Optical frequency comb-based ultralow phase noise photonic microwave generation
Génération photonique de signaux micro-ondes très bas bruit de phase par peignes de fréquences optiques
Résumé
State-of-the-art microwave oscillators are typically bulky systems requiring tedious maintenance
which is hindering their use in mobile applications or in demanding environments. The
invention of the optical frequency combs, which was awarded a Nobel prize in 2005, was a gamechanger
as it enabled a high-fidelity transfer of the unrivalled properties of optical oscillators
to the microwave domain. In the technique used at SYRTE, the optical frequency division, a
microwave signal can be extracted from a near-infrared ultra-stable laser using photodetection.
The transfer is accompanied by a reduction of phase noise equal to the microwave-to-optical
frequency ratio squared, i.e. more than eight order of magnitudes. This benefit is however reduced
by several processes producing excess noise during the transfer. The work described in this
thesis is the generation of the lowest phase noise microwave signal ever reported. The different
processes inducing excess noise are analysed and, in part, overcome. Specifically, the conversion
of the femtosecond laser intensity noise to the microwave phase noise is studied thoroughly and
its effect significantly reduced. The results augur that the optical approaches in microwave generation
are on the verge to disrupt the state-of-the-art. The noise levels demonstrated and the
techniques developed can benefit a large range of applications such as mobile radars, time and
frequency metrology or the next generation of ultrafast telecommunication networks.
Les meilleurs oscillateurs dans le domaine micro-onde sont souvent des systèmes encombrants
ou requérant une maintenance fastidieuse ce qui freine leur utilisation pour des applications mobiles
ou dans des environnements aux conditions difficiles. L’avènement des peignes de fréquences
optiques, récompensés par un prix Nobel en 2005, a ouvert de nouvelles perspectives en permettant
un transfert des qualités inégalées des sources optiques vers le domaine micro-onde. Dans la
technique utilisée au LNE-SYRTE, la division de fréquence optique, un signal micro-onde peut
être extrait d’un laser ultra-stable dans l’infrarouge proche par photodétection, ce qui s’accompagne
d’une réduction du bruit égale au carré du rapport des fréquences initiale et finale, soit
plus de 8 ordres de grandeurs. Ce bénéfice est cependant réduit par différents processus collatéraux
qui augmentent le niveau de bruit final. Le travail décrit dans cette thèse est la génération
et la caractérisation du signal micro-onde le plus pur généré jusqu’à présent. Les différents processus
introduisant un excès de bruit lors de la conversion opto-éléctronique sont étudiés et en
partie surmontés. En particulier la conversion du bruit d’amplitude du laser femtoseconde vers la
porteuse micro-onde est analysée en détail et son effet grandement réduit. Les résultats obtenus
laissent penser que les techniques optiques de génération de micro-ondes vont bouleverser l’état
de l’art. Les niveaux de pureté atteints et les techniques développées peuvent bénéficier un vaste
éventail de domaines comme les radars mobiles, la métrologie temps-fréquence ou les prochaines
générations de télécommunications à ultra-haut débit.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)