Nous presentons dans ce memoire de these des travaux qui portent sur l'etude de micro resonateurs a modes de galerie et en anneau couples dans le but d'applications aux fonctions optiques de traitement du signal. Dans une premiere partie nous presentons un modele matriciel pour decrire la propagation de la lumiere dans des structures a anneaux couples. L'utilisation de ce modele se resume pour des structures dont on connait les coefficients de couplage entre les guides. Dans le cas de resonateurs constitues d'un milieu qui ne presente pas d'effets non-lineaires nous avons montre que les structures a anneaux couples permettent de realiser la synthese de filtres optiques. Si les resonateurs sont le siege d'une non linearite dispersive d'ordre 3 nous avons deux cas possibles en fonction du type d'excitation. Hors resonance nous avons montre que nous pouvons obtenir potentiellement des dispositifs /N+1/ stables en utilisant un systeme forme de /N/ anneaux couples, ainsi que la tristabilite dans un seul anneau en utilisant un signal de commande. A resonance nous avons montre que l'on peut obtenir la fonction de remise en forme du signal pour des debits de 40 Gb/s. La deuxieme partie porte sur les travaux realises sur l'oscillateur optoelectronique. Dans le schema classique d'un tel oscillateur la fonction de retard optique est obtenue en utilisant une ligne a fibre optique de longueur proportionnelle au retard necessaire. Nous voulons remplacer cette ligne avec une ligne a retard a base de microresonateurs. Nous presentons des procedes de fabrication de resonateurs spheriques et diverses methodes de mesure de leurs facteurs de qualite, proportionnel au retard induit.

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Couplage de micro résonateurs. Applications aux fonctions optiques de traitement du signal

Les microresonateurs a mode de galerie passifs a base de cristal ou de verre fabriques par la methode de fusion possedent un facteur de qualite limite a quelques 10E8. Ceci est generalement du a la contamination de la surface du resonateur lors de sa fusion. Dans ces travaux, nous proposons de contourner cette limitation en utilisant des microresonateurs actifs pour compenser les pertes. Afin de caracteriser les microresonateurs actifs de tres haut facteur de qualite ainsi obtenu, nous nous appuyons sur la methode CRDM (Cavity Ring Down Measurement). Cette methode interferometrique est d'une part bien adaptee a la caracterisation de resonateurs de tres haut facteur de qualite et d'autre part elle permet de remonter de maniere univoque aux facteurs de qualite intrinseque Qo et extrinseque Qe du resonateur. Dans un regime de compensation de pertes, nous avons pu atteindre tous les regimes de couplage et obtenus des facteurs de qualite intrinseques excedant les 10E10. En regime d'amplification selective, nous avons demontre experimentalement que l'on pouvait obtenir des gains eleves allant jusqu'a 33 dB et des retards de groupe excedant 2,3 µs dans ces microresonateurs actifs. Ces microresonateurs de tres haut facteur de qualite et de tres haute finesse peuvent presenter un couplage modal se manifestant par un doublet de resonances. Une confrontation theorie/experience avec la methode CRDM permet de mesurer un ecart tres faible entre les doublets. Par ailleurs, ces microresonateurs presentant un fort confinement spatial et une forte surtension, sont propices a l'observation d'effets non-lineaires. Une modelisation integrant l'effet thermique et l'effet Kerr a ete realisee. Une confrontation theorie/experience nous a permis d'estimer la puissance reellement injectee dans le mode ainsi qu'a estimer le volume du mode.

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Études expérimentales de dispositifs intégrés à base de micro-résonateurs à mode de galerie en verres actifs

Les liaisons par fibre optique sont une alternative serieuse aux câbles electriques pour la transmission de signaux analogiques. A bord des satellites, elles permettent une reduction significative de la taille et de la masse des harnais de distribution vers les charges utiles, une meilleure isolation electromagnetique, et les applications TeraHertzs beneficieront de leur bande passante tres large. Au sol, la faible attenuation des fibres a des applications comme le partage d'une horloge ou la synchronisation des reseaux de stations sols ou d'antennes. Cette these propose des systemes de transmissions optiques de signaux hyperfrequences, optimises en gain et en bruit. La modulation par annulation de porteuse optique, ou DSB-CS, a ete plus particulierement etudiee. Enfin le signal recu est conditionne par la synchronisation d'un oscillateur faible bruit : le bruit de phase du signal est ainsi ameliore et son niveau largement releve.

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Liaisons optiques faible bruit pour la distribution de références de fréquences micro-ondes

La realisation d'une source hyperfrequence a tres haute purete spectrale a base de resonateurs optiques represente un veritable enjeu. C'est dans cette approche que s'inscrivent les travaux de these presentes dans ce manuscrit. L'oscillateur electro-optique a ete developpe a la fin des annees 90 et a conduit a d'excellents resultats en termes de bruit de phase. Les dispositifs actuels utilisent une ligne a retard realisee par une fibre optique. Les faibles pertes dans la ligne autorisent un retard important de l'onde optique modulee, equivalent dans le domaine hyperfrequence a un resonateur de coefficient de qualite de l'ordre de 106. Cependant, plusieurs problemes se posent. Un des problemes est celui des dimensions du systeme, et du controle de la stabilite en temperature de l'ensemble du dispositif. Il n'existe pas de solution simple, et la seule solution consiste a remplacer la ligne a retard fibree par un resonateur optique a tres fort coefficient de qualite. Plusieurs types de ces resonateurs optiques ont ete etudies : micro- ou mini-sphere de silice, et mini-disque monocristallin de Quartz. L'etude de ces resonateurs dedies a la realisation d'une source hyperfrequence a tres haute purete spectrale constitue par consequent la problematique essentielle de ce travail de these. Pour effectuer une telle analyse, un protocole de mesure du facteur de qualite des differents types de resonateurs optiques dont nous disposions a ete mis en place. Un nouveau type de resonateur a egalement ete propose pour ces applications : l'anneau fibre. Finalement, un premier oscillateur micro-onde a resonateur optique a ete realise et caracterise.

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

Various circuits dedicated to high spectral purity signal transmission using fiber optics are presented. Three application types are investigated: signal transmission of ultra stable oscillators at 10 MHz, IF distribution at 874 MHz and microwave synthesized signals at 3.5 GHz. The receiver circuit is an optically synchronized oscillator, which provides a good signal conditioning far from the carrier while maintaining the high input signal quality close to the carrier

Low phase noise optical links for microwave and RF frequency distribution

The use of optical resonators for microwave oscillator stabilization is discussed in this paper. This recently proposed approach could be a disruptive technology, in a near future, giving access to high performance in a small volume thanks to the extremely high optical Q factor and to the small dimensions of the optical resonator. Many topologies can be chosen for the electrical-optical oscillator (OEO), and many different approaches can be investigated for the resonator itself, and the coupling techniques. This paper gives an overview of all these techniques, together with some preliminary results on a dedicated resonator measurement bench.

Optical Microresonators used for Stabilisation and Miniaturisation of High Spectral Purity Microwave Sources for Space Applications

La premiere partie du rapport debute par un rapide historique des oscillateurs micro-ondes a base de lignes a retard optique Puis, le probleme du remplacement de la ligne a retard par un resonateur optique est traite en detail Un second chapitre est en effet consacre aux resonateurs, puis un troisieme aux oscillateurs bases sur ces resonateurs Ensuite, la deuxieme partie du rapport est consacree aux travaux en cours Il est expose les problemes lies a la metrologie de ces sources a tres haute purete spectrale La encore, l'introduction de l'optique devrait permettre une amelioration importante des performances des bancs de mesure de bruit de phase Puis, une description de la fabrication des resonateurs optique est donnee Enfin, le dernier chapitre est consacre au projet

Sources hyperfréquences à haute pureté spectrale à base de micro-résonateurs

: This paper summarises the results obtained on different systems dedicated to the optical distribution of high spectral purity RF and microwave signals in a satellite payload or towards the elements of an active antenna. First, the interest of the photo-oscillator receiver for these applications in the RF frequency range is pointed out. Then, different emitter configurations are investigated in the microwave range . Finally, an application of these low phase noise microwave links in the field of time-frequency metrology i.e. an ultra high sensitivity microwave frequency discriminator, is addressed.

Stephanie Constant

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Optical Microresonators used for Stabilisation and Miniaturisation of High Spectral Purity Microwave Sources for Space Applications

Sources hyperfréquences à haute pureté spectrale à base de micro-résonateurs

Low Phase Noise Fiber Optics Links for Space Applications

Test de mini-résonateurs optiques pour le filtrage et la stabilisation de sources hyperfréquences