Elaboration de sources hyperfréquences à haute pureté spectrale à base de résonnateurs optiques

Investigations towards a resonator featuring a high quality factor in a reduced volume are a very important and interesting problem in the microwave field. The microwave resonators used for high spectral purity microwave sources are reaching their limits when the goal is to get simultaneously high performance in terms of phase noise, small size and high frequency operation. Therefore, an original approach is to transpose the microwave wavelength in the optical field. This is the case, as an example, of microwave oscillators using as a frequency reference element an optical delay line in place of the conventional microwave resonator. However, these oscillators require a large volume, and are difficult to stabilize versus the temperature fluctuations. The aim of this study is thus to replace the optical fiber by an optical resonator, and to realize an high spectral purity microwave source referenced on this resonator. A characterization bench has been set up with nanometre scale precision 3D displacement stages to hold the coupling of the resonator (SiO2 mini-sphere, or monocrystalline disk). An optical Q factor of 4.109 has been demonstrated on a quartz minidisk. However, it is difficult to get an efficient and stable resonator coupling, because of the mode shift with temperature when the light is induced in the resonator. Two techniques have been studied to solve these problems and are presented in this manuscript. Moreover investigations on another type of resonator built with a few-meters-long optical fiber loop have been realized. We demonstrate an optical Q factor of 3.109 in a 20 m long loop. We have then designed and realized with this resonator an OEO around 10 GHz.La réalisation d'une source hyperfréquence à très haute pureté spectrale à base de résonateurs optiques représente un véritable enjeu. C'est dans cette approche que s'inscrivent les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit. L'oscillateur électro-optique a été développé à la fin des années 90 et a conduit à d'excellents résultats en termes de bruit de phase. Les dispositifs actuels utilisent une ligne à retard réalisée par une fibre optique. Les faibles pertes dans la ligne autorisent un retard important de l'onde optique modulée, équivalent dans le domaine hyperfréquence à un résonateur de coefficient de qualité de l'ordre de 106. Cependant, plusieurs problèmes se posent. Un des problèmes est celui des dimensions du système, et du contrôle de la stabilité en température de l'ensemble du dispositif. Il n'existe pas de solution simple, et la seule solution consiste à remplacer la ligne à retard fibrée par un résonateur optique à très fort coefficient de qualité. Plusieurs types de ces résonateurs optiques ont été étudiés : micro- ou mini-sphère de silice, et mini-disque monocristallin de Quartz. L'étude de ces résonateurs dédiés à la réalisation d'une source hyperfréquence à très haute pureté spectrale constitue par conséquent la problématique essentielle de ce travail de thèse. Pour effectuer une telle analyse, un protocole de mesure du facteur de qualité des différents types de résonateurs optiques dont nous disposions a été mis en place. Un nouveau type de résonateur a également été proposé pour ces applications : l'anneau fibré. Finalement, un premier oscillateur micro-onde à résonateur optique a été réalisé et caractérisé

Applications of optical microspheres to microwaves and millimeter waves

International audienc

Optical techniques for microwave frequency stabilization : resonant versus delay line approaches and related modelling problems

International audienceOptical techniques for microwave oscillators stabilization or microwave sources phase noise measurement are discussed. The advantage in terms of Q factor of optical resonant devices goes with increased difficulties in the system stabilization. System modelling is also complex, because of the interaction of noise sources around three different frequencies : optical, microwave and baseband

Elaboration de sources hyperfréquences à haute pureté spectrale à base de résonateurs optiques

TOULOUSE3-BU Sciences (315552104) / SudocSudocFranceF

CAD OF MICROWAVE OPTICAL SYSTEMS FOR TIME&FREQUENCY APPLICATIONS

International audienceOptical devices are more and more involved in time and frequency applications. They may be used for frequency reference signal distribution in a system, taking benefit of the low losses of the optical fibers, and of their small size and their immunity to electrical parasitic signals. They may also be used to realize high quality resonators and delay lines, leading to equivalent Q factors which are difficult to reach with classical RF or microwave techniques. It is important to be able to compute microwave-optical links and systems. Specially, phase noise system. This paper gives an overview of various approaches which can be used to describe an optical device with an equivalent electrical circuit, or simply with a mathematical model, and to include this model in the chosen CAD tool. We have worked with Agilent ADS microwave simulation software

Laser Stabilization on a Fiber Ring Resonator and Application to RF Filtering

International audienceThe potential of optical fiber ring resonators for RF or microwave signals filtering on optical carriers is demonstrated on a short length high Q resonator. The problem of the frequency shift due to the resonator self heating with the optical power is solved thanks to a Pound-Drever feedback loop. A multi frequency RF filter is obtained, with a frequency step of 205 MHz between resonances, and a 3 dB bandwidth of 2.4 MHz. This corresponds to the computed optical resonator 3 dB bandwidth, and thus represents an efficient technique for the measurement of ultra high Q optical resonators. In the field of microwave applications, the equivalent Q factor obtained is particularly interesting in the upper microwave range

METHODES DE CARACTERISATION DE RESONATEURS OPTIQUES A TRES FORTS FACTEURS DE QUALITE POUR LA GENERATION HYPERFREQUENCE

National audienceLe facteur de qualité des résonateurs hyperfréquences a actuellement atteint ses limites, notamment pour la montée en fréquence des oscillateurs hyperfréquences. Une solution consiste à transporter les hyperfréquences sur une onde optique et à élaborer des résonateurs optiques très performants. Pour cela, nous développons des anneaux de fibre résonants avec des facteurs de qualité optiques supérieurs à 109. Il est donc nécessaire de caractériser finement ces résonateurs. Différentes méthodes de détermination de leur facteur de qualité optique sont possibles, et nous présentons ici une comparaison entre les trois méthodes que nous utilisons

50 GHz to 60 GHz local oscillator transmission over fiber using optical frequency multiplication

The main parameters of a local oscillator distribution in the millimeter wave range are described. The link is based on optical frequency multiplication taking benefit of the modulator nonlinearity. It is modeled using an original CAD approach. Then, various practical solutions are compared and their phase noise floor is measured