Bruits liés à la dispersion

Nous avons récemment observé une influence nette de la durée de l’impulsion optique sur le niveau d’un bruit corrélé au RIN du peigne de fréquence mais qui n’est pas de la conversion amplitude phase. Le densité spectrale de puissance de ce bruit est proportionnelle à la longueur de fibre utilisée entre l’entrelaceur et la photodiode. Ainsi le bruit de phase augmente linéairement de 6 dB lorsque la longueur de fibre double. Le même effet est observable si la dispersion est introduite à l’aide d’un façonneur de faisceau utilisant un masque de phase à cristaux liquide (Finisar WaveShaper 1000S/X). A l’heure de l’écriture de cette thèse les processus à l’œuvre dans l’apparition de ce type de bruit sont toujours à l’étude et une publication est en préparation sur le sujet. Bien que nous disposions uniquement de résultats préliminaires, le processus que l’on semble observer est une sensibilité de la phase du signal micro-onde généré par photodétection à la durée de l’impulsion optique du peigne. En présence de fluctuations de la durée de l’impulsion optique, celles-ci sont donc converties en bruit de phase micro-onde. Les fluctuations de la durée de l’impulsion optique étant amplifiées lors de la dispersion, le bruit de phase micro-onde l’est également. Quoi qu’il en soit, l’existence de ce bruit réaffirme l’importance d’un train d’impulsions courtes éclairant la photodiode lorsque l’on veut générer un signal micro-onde bas bruit, et donc la nécessité de compenser la dispersion due à la propagation des impulsions dans les différents systèmes fibrés.

10

10

10

Fréquence (Hz)

180

175

170

165

160

155

150

145

140

DSP BLU (dBc/Hz)

19 ps

8 ps

2.6 ps

RIN

Figure III.26 – Influence de la dispersion sur le bruit de phase micro-onde. Le bruit de phase augmente lorsque les impulsions optique sont dispersées (ici à l’aide d’un simple ajout de SMF28). Le motif caractéristique de ce bruit, avec une bosse près de 15 kHz, porte à croire que son origine est corrélée à celle du RIN du peigne (en bleu clair). Les durées indiquées dans la légende sont les durées estimées des impulsions optiques (calculées à partir de la durée de l’impulsion minimale (800 fs) mesurée à l’autocorrélateur optique, de la dispersion des SMF28 et de la longueur de fibre).

III.6 Conclusion

Nous avons dans ce chapitre étudié les différentes sources de bruits contribuant à limiter les performances de la méthode de division de fréquence optique. Des solutions expérimentales sont proposées et démontrées pour réduire significativement ces bruits collatéraux afin de pouvoir prétendre à des niveaux de bruit de phase micro-onde inégalés. Pour diminuer les planchers de bruit fondamentaux de grenaille et thermique nous augmentons la puissance micro-onde en sortie de la photodiode par entrelacement et nous compensons la dispersion pour illuminer la photodiode avec des impulsions très brèves, typiquement inférieures à 800 fs. Pour réduire au maximum l’effet du RIN du peigne sur le bruit de phase micro-onde, d’une part, nous avons réduit au maximum le RIN du laser au moyen d’un amplificateur saturé fibré et d’un asser-vissement du RIN via un AOM et, d’autre part, nous avons développé un système permettant d’utiliser les zéros de conversion amplitude-phase des photodétecteurs ou, si nécessaire, d’as-servir le processus de photodétection sur un de ces zéros. Enfin, l’étude de tous ces différents bruits nous a permis de démontrer l’influence du circuit de couplage après la photodiode sur la conversion amplitude-phase et de découvrir un nouveau bruit lié à la durée des impulsions optiques, et donc fortement amplifié par la dispersion chromatique inhérente à la propagation en optique guidée. Une fois ces bruits réduits, nous pouvons nous attendre à générer des signaux

micro-ondes de bruit particulièrement bas, ce qui était l’objectif initial. Cependant, au-delà de la génération, la caractérisation de ces signaux micro-ondes de très haut niveau de pureté est un défi en elle-même qui est l’objet du prochain chapitre.

Caractérisation par corrélation

croisée

Dans les chapitres II et III nous avons décrit comment générer un signal micro-onde à 12 GHz à partir d’une référence optique à 1542 nm au moyen de la technique de division de fréquence optique, en minimisant autant que faire ce peut les bruits collatéraux. On peut donc s’attendre à des signaux à 12 GHz présentant des bruits de phase typiquement inférieurs à -108 dBc/Hz à une fréquence de Fourier de 1 Hz et à -170 dBc/Hz au delà de 1 kHz. Des signaux d’un tel niveau de pureté sont difficilement mesurables et la caractérisation de leur bruit de phase a représenté un défi qui est le sujet de ce chapitre.

IV.1 Position du problème

Les systèmes de mesures commerciaux actuels ne permettent pas de caractériser de façon satisfaisante notre signal micro-onde à 12 GHz généré optiquement. Pour preuve, on a rassemblé quelques caractéristiques de l’état de l’art des systèmes de mesure dans le tableau IV.1.

Tableau IV.1 – Etat de l’art des systèmes de mesure de bruit de phase commerciaux pour des signaux micro-ondes d’environ 10 GHz. Notons qu’à part pour le NoiseXT, ces valeurs de plancher de bruit de phase sont celles obtenues avant corrélation croisée. On peut donc gagner de 5 à 15 dB sur ces valeurs en effectuant de 10 à 1000 corrélations moyennées. Pour le NoiseXT, il s’agit du plancher garanti après 100 corrélations.

Fréquences admissibles ^{Plancher de bruit de phase}

1 Hz 10 Hz 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz R&S FSWP26 1 MHz–26.5 GHz¹ -52 -75 -100 -133 -152 -153 Keysight 5052B 10 MHz–26.5 GHz2 -38 -72 -91 -116 -124 -128 Holzworth HA7062C 10 MHz–26.5 GHz³ -25 -65 -105 -130 -148 -147 NoiseXT DCNTS 1.8 GHz–26.5 GHz⁴ -133 -143 -153 -163 -173 -179 Anapico APPH20G 10 MHz–26.5 GHz -55 -80 -95 -120 -140 -145

Une stratégie alternative plus indirecte consiste à traiter le signal analogique pour permettre sa caractérisation, ce qui revient souvent à réduire la fréquence du signal pour effectuer une mesure à l’aide des analyseurs RF qui sont plus communs. Les techniques majoritaires sont la démodulation homodyne, pour laquelle on mélange le signal à l’étude avec une référence à la même fréquence, et la démodulation hétérodyne, pour laquelle le signal est mélangé à une référence d’une fréquence distincte. La démodulation homodyne ou synchrone implique un mé-langeur saturé et une boucle à verrouillage de phase pour assurer dynamiquement l’égalité des deux fréquences.⁵

Le problème de ces méthodes est qu’elles requièrent l’une comme l’autre une référence de phase, et cette référence doit être forcément moins bruitée que le signal à l’étude si l’on veut résoudre ad unguem le bruit de phase de ce dernier. Une technique possible et souvent utilisée en métrologie, consiste alors à construire une réplique du système générant le signal à l’étude puis de comparer les deux répliques du signal ainsi créées par démodulation homodyne. En faisant l’hypothèse qu’ils sont identiques, statistiquement indépendants, et qu’ils contribuent donc de manière équitable au bruit de phase total, on peut simplement déduire le bruit de phase d’un des systèmes en divisant sa densité spectrale de puissance, S_φ, par 2. Le problème inhérent à ce procédé est, d’une part, qu’il faut construire deux systèmes identiques et, d’autre part, que même s’ils sont identiques mais ne génèrent pas un signal de même bruit de phase, il n’est pas possible de distinguer lequel domine le bruit total.

Une solution à ce problème est d’utiliser non pas un mais deux signaux de référence ayant des rôles auxiliaires dans un système à double voie utilisant le principe de la corrélation croisée. En moyennant convenablement la bonne quantité statistique, on s’affranchira du bruit apporté par les signaux auxiliaires ainsi que du bruit lié au traitement de chaque voie, c’est à dire du bruit de mesure.