optique (télémétrie, capteurs à fibre optique).

Over the past decades, frequency shifting loops have shown unprecedented performances in the field of microwave photonics. A detailed understanding of the particular architectures represents an essential step in their optimization regarding the targeted applications. The objectives of this thesis are to provide a dynamic description of frequency shifting loops, and to study in depth their use in two concrete cases of applications: the generation of pulses with high repetition rate and low phase noise, and the generation of chirps with large bandwidth.We have studied theoretically and experimentally the formation of the frequency comb in the transient regime of frequency shifting loops, as well as the stability of the pulse train emitted by the loop in the stationary state. Understanding the phenomena and mechanisms involved in the two models developed based respectively on the rate equation of the laser and the noise transfer function of the loop, allow us to propose different solutions to optimize the architecture of frequency shifting loops.Eventually, we have proposed two applications for which we have shown the advantages of frequency shifting loops: optically-assisted sampling of wideband radiofrequency signals, as well as optical metrology such as telemetry or optical sensors.