Laser Intégrés sur Verre pour la Génération de Fréquence THz

Integrated Laser on glass for THz Frequency Generation

• Auteur / Autrice : Léo Hetier
• Direction : Julien Poëtte
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Optique et Radiofréquences
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 07/05/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Radiofréquences, Optique et Micro-nanoélectronique des Alpes
• Jury : Président / Présidente : Anne Kaminski-cachopo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Poëtte, Guillaume Ducournau, Olivier Gauthier-lafaye, Christelle Monat, Aurore Ecarnot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Ducournau, Olivier Gauthier-lafaye

Mots clés

Mots clés libres

Laser

Optique Intégrée

Électromagnétisme

Integrated Optic

Electromagnetism

Laser

Résumé

Plusieurs applications nécessitent l'emploi de signaux radiofréquences à très hautes fréquences et possédant de grandes qualités spectrales, telles que les systèmes des prochaines générations de communication sans fil, les spectroscopes, ainsi que les radars. La génération de ces signaux peut facilement être réalisée par des méthodes électriques tant que les fréquences sont inférieures aux fréquences millimétriques (30 GHz). De plus, les performances de ces systèmes électroniques se dégradent habituellement à mesure que la fréquence générée augmente. Les sources optiques constituent une alternative bien connue pour la génération de radiofréquences permettant l'accès à de très hautes fréquences, notamment jusqu'à la gamme TéraHertz (THz, > 300 GHz), en conservant leurs propriétés spectrales. Afin d’obtenir des signaux de grande pureté spectrale, les systèmes optiques reposent habituellement sur l'utilisation de boucles d'asservissement complexes, optiques ou optoélectroniques, qui limitent la fréquence maximale générée. Les travaux menés au sein du laboratoire de L’IMEP-LaHC ont permis de produire des lasers intégrés sur verre ayant des propriétés spectrales remarquables et adaptées à la génération de fréquences, ne nécessitant pas l’emploi de régulation. Ces performances ont pu être obtenues grâce à l'utilisation de la technologie d'échange d'ions développée au laboratoire. Les travaux entrepris dans le cadre de cette thèse ont débuté par la conception et la réalisation de lasers DFB intégrés sur substrats en verre. L’objectif est d'améliorer et de standardiser leurs performances pour permettre la génération reproductible de fréquences térahertz (THz) potentiellement dans la plage de 0,3 à 1 THz. Par la suite, une campagne de mesures exhaustive a été entreprise pour évaluer les caractéristiques de ces lasers. Afin de mieux comprendre le comportement des lasers et d'évaluer performances des signaux radiofréquences générés, plusieurs expériences de caractérisation avancées ont été réalisées. Ces études se sont principalement concentrées sur l'analyse du bruit de phase et d'intensité présents dans les signaux laser optiques, ainsi que dans les signaux électriques produits. Ces derniers ont été examinés grâce à l'analyse des signaux RF (0,1-6 GHz) générés par le mélange hétérodyne de paires de lasers, ou transposé en fréquence à l’aide de mélangeur, en mettant particulièrement l'accent sur la stabilité des signaux laser émis et sur leur cohérence. Nous avons ainsi quantifié la largeur de raie du laser à des niveaux inférieurs au kilohertz. Grâce à une collaboration avec l'Institut d'Électronique du Sud (IES) de Montpellier, ces lasers ont été utilisés pour générer des fréquences térahertz à 280 GHz en espace libre. L'analyse des signaux mesurés a montré une largeur de raie de l'onde térahertz de 2,2 kHz, en parfait accord avec les mesures optique de cohérence des lasers. Enfin, des tests de communication ont été réalisés avec cette configuration expérimentale, aboutissant à la toute première démonstration de communication térahertz en espace libre issue du photomélange de lasers DFB intégrés sur des substrats en verre.

Several applications require the use of high-frequency radiofrequency signals with excellent spectral qualities, such as next-generation wireless communication systems, spectroscopes, and radars. The generation of these signals can easily be achieved through electrical methods as long as the frequencies are below the millimeter waves range (30 GHz). Furthermore, the performances of these electronic systems degrade as the frequency increases. Optical heterodyning is a well-known alternative for generating radiofrequencies while allowing access to very high frequencies, up to the Terahertz (THz) range (> 300 GHz). These optical systems often rely on the use of complex optical or optoelectronic feedback loops to reach the required spectral specifications, which limit the maximum generated frequency. Research conducted at the IMEP-LaHC laboratory has led to the development of glass-integrated lasers with state-of-the-art spectral properties suitable for frequency generation that does not required such additional stabilization loop. These performances have been achieved through the use of the ion exchange technology developed within the laboratory. The work undertaken in this thesis began with the design and fabrication of Distributed Feedback (DFB) lasers integrated on glass substrates, with the objective of enhancing and standardizing their performance and reproducibility for Terahertz (THz) frequency generation, potentially within the 0.3-1 THz range. Subsequently, an extensive measurement campaign was initiated to assess the characteristics of these lasers. To gain a deeper understanding of laser behaviour and to evaluate the generated radiofrequency signals, several advanced characterization experiments were conducted. These investigations primarily focused on the analysis of phase and intensity noise in optical laser signals, as well as in the electrical signals produced. The analysis of RF signals (0.1-6 GHz) has been realized through the direct heterodyne mixing of laser pairs, or thanks to frequency down-conversion technique using electrical mixers. We focused on studying the stability of emitted laser signals and their coherence, enabling the estimation of the laser linewidth to sub-kilohertz levels. Through collaboration with the Institute of Electronics of the South (IES) in Montpellier, these lasers were used to generate Terahertz frequencies at 280 GHz in free space. Analysis of the measured signals revealed a Terahertz wave linewidth of 2.2 kHz, consistent with the optical coherence measurements of the lasers. Finally, communication tests were conducted with this experimental setup, resulting in the first-ever demonstration of Terahertz communication in free space generated by heterodyning of integrated on glass DFB lasers.