Etude en bruit de systèmes optiques hyperfréquences Modélisation, caractérisation et application à la métrologie en bruit de phase et à la génération de fréquence
Résumé
Optical devices are more and more used in microwave systems, taking benefit of the low losses of optical fibers, of their small size and their immunity to electrical parasitic signals. An example of these systems is the microwave optical oscillator, either based on optical resonators or delay lines, which can deliver ultra high spectral purity signals. However, the performance of these systems is dependent on the performance of the devices used for the electrical to optical or optical to electrical conversions, the chosen optical modulation technique, the necessary microwave amplifiers, the devices biasing circuits, the quality of the optical fiber and, above all, the topology chosen to build the whole system. It is thus important to be able to compute the system phase noise using an appropriate modelling approach. This thesis allowed us to develop such approach using specific microwave circuit design software: Agilent ADS. This software has been designed in the 1990s in order to take into account the frequency conversion phenomena between the noise sidebands around the different harmonics of the RF signal (including DC). This software may be used to simulate the microwave parts of a microwave optical system. However, it generally does not include any specific model for the optical devices involved in these systems. A solution to this problem is to find a representation of these devices which can be implemented in the microwave simulator, using either an equivalent electrical circuit or a mathematical model. Finally, a Mach-Zehnder modulator based optical link and its noise performance is successfully described. A model is proposed for an optical delay line microwave frequency discriminator and also for an optical discriminator. Thanks to this study, an optical delay line microwave frequency discriminator is designed and realized. The phase noise performance of this system corresponds to the state of the art.
Les composants optoélectroniques sont de plus en plus utilisés dans les systèmes micro-ondes. Les liaisons par fibres optiques, permettent par exemple une réduction significative de la taille et de la masse des systèmes de distribution de signaux à bord des systèmes embarqués (avion, satellite, radar,&). Cependant, les performances de ces systèmes dépendent des performances des dispositifs utilisés pour les conversions électrique/optique et optique/électrique, de la technique de modulation optique choisie, des amplificateurs micro-ondes utilisés, de la qualité de la fibre optique et, finalement, de la topologie choisie pour réaliser le système entier. Ceci explique l'importance de développer une approche de modélisation efficace pour ces systèmes. Cette thèse nous a permis de développer une telle approche basée sur un logiciel de simulation de circuits hyperfréquences, comprenant différentes méthodes d'analyse des systèmes non-linéaires (dont la balance harmonique) et du bruit dans ces systèmes (conversion de bruit entre les harmoniques). L'originalité de ce travail consiste en l'utilisation de ce logiciel pour simuler des composants optoélectroniques, qui sont décrits par des équivalents électriques ou mathématiques. Grâce à cette étude, nous avons pu modéliser dans un premier temps une liaison optique utilisant un modulateur de Mach-Zehnder et incluant les différentes composantes de bruit du système. Un modèle est également proposé pour un discriminateur de fréquence micro-ondes à ligne à retard optique et enfin pour un discriminateur de fréquence optique. Sur la base de cette étude, un discriminateur de fréquence micro-onde utilisant une ligne à retard optique de plusieurs kilomètres a été conçu et réalisé. Ce système présente des performances en bruit de phase à l'état de l'art.
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