Objectif

Des résonateurs en fibre optique à très haut facteur de qualité (Q > 10⁹) et de dimensions compactes ont été réalisés avec succès dans le cadre d’un consortium impliquant le LAAS, l’Institut Fresnel (Marseille) et le PhLAM (Lille). Ces résonateurs ont été utilisés pour la stabilisation de lasers à semi-conducteurs, d’oscillateurs optoélectroniques ainsi que pour la génération de peignes de fréquences optiques, notamment dans le régime soliton. Toutefois, à ce jour, l’ensemble de ces systèmes ne satisfait pas encore aux exigences opérationnelles de fonctionnement à long terme. Les meilleurs résultats obtenus reposent sur l’approche de verrouillage par auto-injection pour la stabilisation laser-résonateur, méthode particulièrement sensible aux perturbations externes telles que les variations de température et les vibrations mécaniques. Une approche plus robuste nécessitera la combinaison d’un verrouillage optique à court terme avec un verrouillage électronique à long terme, ce qui constitue le premier objectif.

Par ailleurs, bien que d’excellentes performances en termes de bruit de phase aient été démontrées pour les lasers stabilisés et les peignes de fréquences optiques, les oscillateurs optoélectroniques réalisés à partir de ces résonateurs demeurent encore insuffisamment compétitifs par rapport à leurs homologues purement électroniques. Pour cette application, une approche récemment publiée et particulièrement efficace consiste à générer des signaux micro-ondes par division de fréquence à partir de deux raies optiques fortement corrélées, séparées de quelques térahertz. Une des problématiques de la thèse sera l’étude de la génération de telles raies de référence de fréquence et les stratégies de division de fréquence pour ramener leur performance dans la gamme micro-onde (autour de 10 GHz ou 30 GHz).

Parallèlement, des applications en télécommunications suscitent un intérêt croissant pour des raies optiques corrélées séparées cette fois de quelques centaines de gigahertz (typiquement 300 GHz), permettant la génération directe de signaux submillimétriques de haute qualité à l’aide de photodiodes ultra-rapides. De tels signaux peuvent être mesurés directement (sans division de fréquence optique) au moyen de photodiodes ultra-rapides. Une collaboration avec l’IEMN nous permettra de réaliser la synthèse de fréquence directe en gamme 200-300 GHz à partir de nos résonateurs. Une approche incluant la génération optique de l’oscillateur local à 200-300 GHz et l’ajout d’une modulation sera modélisée et réalisée.

Contexte

Le LAAS (Toulouse), l’Institut Fresnel (Marseille), PhLAM (Lille), l’ICB (Dijon) et l’IRMAR (Rennes) ont mis en place une collaboration autour des propriétés non linéaires des résonateurs Fabry-Perot en fibre et de leurs applications à la génération de peignes de fréquences optiques, dans le cadre du projet ANR COMBY. La génération de signaux micro-ondes et millimétriques à partir de ces résonateurs constitue une problématique étroitement liée. Le cas spécifique de la génération millimétrique pour les télécommunications (300 GHz) est étudié dans le cadre du projet PLEIADES (intégré au PEPR réseaux du futur), en collaboration avec IRCICA-IEMN et PhLAM. L’ensemble des financements nécessaires à la réalisation des résonateurs et à la caractérisation des systèmes est assuré par ces projets.

Résultats attendus

• Génération directe de signaux à très faible bruit de phase dans la gamme 200–300 GHz.
• Génération de signaux à très faible bruit de phase autour de 10 GHz par division de fréquence optique à partir de raies optiques fortement corrélées et espacées de plusieurs térahertz.
• Études théoriques et expérimentales de la stabilité fréquentielle de ces sources.

Encadrement

Olivier Llopis

Arnaud Fernandez