Analyse de signaux radiofréquence large bande par traitement photographique dans les ions de terre rare en matrice cristalline.

Photographic wideband radiofrequency signal processing in rare-earth crystalline matrix.

• Auteur / Autrice : Flora Segur
• Direction : Anne Louchet-chauvet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 04/11/2024
• 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
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : ESPCI Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (PSL)

Mots clés

Mots clés libres

Ions de terre rare

Creusement spectral

Optique hyperfréquence

Rare earth ions

Spectral holeburning

Microwave optics

Résumé

Les ions de terre rare en matrice cristalline (REIC), bien connus comme matériaux à gain pour les lasers, offrent, lorsqu'ils sont refroidis à la température de l'hélium liquide, des propriétés originales pour le traitement d'information classique ou quantique transposée sur porteuse optique. Combinant une largeur inhomogène de plusieurs dizaines de GHz et une résolution spectrale proche du kHz, capables par ailleurs de mémoriser un profil spectral pendant des temps qui parfois atteignent plusieurs jours, ces matériaux peuvent être utilisés comme processeurs optiques programmables pour une grande variété d'applications. Un des intérêts pour de tels processeurs analogiques est né des limites rencontrées par le traitement tout-numérique en régime très large bande. En raison des nombreuses étapes de transposition, amplification, filtrage, multiplexage requises par la conversion analogique numérique, celle-ci agit en effet souvent comme un goulot d'étranglement et limite le débit des données. Des pré-traitements analogiques chargés de fonctions spécifiques peuvent soulager le convertisseur et augmenter considérablement le débit des informations pertinentes. Plusieurs fonctions de traitement RF utilisant ces techniques ont déjà été expérimentalement démontrées : analyse spectrale RF à large bande instantanée [1,2], retournement temporel de signaux RF jusqu'à la microseconde [3]. Actuellement un cristal REIC (Tm3+ :YAG) constitue l'élément actif d'un analyseur de spectre RF à très large bande instantanée développé par THALES Research & Technology (TRT) et le Laboratoire Aimé Cotton. L'ensemble des travaux expérimentaux et théoriques [4,5,6,7] qui ont permis la réalisation de ce démonstrateur laissent envisager de nouvelles fonctions de traitement de signal par cette technologie en photonique micro-onde, et qui feront l'objet d'étude de cette thèse. [1] “Demonstration of a Radio-Frequency Spectrum Analyzer based on Spectral Hole Burning”, L. Ménager, I. Lorgeré and J.L. Le Gouët, D. Dolfi, J.-P. Huignard, Opt. Lett. 26, 1245 (2001) [2] “From spectral holeburning memory to spatial-spectral microwave signal processing”, W. R. Babbitt et al., Laser Physics, Vol. 24, N 9 (2014) [3] “Time reversal of optically carried radiofrequency signals in the microsecond range”, H Linget, L Morvan, J.L. Le Gouët, A Louchet-Chauvet, Optics letters, 643-645, (2013). [4] “Laser sources for microwave to millimeter-wave applications [Invited]”, G. Kervella, J. Maxin, M. Faugeron, P. Berger, H. Lanctuit, G. Pillet, L. Morvan, F. van Dijk, and D. Dolfi, Photon. Res., 2, B70-B79 (2014) [5] “RF Spectrum Analyzer for Pulsed Signals: Ultra-Wide Instantaneous Bandwidth, High Sensitivity, and High Time-Resolution”, P. Berger, Y. Attal, M. Schwarz, S. Molin, A.Louchet-Chauvet, T. Chanelière, J.L. Le Gouët, D. Dolfi, and L. Morvan, in Journ. of Light. Techno., 34, 4658, (2016) [6] “Rate equation reformulation including coherent excitation: application to periodic protocols based on spectral hole-burning”, Y. Attal, P. Berger, L. Morvan, P. Nouchi, D. Dolfi, T. Chanelière, and A. Louchet-Chauvet, J. Opt. Soc. Am. B 35, 1260-1270 (2018) [7] “High Rejection and Frequency Agile Optical Filtering of RF Signals Using a Rare Earth Ion-Doped Crystal”, L. Ulrich, S. Welinski, A. Louchet-Chauvet, J.de Rosny, D. Dolfi, C. Vaneph, P. Berger, and L. Morvan, Journal of Lightwave Technology Vol. 40, Issue 20, pp. 6901-6910 (2022)

Rare earth ions in crystalline matrix (REIC), well known as gain materials for lasers, offer, when cooled to the temperature of liquid helium, original properties for the processing of classical or quantum information transposed onto an optical carrier. Combining an inhomogeneous width of several tens of GHz and a spectral resolution close to kHz, and capable of memorising a spectral profile for times that can sometimes reach several days, these materials can be used as programmable optical processors for a wide variety of applications. One of the interests in such analogue processors stems from the limits encountered by all-digital processing in the very wide band regime. Because of the numerous transposition, amplification, filtering and multiplexing stages required by analogue-to-digital conversion, it often acts as a bottleneck and limits the data rate. Analogue pre-processing with specific functions can relieve the load on the converter and considerably increase the throughput of the relevant information. Several RF processing functions using these techniques have already been experimentally demonstrated: instantaneous broadband RF spectrum analysis [1,2], time reversal of RF signals down to the microsecond [3]. A REIC (Tm3+ :YAG) crystal is currently the active element in a very wide instantaneous band RF spectrum analyser developed by THALES Research & Technology (TRT) and the Aimé Cotton Laboratory. All of the experimental and theoretical work [4,5,6,7] that has gone into the development of this demonstrator points to the possibility of new signal processing functions using this microwave photonics technology, which will be the subject of study in this thesis. [1] “Demonstration of a Radio-Frequency Spectrum Analyzer based on Spectral Hole Burning”, L. Ménager, I. Lorgeré and J.L. Le Gouët, D. Dolfi, J.-P. Huignard, Opt. Lett. 26, 1245 (2001) [2] “From spectral holeburning memory to spatial-spectral microwave signal processing”, W. R. Babbitt et al., Laser Physics, Vol. 24, N 9 (2014) [3] “Time reversal of optically carried radiofrequency signals in the microsecond range”, H Linget, L Morvan, J.L. Le Gouët, A Louchet-Chauvet, Optics letters, 643-645, (2013). [4] “Laser sources for microwave to millimeter-wave applications [Invited]”, G. Kervella, J. Maxin, M. Faugeron, P. Berger, H. Lanctuit, G. Pillet, L. Morvan, F. van Dijk, and D. Dolfi, Photon. Res., 2, B70-B79 (2014) [5] “RF Spectrum Analyzer for Pulsed Signals: Ultra-Wide Instantaneous Bandwidth, High Sensitivity, and High Time-Resolution”, P. Berger, Y. Attal, M. Schwarz, S. Molin, A.Louchet-Chauvet, T. Chanelière, J.L. Le Gouët, D. Dolfi, and L. Morvan, in Journ. of Light. Techno., 34, 4658, (2016) [6] “Rate equation reformulation including coherent excitation: application to periodic protocols based on spectral hole-burning”, Y. Attal, P. Berger, L. Morvan, P. Nouchi, D. Dolfi, T. Chanelière, and A. Louchet-Chauvet, J. Opt. Soc. Am. B 35, 1260-1270 (2018) [7] “High Rejection and Frequency Agile Optical Filtering of RF Signals Using a Rare Earth Ion-Doped Crystal”, L. Ulrich, S. Welinski, A. Louchet-Chauvet, J.de Rosny, D. Dolfi, C. Vaneph, P. Berger, and L. Morvan, Journal of Lightwave Technology Vol. 40, Issue 20, pp. 6901-6910 (2022)