The study of phase noise spectra of a microwave delay line optoelectronic oscillator

Etudes spectrales du bruit de phase dans les oscillateurs opto-électroniques micro-ondes à ligne à retard

Kirill Volyanskiy (1)

1 FEMTO-ST - Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174)

This work is dedicated to the study of phase noise in fiber optic delay line optoelectronic oscillators (OEO). This particular class of microwave range oscillator was recently introduced (1994), and intensively explored due to its very attractive potential for ultra-low short term phase noise features. It is intended for applications to Radar, Space, and high bit rate optical telecommunications. On the basis of a time domain theoretical approach, the dynamic and the phase noise properties of the OEO was investigated. A stochastic, nonlinear, delay differential equation was derived directly from the description of the oscillator loop chain: the most relevant nonlinearity of a Mach-Zehnder electro-optic modulator, the km-long fiber delay line, the dynamics ruled by the microwave amplitude selective filter, and the different additive and multiplicative noise sources (laser, photodiode, RF amplifier). The linearization of the model around the OEO monomode operating point led to the theoretical description of the phase and amplitude noise performances. Those theoretical results are compared with experimental investigations, covering both the device noise characteristics, as well as the whole oscillator. Specific high sensitivity noise measurement techniques were developed using optoelectronic architectures of the measurement bench on the one hand, and correlation principles on the other hand. A very good agreement between experiment and theory is obtained, leading to a quantitative description of the OEO phase noise features, and highlighting the most relevant noise sources limiting the performances. Selected devices allowed to achieve an OEO phase noise as low as –143 dBrad2/Hz at 10 kHz from the carrier at 10 GHz. The remaining limiting noise sources are finally discussed, and various possible improvements are suggested for future OEOs.

Ce manuscrit est consacré à l'étude du bruit de phase dans les oscillateurs optoélectroniques (OEO) à ligne à retard à fibre optique. Cette classe particulière d'oscillateurs dans la gamme micro-onde a été développée (1994) récemment, et étudiée par différents groupes de recherche dans le monde, du fait de son important potentiel en termes de très faible bruit de phase à court terme (applications radar, spatial, et télécom haut débit). Sur la base d'un modèle théorique s'appuyant sur une description temporelle, nous avons étudié la dynamique de l'oscillateur, et ses propriétés de bruit de phase. L'équation différentielle stochastique, non linéaire, et à retard, est directement dérivée de la description des différents éléments de la chaîne d'oscillation : la non linéarité prédominante d'un modulateur électro-optique de Mach-Zehnder, le temps de retard induit par plusieurs kilomètres de fibre, la dynamique résonante du filtre micro-onde à 10 GHz sélecteur des modes à retard, et les différentes sources de bruit additif et multiplicatif (laser, photodiode, amplificateur RF). La linéarisation de ce modèle autour du point de fonctionnement a permis d'obtenir une expression théorique du bruit de phase et d'amplitude de l'OEO. Ces résultats sont confrontés à une exploration expérimentale des caractéristiques de bruit, à la fois des composants utilisés, et du système complet de l'OEO en régime d'oscillation monomode. Des techniques de mesure de bruit ultra-sensibles, utilisant des architectures optoélectroniques d'un banc de mesure, ainsi que des principes de mesure par corrélation, sont décrites. Une très bonne correspondance entre théorie et expérience est ainsi obtenue. Le travail a abouti à l'identification quantitative des principales sources de bruit limitant les performances de l'OEO. Par l'utilisation de composants optimaux, un niveau de bruit de phase de l'ordre de –?143 dBrad2/Hz à 10 kHz de la porteuse à 10 GHz, a été atteint. La discussion des sources de bruit résiduelles a également permis de proposer des améliorations pour les architectures futures d'OEO.

Mots clés: Ultra-stable microwave oscillator; phase noise; optical delay line optoelectronic oscillator; oscillator noise<br />sources; phase noise measurement; cross-correlation method; nonlinear dynamics in delay oscillators; <br />noise in semiconductor lasers.

Mots clés: Oscillateur micro-ondes ultra-stable; bruit de phase; oscillateur optoélectronique à ligne à retard<br />optique; sources de bruit des oscillateurs; mesures de bruit de phase; méthode de cross-corrélation; <br />dynamique non-linéaire des oscillateurs à retard; bruit dans les lasers à semiconducteur.; bruit dans les lasers à semiconducteur

Domaines: Sciences de l'ingénieur [physics]

Kirill Volyanskiy. The study of phase noise spectra of a microwave delay line optoelectronic oscillator. Engineering Sciences [physics]. Université de Franche-Comté, 2009. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00392571⟩