Soutenance mémoire
Introduction générale
L’oscillateur optoélectronique (OEO : Opto-Electronic Oscillator), proposé par S.Yao et L. Maleki en 1994 [1, 2], est le premier oscillateur micro-ondes qui utilise une longue fibre optique comme élément permettant d’emmagasiner de l’énergie pour enfin obtenir une très haute qualité spectrale. Un tel oscillateur à haute qualité spectrale se trouve dans plusieurs applications. C’est la partie primordiale dans les systèmes de navigation spatiale car la mesure de temps est à la base de tels systèmes. Il se trouve aussi dans le domaine des télécommunications pour générer des fréquences porteuses ou pour la synchronisation entre différents dispositifs du système. Le radar à haute sensibilité est une autre application dans laquelle le bruit de phase de l’onde électromagnétique émise joue un rôle important vis-à-vis des performances du système. En physique, l’oscillateur est également utilisé pour tester l’invariante de Lorentz ou mesurer la variation des constantes fondamentales [3-5]. Depuis, plusieurs chercheurs ont consacré leurs efforts pour arriver à un bruit de phase de plus en plus faible. Le meilleur résultat est annoncé à -163 dBc/Hz à 10 kHz d’une porteuse à 10 GHz [6]. Selon la littérature, les travaux de Lute Maleki et Steve Yao ont pu atteindre une valeur de -143 dBc/Hz à 10 kHz de même fréquence de porteuse [7, 8]. En plus, pour avoir une stabilité fréquentielle optimale et un faible bruit de phase, plusieurs solutions ont été proposées comme l’utilisation d’une transition hyperfine atomique [9, 10], ou un étalon Fabry-Pérot dans une structure OEO couplée (coupled OEO, en anglais) [11]. Il y a parallèlement des investigations théoriques sur la stabilité en court terme de l’OEO [12-15]. L’importance de la stabilisation de la température des composants sensibles dans le système (le filtre passe-bande, et la bobine de fibre notamment) [16], ou la disposition optimale de la fibre optique pour une sensibilité minimale vis-à-vis de l’accélération [17] sont également abordées. En même temps, la configuration d’un OEO multi-boucles et ses dérivées ont été proposées pour mieux supprimer les modes secondaires dans l’oscillateur tout en conservant une bonne qualité spectrale [18-21]. Pour réduire la taille de l’oscillateur et obtenir une bonne stabilité, l’utilisation de la technique photonique [22, 23] ou de micro-résonateurs optiques à modes de galerie [24-37] dans la partie photonique afin de substituer la fibre optique sont des voies prometteuses. Le problème d’accorder la fréquence d’un OEO est aussi un autre domaine de recherche. L’intérêt de l’accordabilité se trouve dans de nombreuses applications pratiques comme générateurs de fréquence, les télécommunications, et aussi pour stabiliser la fréquence d’oscillation vis-à-vis les influences de l’environnement. Shouhua Huang et al. ont utilisé un déphaseur RF contrôlé en tension pour arriver à 110 kHz de variation continue de la fréquence d’oscillateur à 10 GHz [38]. Pour obtenir une plage de variation plus importante, Danny Eliyahu and Lute Maleki ont proposé l’utilisation d’un filtre RF à base de grenat fer-yttrium (YIG) dans la boucle d’oscillateur pour arriver à un OEO dont la fréquence s’étend de 6 GHz jusqu’à 12 GHz [39]. Une autre technique que proposent H. E. Kotb et al. pour faire changer la fréquence d’un OEO s’appuie sur la modulation directe d’une diode laser et sur un filtre RF à fibre optique [40]. Il est à noter que cette méthode ne nous permet pas d’obtenir un réglage fin de la fréquence d’oscillateur. Comme l’oscillateur optoélectronique possède des entrées/sorties optiques et/ou électriques via des coupleurs correspondants, son champ d’applications est très vaste. On peut l’utiliser comme un oscillateur commandé en tension (VCO), un mélangeur de signaux en photonique (photonic microwave mixing), un distributeur de fréquence porteuse, un multiplicateur de fréquence, un générateur d’impulsion, ou pour récupérer le signal d’horloge [2, 41-44]. En 2005, Matsko et al. ont développé un magnétomètre basé sur la structure d’un OEO dont la sensitivité est de 7 102 − . G [45]. Dans ce travail de thèse, nous présentons 2 méthodes faisant varier la fréquence de l’OEO et, plus important encore, les applications correspondantes dans la mesure de certaines grandeurs physiques d’un liquide comme l’indice de réfraction ou l’absorption d’un liquide à la longueur d’onde du laser. Le premier chapitre est tout d’abord consacré à rappeler les conditions de base de fonctionnement d’un oscillateur en général, et les notions essentielles sur la qualité spectrale. Divers topologies d’oscillateurs en électronique sont présentées pour ensuite arriver à comprendre les caractéristiques d’un OEO. Un oscillateur optoélectronique dans la gamme de 2 GHz et de 8 GHz a été réalisé pour vérifier des prédictions théoriques en les comparant avec les résultats expérimentaux. Le second chapitre est voué à décrire la première méthode permettant d’accorder un OEO grâce à un dispositif qui peut faire changer la longueur du retard optique dans la boucle d’oscillateur. La structure de cette section particulière est clairement détaillée et les fondements théoriques sont aussi analysés. Un montage expérimental sert à tester la méthode ainsi proposée. La propriété « ouverte » de ce dispositif nous donne enfin une bonne sensibilité vis-à-vis du chemin optique tel qu’il peut être utilisé pour mesurer la valeur absolue de l’indice de réfraction d’un liquide contenu dans une cuve à quartz. Les mesures sont ensuite notées pour 4 solvants : l’acétone, l’acétonitrile, lechloroforme, et le dioxane. Le troisième chapitre décrit la deuxième façon pour rendre un OEO accordable. Cette méthode utilise un déphaseur électrique contrôlé par la technique photonique. Le premier paragraphe est réservé à la description du déphaseur électrique et du système d’oscillateur intégré de ce dispositif. Etant un composant qui détermine la valeur de phase du déphaseur, un amplificateur optique à semi-conducteur (SOA) joue un rôle essentiel dans la capacité de faire varier la fréquence. Une application directe de cette structure nous amène à une modulation de fréquence dans laquelle le signal modulant est injecté directement à l’oscillateur. Les analyses théoriques et les vérifications expérimentales sont abordées en détail. Enfin, dans le quatrième chapitre, le remplacement du SOA par un interféromètre à fibre optique nous conduit à des résultats similaires. La configuration réelle de l’interféromètre nous demande une méthode simple et efficace pour diminuer l’effet de la variation de la température sur l’intensité de la frange d’interférence. Un actionneur piézo-électrique du système mécanique qui supporte l’interféromètre est utilisé dans ce cas pour maintenir le déphasage de la frange résultante. Un circuit électrique dédié à ce but est aussi conçu et réalisé. Grâce à la stabilisation fréquentielle ainsi obtenue, nous pouvons tester l’idée proposée et comparer la théorie avec l’expérience. Nous proposons une méthode pour mesurer l’absorption d’un liquide à 1535 nm et effectuons en suite des mesures préliminaires pour le dioxane (à cause du manque de la connaissance des valeurs précises pour certains paramètres et de l’instabilité de la fréquence). Toutefois, quand la stabilisation fréquentielle est atteinte, cette configuration de l’oscillateur nous présente la possibilité de mesurer la variation de l’indice de réfraction d’un liquide à 5 10− de précision près dans le meilleur cas.
Etude théorique d’un oscillateur optoélectronique
Si une bonne qualité spectrale est demandée, les oscillateurs micro-ondes doivent être construits avec un filtre ayant une valeur du facteur de surtension QL suffisamment élevée afin de diminuer le bruit de phase comme le montrent les équations (1.16) et (1.17). Les composants électroniques hyperfréquences possèdent toutefois un facteur QL borné par des limitations de puissance et/ou de taille. Citons par exemple la valeur typique de ce facteur pour un résonateur saphir à modes de galerie à la température ambiante est de l’ordre de 200.000 [61], tandis qu’un oscillateur opto-électronique(OEO) contenant une fibre optique de quelques kilomètres de longueur peut présenter un facteur de qualité Q supérieur à 109 [62], donc un bruit de phase beaucoup plus faible.
Conclusion
Ce travail de thèse avait pour but d’étudier de nouvelles configurations pour rendre un oscillateur optoélectronique accordable et de développer son champ d’applications éventuelles. Ce manuscrit présente principalement deux méthodes qui jouent sur déphasage statique dans la boucle de l’oscillateur et donc en application de la condition d’oscillation il est possible de modifier la fréquence d’oscillation. Il décrit les principes de base et les fondements théoriques pour chaque proposition, permettant ensuite la construction d’un montage expérimental de vérification. La première méthode proposée consiste à modifier le chemin optique, donc le retard optique et donc le déphasage correspondant. Dans un premier temps nous avons agi mécaniquement sur la longueur de la boucle optique pour montrer le principe et la sensibilité du système mais dans un deuxième temps il a été possible de jouer sur l’indice optique d’une partie de la boucle conduisant à une application de mesure d’indice de réfraction pour des liquides, à la longueur d’onde de 1535 nm. La mesure a porté sur des solvants usuels en chimie et une précision légèrement inférieure à 1% a été obtenue. En améliorant la stabilité en fréquence il est tout à fait envisageable d’atteindre une précision de 10-3. Pour cela il faudra diminuer l’influence des vibrations mécaniques (amélioration du montage optique), contrôler plus efficacement la température de l’ensemble des composants et effectuer un suivi précis de la température du liquide étudié. En tenant compte de la dispersion chromatique dans les différentes sections de fibres il est tout à fait possible de conduire la mesure dans une certaine gamme de longueurs d’onde grâce à une source laser accordable. La deuxième méthode proposée pour agir sur la fréquence de l’oscillateur consiste à modifier le déphasage global par l’intermédiaire d’une combinaison de deux signaux électriques eux-mêmes résultants d’une propagation dans des chemins optiques différents. Ainsi en jouant sur l’amplitude d’un des deux signaux la recombinaison des vecteurs de Fresnel correspondants contient un terme de phase variable. Il ya donc une division de la boucle optique en deux voies différentes avec action sur une de ces deux voies. Deux techniques ont alors été mises en œuvre. La première technique s’appuie sur l’utilisation d’un SOA permettant de modifier l’intensité du signal otique le traversant et donc l’amplitude du signal électrique correspondant. Grâce à cela il a été possible de réaliser un VC-OEO (voltage controlled optoelectronic oscillator) illustré par une application à la modulation de fréquence directe. Cette expérience ouvre la voie aux applications de la radio sur fibre et il est permit d’imaginer un oscillateur du futur dans la bande des 60 GHz, modulable en fréquence à des taux de modulation assez élevés. Bien évidemment une profonde évolution de la structure de l’OEO sera nécessaire, allant vers une intégration maximale des fonctions le constituant. La deuxième technique consiste à introduire un interféromètre à fibre optique connecté à une des deux voies du système par un circulateur optique. En tant qu’interféromètre le système réalisé permet d’observer de très faibles variations d’un paramètre optique, coefficient absorption ou indice de réfraction par exemple. Un champ d’applications assez vaste est ouvert tel que le suivi de processus chimiques ou biochimiques et qui viennent compléter la possibilité de mesurer directement un indice de réfraction déjà présentée. Il est tout à fait possible de détecter des variations de l’indice de réfraction à 4 10− de précision. Nous avons commencé à effectuer des mesures préliminaires. Là aussi la qualité de l’instrumentation doit être très poussée pour minimiser les dérives thermiques ou mécaniques à court et moyen termes. Là encore l’intégration de fonctions jouera un rôle essentiel dans l’amélioration de la qualité des mesures réalisées. A côté des applications envisagées et dont la faisabilité a été démontrée dans ces travaux de thèse il est possible d’évoquer d’autres applications dans le domaine des télécommunications ou des radars par exemple. On peut envisager la création de peignes de fréquence grâce à la structure de modes inhérente à l’OEO (et à la ligne à retard), ou bien la commande de la fréquence d’oscillation suivant des schémas particuliers. Dans tout les cas il faudra passer du stade actuel de l’OEO en éléments séparés au stade de la puce optoélectronique. Un autre développement possible de l’OEO concerne l’utilisation de microrésonateurs optiques en lieu et place de la boucle de fibre. D’oscillateur à boucle à retard il devient oscillateur à résonateur ce qui peut permettre une plus grande miniaturisation et peut déboucher sur d’autres types d’applications où le micro-résonateur lui-même est l’élément sensible (dont l’intervalle spectral libre devient alors variable sous une action extérieure). Pour cela il faut réaliser des résonateurs de très fort coefficient de qualité mais des valeurs de plusieurs centaines de milliers sont tout à fait envisageables. Comme on le voit le champ applicatif de l’OEO est potentiellement très vaste bien que peu encore exploré. C’est un système doublement communiquant (dans le monde des microondes et dans le monde de l’optique) pouvant trouver sa place en télécommunication, radars capteurs ; il reste juste à améliorer sa stabilité pour lui ouvrir grand la porte des applications. Espérons que ces travaux aideront un peu à convaincre des possibilités de l’OEO.
|
Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 Oscillateur optoélectronique
1.1 Oscillateurs harmoniques en électronique
1.1.1 Structure de base et conditions d’oscillation
1.1.2 Différentes topologies d’oscillateurs
1.1.2.1 Oscillateurs avec circuit résonant de rétroaction
1.1.2.2 Oscillateurs à ligne à retard
1.1.3 Bruit de phase dans les oscillateurs
1.2 Etude théorique d’un oscillateur optoélectronique
1.2.1 Seuil d’oscillation
1.2.2 Fréquence et amplitude d’oscillation
1.2.3 Stabilité en fréquence d’un OEO
1.2.4 Bruit de phase
1.3 Mises en œuvre expérimentales
1.3.1 Oscillations à 2 GHz
1.3.2 Oscillations à 8 GHz
1.4 Discussion et remarques
Chapitre 2 Influence d’une variation de la longueur sur la fréquence de l’OEO
2.1 Oscillateur optoélectronique accordable en fréquence
2.1.1 Section de propagation libre
2.1.2 Analyse théorique
2.1.3 Expériences et résultats
2.1.3.1 Description du montage
2.1.3.2 Résultats expérimentaux
2.2 Mesure de la valeur absolue de l’indice de réfraction d’un liquide
2.2.1 Calculs théoriques
2.2.2 Erreurs systématiques et tolérances de mesure
2.2.2.1 Erreurs systématiques
2.2.2.2 Tolérances de mesure
2.2.3 Montage réalisé et résultats
2.3 Conclusions
Chapitre 3 Accordabilité en fréquence par un déphaseur à amplificateur optique à semi-conducteur (SOA)
3.1 Description du système et principes de base
3.1.1 Déphaseur électrique contrôlé par la technique photonique
3.1.2 Principe d’un OEO accordable grâce au déphaseur électrique
3.2 Accordabilité en fréquence grâce à un déphaseur à SOA
3.2.1 Calculs analytiques
3.2.2 Montage expérimental
3.3 Modulation de fréquence
3.4 Conclusion
Chapitre 4 Accordabilité en fréquence grâce à un interféromètre à fibre optique
4.1 Configuration de l’interféromètre à fibre optique
4.2 Compensation thermique pour l’interféromètre
4.3 Montage expérimental
4.4 Mesure du taux d’absorption d’un liquide à 1535 nm
4.5 Conclusions et perspectives
Conclusion
Télécharger le rapport complet
