Architectures spectro-spatiales dans les cristaux dopés aux ions terre rare pour le traitement de signaux radiofréquence large bande

Spectro-spatial architectures in rare-earth ion-doped crystals for wideband radiofrequency signal processing

• Auteur / Autrice : Lothaire Ulrich
• Direction : Julien De rosny, Anne Louchet-Chauvet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Langevin-Ondes et images (Paris ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Thales Research and Technology (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Derode
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien De rosny, Lars Rippe, Salvador Sales, Diana Serrano Garcia, Jean Etesse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lars Rippe, Salvador Sales

Mots clés

Mots clés libres

Traitement de signal

Radiofréquence

Cristaux dopés aux terres rares

Creusement de trou spectral

Signal processing

Radiofrequency

Rare-Earth ion-Doped cristals

Spectral hole burning

Résumé

Les propriétés de creusement de trou spectral, que l’on trouve à température cryogénique dans certains cristaux dopés aux ions de terres rares, offrent des possibilités prometteuses pour le traitement de signaux radiofréquence large bande. En effet ces propriétés permettent de programmer des fonctions de traitement radiofréquence dans le spectre d’absorption du cristal. Partant des premières démonstrations hors laboratoire d'un analyseur de spectre large bande reposant sur un cristal de Tm$^{3+}$:YAG, l'objectif de ce travail de thèse est double: d'une part démontrer la versatilité de l'architecture utilisée en développant de nouvelles fonctions de traitement radiofréquence, et plus spécifiquement la fonction de filtrage, et d'autre part améliorer les performances de l'analyseur de spectre.Nous commençons par l'étude de la fonction de filtrage radiofréquence. Nous démontrons la première réalisation de la fonction de filtrage dans des cristaux dopés aux terre rares. Cette démonstration s'appuie sur l'architecture "arc-en-ciel" dans un cristal de Tm3+:YAG. Nous présentons une étude paramétrique afin d'optimiser les performances du filtre. Nous développons ensuite un modèle analytique décrivant la réponse du filtre en amplitude et en phase. Après optimisation du filtre, nous obtenons une réjection de 60~dB, avec une réjection de 45~dB à 50~MHz du bord du filtre, à l'état de l'art des filtres photoniques GHz.Dans un second temps, nous nous intéressons au montage historique de l'analyseur de spectre large bande. Le premier axe d'étude est dédié à la baisse de dynamique observée expérimentalement lorsque la bande d'analyse augmente. Nous identifions que cette baisse est liée à une élévation de température dans le cristal due aux excitations optiques. Nous nous attachons à mesurer le profil de température à l'intérieur du cristal par spectroscopie SHB, dans l'objectif de déterminer une configuration expérimentale favorable à une meilleure thermalisation du cristal. Dans le second axe d'étude dédié à l'analyseur spectral, nous nous intéressons à sa réponse fréquentielle. Nous étendons notre modèle de filtre radiofréquence pour l'adapter à cette configuration. Nous utilisons ce modèle pour comprendre les phénomènes pouvant mener un élargissement de la réponse de l'analyseur. Finalement nous appliquons notre modèle aux paramètres expérimentaux pour quantifier l'impact de ces phénomènes en pratique.

The property of Spectral Hole Burning, available in rare-earth ions-doped crystals at cryogenic temeprature, offers promising opportunities for wideband radiofrequency signal processing. Indeed, this property allows to program radiofrequency processing functions in the absorption profile of the crystal. Starting from first out-of-lab demonstrations of wideband spectrum analysis using a Tm$^{3+}$:YAG crystal, the objective of this PhD work is double: first, demonstrate the versatility of the architecture by developing new radiofrequency processing functions, more specifically the function of filtering, and second to improve he performances of the spectrum analyzer.We start with the study of radiofrequency filtering. We report the first demonstration of a radiofrequency filter using rare-earth ions-doped crystals. This demonstration relies on a spectro-spatial architecture in a crystal of Tm$^{3+}$:YAG. We present a parametrical study, aiming to optimze the performances of the filter. We develop an analytical model describing the response of the filter in amplitude and in phase. After optimizing the filter shape, we obtain a rejection of 60~dB, with a rejection of 45~dB at 50~MHz from the edge of the filter, at the state of the art of GHz-wide photonic RF filters.In a second part, we focus on the historical setup of wideband spectrum analysis. The first area of study is dedicated to the limited dynamic range observed experimentally when the analysis bandwidth is large. We identify that this diminution is related to a temperature elevation in the crystal caused by the optical excitations. We measure the temperature profile inside the crystal by SHB spectroscopy, with the objective to determine an experimental configuration beneficial for a better thermalization of the crystal. In the second area of study dedicated to the spectrum analyzer, we focus on its frequency response. We extend our model of radiofrequency filter to adapt it to this confguration. Using this model, we investigate the phenomenon possibly causing a broadening of the frequency response. Finally, we apply our model with the experimental parameters to quantify the impact of these phenomenon in practice.