Laser Intégrés sur Verre pour la Génération de Fréquence THz

par Léo Hetier

Projet de thèse en Optique et radiofrequences

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal , en partenariat avec Institut de Microélectronique, Electromagnétisme et Photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (laboratoire) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    Plusieurs systèmes nécessitent l'emploi de signaux radio-fréquences à très hautes fréquences et possédant de grandes qualités spectrales, par exemple 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 pour des fréquences inférieures aux ondes millimétriques (30 GHz). Néanmoins, les performances de ces systèmes électroniques se dégradent à mesure que lorsque la fréquence augmente. Les sources optiques constituent une alternative bien connue pour la génération de radiofréquences tout en permettant l'accès aux de très hautes fréquences, notamment jusqu'à la gamme TéraHertz (THz> 300GHz). Ces systèmes optiques reposent le plus souvent sur l'utilisation de boucles d'asservissement complexes, optiques ou optoélectroniques qui limitent la fréquence maximale générée. De récents travaux menés au sein de notre laboratoire ont permis de produire des lasers intégrés sur verre ayant des propriétés spectrales de pointe adaptées à la génération de fréquences. Ces performances ont pu être obtenues grâce à l'utilisation de la technologie d'échange d'ions développée au laboratoire. Nous avons récemment validé leur utilisation pour générer des porteuses de radiofréquence à 60 GHz dans un système de communication radio sur fibre. Les travaux visés dans cette thèse sont l'amélioration des dispositifs, afin d'améliorer et d'homogénéiser les performances tout en permettant à des collaborateurs extérieurs de pouvoir les utiliser dans leurs propres applications. Nous visons entre autre des fréquences plus élevées (0,3-1 THz) pour des études seront menées en collaboration avec des équipes de recherche spécialisées dans les applications THz en spectroscopie (IMEP-LaHC-Chambéry) mais aussi pour les télécommunications (IES-Montpellier). Travail prévu : 
- Conception et réalisation de lasers : Afin d'obtenir d'excellentes propriétés spectrales, les sources optiques utilisées pour l'hétérodynage doivent être co-intégrées dans le même substrat de verre. Ces travaux bénéficieront d'études et de travaux de thèses antérieurs. Nous nous concentrerons sur l'optimisation de la conception et de la réalisation de lasers co-intégrés avancés. Ces études impliqueront la modélisation des éléments du laser, leur conception en salle blanche ainsi que les différentes caractérisations nécessaires pour les qualifications. 
- Caractérisations avancées : Afin de comprendre le comportement du laser et de qualifier la radiofréquence générée, plusieurs expériences de caractérisations avancées seront mises en œuvre. Elles seront notamment axées sur l'analyse des bruits de phase et d'intensité des signaux optiques laser, mais aussi des signaux électriques générés. Cette partie du travail bénéficiera de collaborations déjà initiées avec des laboratoires extérieurs. 
- Conceptions avancées : L'intégration de fonctionnalités supplémentaires sera étudiée afin d'étendre les capacités de ces systèmes. Outre les fonctions optiques supplémentaires, l'encapsulation de la structure et le co-développement des fonctionnalités actives et passives amélioreront la durabilité du système et faciliteront la manipulation afin de garantir la répétabilité des résultats et la l'utilisation des composants par des collaborateurs.

  • Titre traduit

    Integrated Laser on glass for THz Frequency Generation


  • Résumé

    Several advance systems such as Next Wireless communication system, spectroscopes and Radars require high purity radio frequency signals. Using electrical devices, the generation can easily be realized for frequency lower than millimetre waves (30GHz). Nevertheless, the performances of such electronics based system degrade while increasing the frequency. Optical source for radio frequency generation is a well-known strategy to access very high frequencies, up to the THz range. Unfortunately, such optical systems usually rely on control loops that either limit the maximum frequency or require complex systems to operate. Recent works in our laboratory demonstrate the capabilities of the ion exchange technology to produce lasers on glass having state-of-the-art spectral properties suitable for frequency generation. We recently validated their use in a radio-over-fiber communication system to generate 60 GHz radio frequency carriers, in a wireless communications context. Our objectives are the improvement of the structure and the extension of their applications to reach higher frequencies (0,3-1 THz). These studies will be conducted in collaboration with research teams specialized in THz applications for spectroscopy (IMEP-LaHC-Chambéry) and/or Communication (IES-Montpellier). Expected work: - Laser conception and realization : In order to achieve excellent spectral properties, the optical sources used for heterodyning need to be co-integrated in the same glass substrate. This work will benefit from previous studies. We will focus on optimization of the design and realization of advanced co-integrated lasers. It will imply working in a clean-room environment, laser conception, realization and characterization. - Advanced characterizations : In order to understand laser behaviour and to qualify the radio frequency generated, several characterization experiments will be implemented, especially focused on phase and frequency noise analysis of both the optical and electrical signal generated. This part of the work may benefit from collaborations already initiated. - Advanced designs: The integration of additional features will be investigated in order to extend the capabilities of these systems. Apart from additional optical functions, the encapsulation of the structure and the co-development of active and passive functionalities will improve the system durability and facilitate handling required for collaborations.