Thèse Fabien KÉFÉLIAN

222 Pages·2006·5.6 MB·French

by  Fabien Kéfélian

(cid:13)
Thèse
présentée pour obtenir le grade de docteur
de l’École Nationale Supérieure des Télécommunications
Spécialité : Électronique et Communications
Fabien KÉFÉLIAN
Corrélation du bruit de phase de lasers à réseau de
Bragg par injection optique. Application à la génération
et au transport sur fibre de signaux radiofréquence.
Soutenue le 5 décembre 2005 devant le jury composé de :
Jean-Michel Jonathan Président
Michel Têtu Rapporteurs
Guang-Hua Duan
Jean Chazelas Examinateur
Philippe Gallion Directeurs de thèse
Renaud Gabet
Francisco Mendieta Invité

i
Remerciements
Je tiens à remercier en premier lieu Philippe Gallion de m’avoir proposé ce riche sujet de thèse et
d’enavoirassuréladirection.
J’exprime ma profonde reconnaissance à Guang-Hua Duan et Michel Têtu pour avoir accepté la
lourdetached’êtremesrapporteurs.IlenestdemêmeenversJeanChazelasetFranciscoMendieta,pour
avoiracceptédefairepartiedemonjury,etenversJean-MichelJonathan,pourl’avoirprésidé.
MerciàRenaudGabetpoursonaidedurantcestroisannées.
Jeremercieévidemmenttouslesmembresdugroupetélécommunicationsoptiquesdel’ENSTpour
leur accueil, leur écoute et leurs conseils : Didier Erasme, responsable du groupe, Guy Debarge, Yves
Jaouen,CatherineLepers,Jean-ClaudeBouley,ChristopheMinot,MarciaCostaetbiensurtousmescol-
lègues doctorants, ceux qui ont commencé en même temps : Bruno Bristiel et Jérémie Renaudier, ceux
qui avaient commencé auparavant : Sebastien Agnoli, Christophe Gosset, Elena Olmedo, Stefan Lauf-
fenburger,LydiaLourdiane,DésiréTopomentzo,CarlosPalavicini,GabrielCampuzano,CédricWare,et
ceuxquicommencèrentaprès:IhsanFsaifes,Shi-FengJiang,FaustoGomez,HassanTeimoori,Damien
Fafchamps, Manuel Sabban, Philippe Hamel, Qing Xu, sans oublier les stagiaires Chadi Abou Rjeily,
SébastienLebrault,Chao-WeiGaoetSalimMimouni.Remerciementsaussiauxautresmembresdudé-
partementCommunicationsetélectronique:sonresponsable,BrunoThédrez,lepersonneladministratif,
Chantal Cadiat, Marie Baquero, Danièle Childz, et les doctorants : Anne-Laure Deleuze, Sophie Gault,
Emilio Calvanese, Fernando Rangel, David Champion, Eli Jandot, Axel Le Poupon, Sylvain Chaillou,
Sabine Leveiller, Mariam Kimiaei, Yolada Feideropoulou, Alireza Kazemipour, Ioannis Krikidis, Sara
AbouChakra,AntonioCipriano,NicolasGresset,Anne-ClaireLepage,GhayaRekaya.
ii
iii
Résumé
Le mélange de deux faisceaux laser sur un photo-détecteur permet de générer un signal radiofré-
quencejusqu’auTHz.Parcorrélationdesdeuxsourcesoptiques,lesignalobtenupeutacquérirlapureté
spectralerequisepourlesréseauxdecommunicationsradiosurfibre.
Notretravailportesurlaméthodedecorrélationparaccrochageoptiquesurunpeignedefréquences.
L’injection optique permet de transférer le bruit de phase d’un laser maître, pris comme référence, à un
laseresclave.Enutilisantdeuxharmoniquesd’unlasermoduléenfréquence,commesourcesdistinctes
d’injection, les bruits de phase des deux lasers esclaves sont corrélés et la différence de fréquences est
multipledelafréquenceprimaire.
Nousavonsréaliséuneétudethéoriquegénéraledel’injectiondansleslaserssemi-conducteuràca-
vitécomplexe,enparticulierleslasersDFB,enmettantnotammentenévidencel’asymétriegéométrique
du bruit. Nous avons relié théoriquement le degré de corrélation entre les deux lasers aux paramètres
d’injectionetaubruitdephase.L’expressionaétéconfirméepardesmesuressurlecontrastedefranges
d’interférencesetlespectreduphoto-couranthétérodyne.Cesbattementstemporelsontétémisenregard
avec l’optique de Fourier et le speckle. Nous avons étudié la pureté spectrale du battement et établi les
limitesfondamentalesdecettetechniqueenfonctiondelaqualitédel’oscillateurprimaire,despropriétés
spectrales des lasers, des paramètres d’injection et de transport sur fibre. Les mesures de bruit de phase
sur le signal généré expérimentalement, pour différentes conditions d’injection, sont en très bon accord
aveclesexpressionsanalytiques.
iv
v
Abstract
Mixing of two laser beams on a photo-detector is a way to generate radiofrequency signals up to
THz band. By correlation of both optical sources, this signal can reach the required spectral purity for
radio-over-fibercommunicationssystems.
Our work deals with the method of correlation by optical locking on a frequency comb. Injection
locking is used to transfer the phase noise of a reference laser to a slave laser. Using two harmonics
lineofafrequencymodulatedlaserastwodistinctmastersources,thephasenoisesofbothslavelasers
becomecorrelatedandthefrequenciesdifferenceisamultipleoftheprimaryfrequency.
Wehaverealizedageneraltheoreticalstudyoftheinjectionintosemi-conductorlaserwithcomplex
cavity, in particular distributed grating lasers, showing in particular the geometrical asymmetry of the
noise propriety. The correlation degree between the lasers has been analytically linked to the injection
parametersandthephasenoise.Measurementsconcerninginterferencesfringescontrastandheterodyne
photocurrentspectrumhaveconfirmedtheexpression.Thetemporalbeatingphenomenonhasbeencom-
pared with Fourier optics and speckle. Spectral purity of the beat-note has been studied in function of
thequalityoftheprimaryoscillator,thespectralproprietiesofthelasers,theparametersofinjectionand
fibertransportation.Phasenoisemeasurementsontheexperimentallygeneratedradio-frequencysignal,
fordifferentconditionsofinjection,areingoodagreementwiththeoreticalexpressionsestablishingthe
fundamentallimitsofthistechnique.
vi
vii
Sommaire
Remerciements i
Résumé i
Abstract iii
Sommaire v
Tabledesfigures xii
Introductiongénérale xvi
1 SystèmeRadio-sur-Fibreetgénérationd’ondesmillimétriquesparbattementoptique 1
1.1 Systèmedecommunicationsansfillargebandeetradio-sur-fibre . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Systèmesdecommunicationsansfillargebande . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.3 Lasolutionradio-sur-fibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Transmissiond’une porteuse micro-onde sur fibre optique par modulation de l’intensité
optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2 Modulationdirectedulaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.3 Modulationexternedel’ondeoptique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.4 Pénalitéinduiteparladispersionchromatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Génération et transmission d’une porteuse micro-onde sur fibre optique par battement
optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.1 Utilisationdedeuxlasersindépendants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.2 Utilisationd’unseullaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.3 Utilisationdedeuxlaserscorrélés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 Transmissiondedonnéesutilisantlaradio-sur-fibreetlagénérationhétérodyne . . . . . 10
1.4.1 Principegénéraldecommunications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
viii SOMMAIRE
1.4.2 Standardsdeformatdemodulationettoléranceaubruitdephase. . . . . . . . . 11
1.4.3 Résultatsexpérimentauxdetransmissionsdedonnéesàl’aided’un
systèmeopto/micro-ondeshétérodyne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 RappelsthéoriquesetmesuresexpérimentalessurleslasersDFB 19
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 ÉquationsstatiquesdulaserDFB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.2 Équationdesmodescouplés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.3 Équationcaractéristiquedumodespectral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.4 Expressiondumodelongitudinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.5 Caractéristiquedumodelongitudinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 DFB:Caractéristiquesexpérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.2 Détaildelastructuredulaser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.3 Caractéristiquesstatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.4 Caractéristiquesspectrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.5 Caractéristiquesdynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3 Rappelssurlespropriétésstatistiquesduchampetdubruitdephaseoptique 41
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 Propriétésstatistiquesdelaphased’unmodelaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.1 Propriétésstatistiquesgénérales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.2 Marchealéatoire,processusdeWiener-LevyetéquationdeLangevin . . . . . . 42
3.2.3 Momentsdupremieretdusecondordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.4 Autresexpressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.5 Densitéspectraledepuissancedelaphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3 Propriétésstatistiquesduchamplasermonomode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.1 Momentdupremierordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.2 Momentsdusecondordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.3 Momentd’ordre4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4 Propriétésstatistiquesduphotocourant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.1 Remarquepréliminaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.2 Statistiqueduphoto-courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.3 Courantmoyen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.4 Momentdusecondordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53