Nonobstant les excellents résultats obtenus, l’un des problèmes du système construit et uti-lisé pendant cette thèse est son encombrement. Rappelons-nous que les signaux micro-ondes sont en particulier utiles dans des applications radars qui nécessitent d’être déployées dans des environnements exigeants. La taille des cavités optiques de référence en particulier est souvent rédhibitoire à leur utilisation dans de tels environnements. Nous avons donc adressé cette limite en tentant de réduire la taille de la référence optique tout en conservant des niveaux de pureté micro-onde de premier plan.
V.2.1 Principe de l’expérience
Nous avons profité des performances complémentaires de deux systèmes lasers modernes en terme de bruit de phase pour construire une référence optique composite de taille réduite par rap-port à la cavité Fabry-Pérot évoquée précédemment. Cette source est donc constituée d’un laser fibré à rétroaction répartie (distributed feedback laser : DFB en anglais), très performant à basse fréquence, sur lequel est verrouillé un laser stabilisé sur un résonateur à mode de chuchotement en galerie (whispering gallery mode resonator : WGMR en anglais), très performant à haute fréquence de Fourier. Le verrouillage du second laser sur le premier est rendu possible grâce aux propriétés électro-optiques du résonateur (composé de niobate de lithium : LiNbO3), permettant d’ajuster dynamiquement la fréquence du laser. La source optique de référence ainsi construite est utilisée comme référence dans une expérience de génération de micro-ondes par division de fréquence optique et le signal à 12 GHz ainsi généré est caractérisé par corrélation croisée comme décrit précédemment. Le schéma de principe de l’expérience est représenté à la figure V.4. L’ex-périence est donc similaire à celle décrite à la section précédente mis à part la référence optique utilisée : un peigne de fréquence est stabilisé sur la référence optique, son RIN est réduit et sa puissance amplifiée à travers deux amplificateurs à Erbium (EDFA) et son taux de répétition est multiplié par 16 pour atteindre 4 GHz. Enfin les impulsions optiques sont compressées par une section de fibre à compensation de dispersion et la lumière est détectée au moyen d’une
Figure V.4 – Schéma de principe de l’expérience de division de fréquence optique à partir d’une référence optique compacte.
photodiode utilisé dans un mode linéaire avec une faible conversion amplitude-phase (tension de polarisation de 19 V pour un photocourant de 8 mA). L’harmonique micro-onde à 12 GHz est isolée du reste du signal électrique de sortie par un filtre à cavité d’une bande passante de 1 MHz puis envoyée vers le système de caractérisation de bruit de phase par corrélation croisée digitale et hétérodyne.
V.2.2 Résultats
Les résultats de la corrélation croisée sont représentés à la figure V.5. Pour faciliter la com-préhension nous avons effectué trois mesures successives du bruit de phase du signal micro-onde à 12 GHz obtenu par division de fréquence optique de la lumière issue de trois références diffé-rentes.
• Lors de la première mesure (courbe verte) : la référence optique est le laser
sta-bilisé sur WGMR (OEwaves). On peut voir que pour des hautes fréquences de Fourier
(f > 40 kHz), la source est très performante et le bruit de phase micro-onde est en fait surtout limité par les bruits de photodétection. En revanche pour des fréquences de Fourier inférieures au kHz le bruit remonte vite (avec un comportement de marche aléatoire en fréquence ∝ 1/f4) jusqu’à atteindre 0 dBc/Hz à 1 Hz de la porteuse. On est donc ici forte-ment limité par la source optique et les performances ne sont pas compétitives par rapport à d’autres systèmes photoniques compacts de génération de micro-ondes disponibles dans le commerce, voir par exemple [219].
• Lors de la seconde mesure (courbe bleue) : la référence optique est le module
laser DFB (NKT Photonics). Avec cette référence, on observe qu’à part pour des
fré-quences de Fourier au-delà de 100 kHz, le bruit micro-onde est totalement limité par le bruit de la source avec en particulier un plateau à -130 dBc/Hz vers 20 kHz. Cependant à basse fréquence de Fourier le bruit remonte plus lentement (comportement de scintilla-tion en fréquence ∝ 1/f3) pour atteindre une valeur d’environ -55 dBc/Hz à 1 Hz de
10
010
110
210
310
410
510
6Fréquence (Hz)
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
20
Bruit de phase BLU (dBc/Hz)
BASIK X15
OE4030
OE4030 asservi sur BASIK X15
Plancher de mesure
Figure V.5 – Bruit de phase BLU obtenu par division de fréquence optique à partir de différentes sources : le laser stabilisé par WGMR seul (en vert) ; le laser DFB seul (en bleu) ; le laser stabilisé par WGMR asservi sur le laser DFB (en rouge). Les pointillé noirs représentent le plancher de bruit de mesure.
la porteuse. Cette valeur est particulièrement intéressante car bien meilleure (environ de 20 dB) que la plupart des autres systèmes compacts commerciaux comme les oscillateurs opto-électroniques [220].
• Lors de la troisième mesure (courbe rouge) : la référence optique est la source optique composite constituée du module laser à WGMR asservi sur le laser à DFB. On voit que grâce au bon choix de la bande passante de la boucle d’asservissement (environ 200 Hz) on bénéficie des performances complémentaires des deux technologies de lasers ; un bruit de phase performant à la fois à haute fréquence de Fourier et à basse fréquence de Fourier.
Sur les trois courbes on peut voir un pic à haute fréquence de Fourier (environ 700 kHz) qui correspond à la résonance de la boucle d’asservissement du peigne de fréquence optique sur la référence laser (quelle qu’elle soit). Par ailleurs, on remarque deux motifs étranges, l’un vers une fréquence de Fourier de 2 Hz et l’autre à 7 kHz de la porteuse. On attribue le premier à une propriété intrinsèque au module laser à WGMR car cet artefact est uniquement présent quand ce module est utilisé comme référence pour la division de fréquence optique (soit seul, soit comme élément de la source composite) mais qu’il est rejeté plus de 40 dB grâce à l’asservissement. Le deuxième est plus compliqué à expliquer car sa forme ne semble trop abrupte pour être naturelle, nous l’attribuons à un problème de stabilité du module lors de la mesure ou à un problème lors de l’acquisition du signal. Remarquons enfin que pour ces trois courbes le bruit de phase est bien au dessus du plancher de bruit de notre système de mesure de bruit phase par corrélation croisée,
de sorte que les courbes présentent une faible dispersion par rapport aux courbes présentées dans la section précédente, cependant les niveaux de bruit ne sont pas aussi performants. D’autre part cette apparence moins bruitée est aussi favorisée par la différence dans l’échelle des graphiques de bruit de phase présentés ici par rapport à ceux présentés ailleurs dans ce manuscrit.
V.2.3 Conclusion
Dans cette expérience nous avons démontré qu’une source laser composite de moins de 800 cm3fait une excellente référence pour une expérience de division de fréquence optique et per-met de générer un signal micro-onde de 12 GHz présentant des niveaux de bruit de -47 dBc/Hz à une fréquence de Fourier de 1 Hz et de -165 dBc/Hz à une fréquence de Fourier de 10 kHz. Bien que les résultats obtenus en terme de bruit de phase n’atteignent pas le niveau d’excellence de l’expérience précédente, en particulier à basse fréquence, ils égalent ou surpassent la plupart des oscillateurs micro-ondes actuels de même taille, notablement les oscillateurs opto-électroniques de la marque OEwaves [220] et les oscillateurs à division de fréquence électro-optique de hQpho-tonics [219]. Les résultats pourraient être améliorés avec la prochaine génération de résonateurs à mode de chuchotement en galerie. Enfin la taille globale du système de génération micro-onde pourrait être réduite en utilisant les peignes de fréquences optiques compacts récemment démontrés pour des applications de spectroscopie dans l’espace [221].