Les interconnections optiques dans les fermes de données (data centers) nécessitent la mise au point de nouvelles approches technologiques pour répondre aux besoins grandissants en composants d’interface respectant des cahiers de charge drastiques en termes de débit, coût, encombrement et dissipation d’énergie. Les peignes de fréquences optiques sont particulièrement adaptés comme nouvelles sources optiques, à mêmes de générer un grand nombre de porteuses optiques cohérentes. Leur utilisation dans des systèmes de transmission en multiplexage de longueurs d’onde (WDM) et exploitant de nouveaux formats de modulation, peut aboutir à des capacités jamais atteintes auparavant. Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du projet européen BIG PIPES (Broadband Integrated and Green Photonic Interconnects for High-Performance Computing and Enterprise Systems) et a pour but l’étude de peignes de fréquences générés à l’aide de lasers à verrouillage de modes, à section unique, à base de bâtonnets quantiques InAs/InP et puits quantiques InGaAsP/InP. Nous avons entrepris l’étude de nouvelles couches actives et conceptions de cavités lasers en vue de répondre au cahier des charges du projet européen. Une étude systématique du bruit d’amplitude et de phase de ces sources a en particulier été menée à l’aide de nouvelles techniques de mesure afin d’évaluer leur compatibilité dans des systèmes de transmission à très haut débit. Ces peignes de fréquences optiques ont été utilisées avec succès dans des expériences de transmission sur fibre optique avec des débits records dépassant le Tbit/s par puce et une dissipation raisonnable d’énergie par bit, montrant leur fort potentiel pour les applications d’interconnections optiques dans les fermes de données / The increasing demand for high capacity, low cost, high compact and energy efficient optical transceivers for data center interconnects requires new technological solutions. In terms of transmitters, optical frequency combs generating a large number of phase coherent optical carriers are attractive solutions for next generation datacenter interconnects, and along with wavelength division multiplexing and advanced modulation formats can demonstrate unprecedented transmission capacities. In the framework of European project BIG PIPES (Broadband Integrated and Green Photonic Interconnects for High-Performance Computing and Enterprise Systems), this thesis investigates the generation of optical frequency combs using single-section mode-locked lasers based on InAs/InP Quantum-Dash and InGaAsP/InP Quantum-Well semiconductor nanostructures. These novel light sources, based on new active layer structures and cavity designs are extensively analyzed to meet the requirements of the project. Comprehensive investigation of amplitude and phase noise of these optical frequency comb sources is performed with advanced measurement techniques, to evaluate the feasibility of their use in high data rate transmission systems. Record Multi-Terabit per second per chip capacities and reasonably low energy per bit consumption are readily demonstrated, making them well suited for next generation datacenter interconnects

Ce manuscrit présente l'intégration conjointe d'un banc de mesure de bruit de phase et de résonateurs BAW sur lesquels doit s'effectuer la mesure. Une tendance actuelle vise à intégrer à côté de systèmes plus ou moins complexes, des circuits permettant d'en faciliter les tests. L'intégration du banc de mesure de bruit de phase permet de nous affranchir des contraintes provenant de la mesure externe sous pointes et du coût élevé associé. L'intégration simultanée des circuits de tests avec les systèmes à mesurer, permet également d'exploiter pleinement les possibilités d'appariement de composants disponibles sur un même substrat. Ce type de mesure On-Chip simplifie considérablement la procédure de test, en minimisant l'utilisation de matériel de mesure externe encombrant et de coût élevé. Elle évite aussi les dispersions inhérentes à l'utilisation de composants discrets externes, offrant la possibilité de suivre facilement l'évolution des caractéristiques du système, soit dans le temps, soit après divers types de dégradations. Cette mesure intégrée conduit naturellement à la conception de circuits autotestables, et donc autoreconfigurables. Notre travail de thèse a consisté à définir l'architecture, ainsi que le dimensionnement des différents éléments du banc de mesure, en fonction de la précision de mesure souhaitée. Nous avons montrer qu'un système d'instrumentation performant peut s'intégrer dans une technologie SiGe standard.

Depuis quelques décennies, la technologie de contrôle de la fréquence a été au coeur de l'électronique des tempsmodernes grâce à son vaste domaine d'applications dans les systèmes de communication, les ordinateurs, les systèmesde navigation ou de défense militaire. Les dispositifs temps-fréquence fournissent des stabilités de fréquence et despuretés spectrales élevées dans le domaine de la stabilité court-terme. L'amélioration de la performance de cesdispositifs reste un grand défi pour les chercheurs. La réduction du bruit afin d'augmenter cette stabilité court-terme etd'éviter les commutations non souhaitées entre les canaux est donc très souhaitable. Il est communément admis que lalimitation fondamentale à cette stabilité court-terme est due au bruit flicker de fréquence des résonateurs. Dans cemanuscrit, un premier chapitre rappelle quelques faits de base sur l’acoustique, la cristallographie et les définitions dudomaine temps-fréquence nécessaires à l’étude des résonateurs et oscillateurs ultra-stables. Le deuxième chapitre estconsacré à un résumé de la littérature sur le bruit de fréquence en 1/f. Ensuite, le troisième chapitre concerne nos étudessur le modèle quantique de bruit en 1/f du Pr. Handel, qui, bien que critiqué par beaucoup, est encore le seul qui fournitune estimation de l'amplitude de plancher de bruit en 1/f et qui n'est pas infirmé par les données expérimentales. Dans lequatrième chapitre, une autre approche, basée sur le théorème de fluctuation-dissipation, est utilisée afin de mettre descontraintes numériques sur un modèle de bruit en 1/f causé par une dissipation interne (ou de structure) proportionnelleà l'amplitude, et non à la vitesse. Le dernier chapitre est consacré aux résultats expérimentaux. Le design et lesparamètres du résonateur ultra-stable utilisé lors de cette étude sont décrits. Les mesures de bruit de phase sur plusieurslots de résonateurs sont données. Les mesures des paramètres de résonateur ont été effectuées à basse température afinde les corréler avec les résultats de bruit. Afin d'évaluer rapidement la qualité des différents résonateurs, une autreapproche dans le domaine temporel a été testée. Elle utilise des oscillations pseudo-périodiques transitoires mettant lesoscilloscopes numériques actuellement disponibles à leurs limites de capacité. Enfin, les conclusions et perspectivessont présentées. / Since a few decades, frequency control technology has been at the heart of modern day electronics due to its huge areaof applications in communication systems, computers, navigation systems or military defense. Frequency controldevices provide high frequency stabilities and spectral purities in the short term domain. However, improvement of theperformance of these devices, in terms of frequency stability, remains a big challenge for researchers. Reducing noise inorder to increase the short term stability and avoid unwanted switching between channels is thus very desirable. It iscommonly admitted that the fundamental limitation to this short-term stability is due to flicker frequency noise in theresonators. In this manuscript, a first chapter recalls some basic facts about acoustic, crystallography and definitions oftime and frequency domain needed to explore ultra-stable resonators and oscillators. The second chapter is devoted to asummary of the literature on flicker frequency noise. Then, the third chapter concerns our studies on Handel’s quantum1/f noise model, which although criticized by many, is still the only one that provides an estimation of the flooramplitude of 1/f noise that is not invalidated by experimental data. In the fourth chapter, another approach, based on thefluctuation-dissipation theorem, is used in order to put numerical constraints on a model of 1/f noise caused by aninternal (or structural) dissipation proportional to the amplitude and not to the speed. The last chapter is devoted toexperimental results. An ultra-stable resonator used during this study is described. Phase noise measurements on severalbatches of resonators are given. Measurements of resonator parameters have been done at low temperature in order tocorrelate them with noise results. Another approach with a procedure that use transient pseudo periodic oscillations andput to their limits the capacities of presently available digital oscilloscopes, is presented, in order to assess rapidly thequality of various resonators. Finally, conclusions and perspectives are given.

L'optomécanique est la science des interactions entre la lumière et les mouvements mécaniques. Ce rapport de thèse décrit des expériences réalisées avec des microdisques fabriqué dans différents résonateurs semi-conducteurs III-V: l'Arséniure de Gallium (GaAs), l'Arséniure d'Aluminium Gallium (AlGaAs) et l'Arséniure d'Indium Phosphide (InGaP). Ces matériaux sont compatibles avec les fonctionnalités de l’optoélectronique et procurent un couplage optomécanique géant. Pour améliorer les performances des résonateurs en GaAs, nous avons développé des méthodes de traitement de surface permettant de réduire la dissipation optique par un facteur dix et ainsi d'atteindre un facteur de qualité de six millions. En plus de ces études sur le GaAs, nous avons réalisés une étude comparative des interactions optomecaniques dans des microdisques d'InGaP et d'AlGaAs, et nous avons mis en évidences leurs résonances optomécaniques. Finalement, nous avons réalisé des mesures de force avec des résonateurs en GaAs, démontrant un nouveau principe de détection basé sur notre étude de leur la trajectoire dans l'espace de phase et leur bruit de phase / Optomechanics studies the interaction between light and mechanical motion. This PhD thesis reports on optomechanical experiments carried with miniature disk resonators fabricated out of distinct III-V semiconductors: Gallium Arsenide (GaAs), Aluminium Gallium Arsenide (AlGaAs) and Indium Gallium Phosphide (InGaP). These materials are compliant with optoelectronics functionalities and provide giant optomechanical coupling. In order to boost performances of GaAs resonators, we implemented surface control techniques and obtained a ten-fold reduction of optical dissipation, attaining a Q of six million. On top of GaAs, we performed a comparative investigation of optomechanical interactions in InGaP and AlGaAs disk resonators, and demonstrated their operation as optomechanical oscillators. Finally, we carried out optomechanical force sensing experiments with GaAs resonators, analyzing a new sensing principle in light of the phase space trajectory and phase noise of the corresponding oscillators

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la réalisation d'un système de génération de signaux micro-ondes à haute stabilité de fréquence. De tels signaux sont obtenus en asservissant en phase un laser femtoseconde à fibre sur une référence de fréquence optique ultra-stable. On est ainsi capable de transférer la stabilité relative de fréquence d'une référence optique dans le domaine micro-onde. Des lasers ultra-stables ont d'abord été développés afin de servir de référence. Ils sont obtenus en asservissant en fréquence un laser sur une cavité Fabry-Perot. Une étude par calculs numériques puis expérimentale a permis de minimiser l'influence, sur les cavités, de la source de bruit dominante qu'est les vibrations. Grâce à cette démarche et à l'utilisation de miroirs de cavité en silice fondue, deux de ces lasers ultra-stables ont une stabilité relative de fréquence estimée à 4,1×10^(-16) @ 1 s. A partir du laser femtoseconde stabilisé sur l'un des lasers ultra-stable, un signal micro-onde à ~12 GHz est généré avec une stabilité de 3×10^(-15) à 1 s. Une horloge atomique à fontaine, interrogée avec ce signal, atteint une stabilité de 3,5×10^(-14)τ^(-1/2), sa limite fondamentale imposée par le bruit de projection quantique. On montre ainsi que la contribution du bruit du signal d'interrogation sur la stabilité de l'horloge (effet Dick) est rendue négligeable. Enfin, la limitation ultime du processus de transfert de l'optique vers la micro-onde a été mesurée en utilisant la même référence optique pour deux lasers femtosecondes identiques. Après optimisation du système, elle a été évaluée au niveau de 2-3×10^(-16) entre 1 s et 10 s.

Cette thèse présente des résultats de recherche sur des résonateurs acoustiques à ondes de volume travaillant à températures cryogéniques (de 3K à 15K dans un réfrigérateur à tube pulsé) ainsi que sur les systèmes construits autour de ces composants. Le premier aspect concerne le fonctionnement de différents composants, dont en particulier le résonateur. Le comportement de ce dernier a fait l'objet d'une étude plus systématiquement sur la gamme de fréquence [1−90 MHz]. Des facteurs de qualité de 417 * 106 et des produit Q* f (facteur de qualité Q à la fréquence f) pouvant atteindre 3, 07*1016 Hz ont été mesurées pour les résonateurs à quartz, valeurs exceptionnelles qui sont des records mondiaux pour cette classe de composants. Il est montré que le facteur de qualité Q ne dépend pas de la fréquence f à ces températures, conformément à la théorie de Landau-Rumer. Les problèmes et avantages de travailler à de telles températures sont évalués. Les limitations qui s'y rattachent sont discutées. D'autres composants passifs ou actifs, tels que des transistors, sont aussi d'étudiés. Le choix des composants appropriés est fait sur la base de comparaisons de leur comportement à 4K. Les résultats sont confirmés par une modélisation d'amplificateurs cryogéniques, réalisée avec succès. Le deuxième aspect mis en lumière dans ce travail est la modélisation et la simulation des composants et des systèmes étudiés. Le rapport présente un modèle rigoureux du bruit de phase des composants à onde acoustique de volume prenant en compte les non linéarités et basé sur la méthode de la moyenne. Ce modèle du résonateur, de type MIMO (multiple-input and multiple-output) est utilisé pour en déduire l'impact des différents paramètres d'un oscillateur sur son bruit de phase et expliquer les résultats expérimentaux. Les modèles établis pour les différents autres composants sont aussi utilisés pour simuler et optimiser des amplificateurs et oscillateurs cryogéniques. Le troisième aspect concerne des sources de fréquence basées sur ces résonateurs à ondes de volume cryogéniques : référence passive et oscillateur cryogéniques. Les systèmes réalisés ont permis de mesurer et caractériser le bruit du résonateur dans des conditions spécifiques. Certaines sources de bruit ont ainsi été identifiées. Les systèmes à boucle d'asservissement testés ont une stabilité relative de fréquence de 4 * 10−13 à 100 secondes et restent à mieux que 1 * 10−12 entre 1 et 2000 s. L'oscillateur réalisé a une stabilité de 1.5 * 10−12 à 200 s et meilleure que 1 * 10−11 pour des temps d'intégration plus grands que 80 ms. Les limitations de ces systèmes sont discutées sur la base des données obtenues.

Cette étude porte sur les apports de l'automatique dans les systèmes intégrés sur Silicium pour la synthèse de radio-fréquences de l'ordre du Giga-Hertz avec une pureté spectrale optimale. La base des architectures qui réalisent cette fonction repose sur celle des boucles à verrouillage de phase (PLL). Ce travail se positionne par rapport aux di érents modèles existants et apporte des améliorations pour l'étude du bruit de phase et de la robustesse de ces systèmes non linéaires avec entre autres un outil pour l'analyse de la stabilité et de la robustesse semi globale. Ces travaux ont permis l'optimisation d'une nouvelle architecture fractionnaire réalisée et testée. L'approche systémique propre à l'automatique a aussi permis d'améliorer les performances des architectures numériques grâce à un observateur et un contrôleur robuste de type Hinfini. Leur implémentation sur Silicium est rendue possible grâce à des algorithmes qui visent à réduire la surface du circuit.

Les progrès de la technologie silicium germanium (SiGe) suscitent sa possible utilisation dans les applications à haute fréquence. Les travaux décrit dans ce mémoire visent à étudier les potentialités de cette technologie pour la réalisation de circuits intégrés monolithiques (MMIC) faibles bruit dans la bande de 10 GHz. Ce mémoire est articulé autour de trois chapitres. Le premier rappelle les contraintes auxquelles doit répondre un transistor bipolaire afin d'être utilisable dans les circuits RF millimétriques. La technologie qu'à développé STMicroelectronics pour ce domaine d'application est ensuite présentée. Enfin, le travail de caractérisation qui a été réalisé afin de valider le comportement des modèles que nous allons utiliser pour concevoir des circuits RF est présenté. Le second chapitre est consacré à la conception de circuits amplificateurs à faible bruit. La méthode de travail ainsi que les topologies de circuits sont présentées. Le résultat des caractérisations effectuées est ensuite présenté. Nous terminons en concluant au sujet des performances en terme de consommation, linéarité, gain et facteur de bruit des différents circuits. Le troisième chapitre aborde la conception de sources radiofréquence à faible bruit de phase. Les différentes topologies de circuits que nous avons étudiés sont présentées, ce qui nous a permis de mettre en évidence les topologies offrant les meilleures performances. Enfin, une technique basée sur le principe de dégénérescence de bruit, est également présentée. Ce travail nous a permis d'intégrer sur un circuit MMIC, autour d'un circuit oscillateur de type Colpitts, un dispositif réducteur de bruit. Les résultats théoriques de cette étude ont montré l'efficacité de cette méthode.

La réalisation d'une source hyperfréquence à très haute pureté spectrale à base de résonateurs optiques représente un véritable enjeu. C'est dans cette approche que s'inscrivent les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit. L'oscillateur électro-optique a été développé à la fin des années 90 et a conduit à d'excellents résultats en termes de bruit de phase. Les dispositifs actuels utilisent une ligne à retard réalisée par une fibre optique. Les faibles pertes dans la ligne autorisent un retard important de l'onde optique modulée, équivalent dans le domaine hyperfréquence à un résonateur de coefficient de qualité de l'ordre de 106. Cependant, plusieurs problèmes se posent. Un des problèmes est celui des dimensions du système, et du contrôle de la stabilité en température de l'ensemble du dispositif. Il n'existe pas de solution simple, et la seule solution consiste à remplacer la ligne à retard fibrée par un résonateur optique à très fort coefficient de qualité. Plusieurs types de ces résonateurs optiques ont été étudiés : micro- ou mini-sphère de silice, et mini-disque monocristallin de Quartz. L'étude de ces résonateurs dédiés à la réalisation d'une source hyperfréquence à très haute pureté spectrale constitue par conséquent la problématique essentielle de ce travail de thèse. Pour effectuer une telle analyse, un protocole de mesure du facteur de qualité des différents types de résonateurs optiques dont nous disposions a été mis en place. Un nouveau type de résonateur a également été proposé pour ces applications : l'anneau fibré. Finalement, un premier oscillateur micro-onde à résonateur optique a été réalisé et caractérisé.

Le travail en bande de base permet de s'affranchir du bruit de multiplication de fréquence d'un signal. Cependant, la conception d'un oscillateur fonctionnant à haute fréquence nécessite d'avoir un composant sélectif en fréquence, fonctionnant à haute fréquence et avec un facteur de qualité élevée. L'approche proposée dans cette thèse consiste à évaluer un composant à onde élastique de volume à harmoniques élevées, le HBAR, pour la réalisation d'un oscillateur compact et stable, travaillant en bande de base à 2,45 GHz, à des fins d'utilisation de source de fréquence pour un système RADAR. Les oscillateurs réalisés présentent un bruit de phase de -100 dBc/Hz pour un écart à la porteuse de 1 kHz, avec une perspective d'amélioration d'une dizaine de dBc/Hz de cette valeur d'après la simulation. L'étude porte également sur l'analyse de l'influence du bruit de phase de l'oscillateur local sur la résolution d'une mesure RADAR dont l'effet est démontré expérimentalement en utilisant une ligne à retard à onde élastique de surface (SAW) comme cible RADAR coopérative. Le travail effectué sur cette cible coopérative a permis d'aboutir à un prototype l'électronique embarqué pour l'interrogation de lignes à retard à ondes élastiques utilisées en tant que capteurs passifs interrogeables à distance. L'architecture de l'interrogateur combine une méthode RADAR impulsionnelle à un système d'échantillonnage en temps équivalent permettant de réduire l'importance de la puissance de calcul dans le traitement de la réponse. Les inconvénients de l'échantillonnage en temps équivalent sont minimisés par une interrogation judicieuse pour acquérir seulement les points nécessaires à la mesure. Les mesures effectuées sur un capteur de température commercial présentent une résolution de 0,2°C avec une bande passante de 35 kHz. Pour les applications nécessitant une bande passante plus élevée (allant jusqu'à 200 kHz), un second prototype n'ayant pas de restriction sur les ressources de calcul mises en œuvre est également présenté dans cette thèse, combinant la même méthode impulsionnelle avec un échantillonnage en temps réel.