Photonic generation of ultra-low phase noise and frequency-tunable microwave or millimeter-wave (mm-wave) signals has been a topic of interest in the last few years. Advanced photonic techniques, especially the recent advancement in photonic components, have enabled the generation of microwave and mm-wave signals at high frequencies with a large tunable range and ultra-low phase noise. In this thesis, techniques to generate microwave and mm-wave signals in the optical domain are investigated, with an emphasis on system architectures to achieve large frequency tunability and low phase noise. The thesis consists of two parts. In the first part, techniques to generate microwave and mm-wave signals based on microwave frequency multiplication are investigated. Microwave frequency multiplication can be realized in the optical domain based on external modulation using a Mach-Zehnder modulator (MZM), but with limited multiplication factor. Microwave frequency multiplication based on external modulation using two cascaded MZMs to provide a larger multiplication factor has been proposed, but no generalized approach has been developed. In this thesis, a generalized approach to achieving microwave frequency multiplication using two cascaded MZMs is presented. A theoretical analysis leading to the operating conditions to achieve frequency quadrupling, sextupling or octupling is developed. The system performance in terms of phase noise, tunability and stability is investigated. To achieve microwave generation with a frequency multiplication factor (FMF) of 12, a technique based on a joint operation of polarization modulation, four-wave mixing and stimulated-Brillouin-scattering-assisted filtering is also proposed. The generation of a frequency-tunable mm-wave signal from 48 to 132 GHz is demonstrated. The proposed architecture can even potentially boost the FMF up to 24. In the second part, techniques to generate ultra-low phase noise and frequency-tunable microwave and mm-wave signals based on an optoelectronic oscillator (OEO) are studied. The key component in an OEO to achieve low phase noise and large frequency-tunable operation is the microwave bandpass filter. In the thesis, we first develop a microwave photonic filter with an ultra-narrow passband and large tunability based on a phase-shifted fiber Bragg grating (PS-FBG). Then, an OEO incorporating such a microwave photonic filter is developed. The performance including the tunable range and phase noise is evaluated. To further increase the frequency tunable range, a technique to achieve microwave frequency multiplication in an OEO is proposed. An mm-wave signal with a tunable range more than 40 GHz is demonstrated.

Photonic generation of ultra-low phase noise and frequency-tunable microwave or millimeter-wave (mm-wave) signals has been a topic of interest in the last few years. Advanced photonic techniques, especially the recent advancement in photonic components, have enabled the generation of microwave and mm-wave signals at high frequencies with a large tunable range and ultra-low phase noise. In this thesis, techniques to generate microwave and mm-wave signals in the optical domain are investigated, with an emphasis on system architectures to achieve large frequency tunability and low phase noise. The thesis consists of two parts. In the first part, techniques to generate microwave and mm-wave signals based on microwave frequency multiplication are investigated. Microwave frequency multiplication can be realized in the optical domain based on external modulation using a Mach-Zehnder modulator (MZM), but with limited multiplication factor. Microwave frequency multiplication based on external modulation using two cascaded MZMs to provide a larger multiplication factor has been proposed, but no generalized approach has been developed. In this thesis, a generalized approach to achieving microwave frequency multiplication using two cascaded MZMs is presented. A theoretical analysis leading to the operating conditions to achieve frequency quadrupling, sextupling or octupling is developed. The system performance in terms of phase noise, tunability and stability is investigated. To achieve microwave generation with a frequency multiplication factor (FMF) of 12, a technique based on a joint operation of polarization modulation, four-wave mixing and stimulated-Brillouin-scattering-assisted filtering is also proposed. The generation of a frequency-tunable mm-wave signal from 48 to 132 GHz is demonstrated. The proposed architecture can even potentially boost the FMF up to 24. In the second part, techniques to generate ultra-low phase noise and frequency-tunable microwave and mm-wave signals based on an optoelectronic oscillator (OEO) are studied. The key component in an OEO to achieve low phase noise and large frequency-tunable operation is the microwave bandpass filter. In the thesis, we first develop a microwave photonic filter with an ultra-narrow passband and large tunability based on a phase-shifted fiber Bragg grating (PS-FBG). Then, an OEO incorporating such a microwave photonic filter is developed. The performance including the tunable range and phase noise is evaluated. To further increase the frequency tunable range, a technique to achieve microwave frequency multiplication in an OEO is proposed. An mm-wave signal with a tunable range more than 40 GHz is demonstrated.

In this thesis, dual-frequency optoelectronic oscillators (OEOs) and their applications to transverse load sensing are studied. Two configurations of dual-frequency OEOs are proposed and investigated. In the first configuration, a polarization-maintaining phase-shifted fiber Bragg grating (PM-PSFBG) is employed in the OEO loop to the generation of two oscillating frequencies. The beat between the two oscillating frequencies is a function of the load applied to the PM-PSFBG, which is used in transverse load sensing. To avoid the frequency measurement ambiguity, a second configuration is proposed by coupling a dual-wavelength fiber laser to the dual-frequency OEO. A single tone microwave signal with the frequency determined by the birefringence of the grating is generated in the OEO and is fed into the fiber ring laser to injection lock the dual wavelengths. The sensitivity and the resolution are measured to be 9.73 GHz/(N/mm) and 2.06×10-4 N/mm, respectively. The high stability of the single-tone microwave signal permits accurate measurement, while the frequency interrogation allows an ultra-high speed demodulation.

La génération de signaux microondes à grande pureté spectrale est fondamentale pour différentes applications (systèmes RADAR, échantillonnage large bande). L’optique propose des solutions prometteuses pour la montée en fréquence des d’oscillateurs à bas bruit de phase. L’objectif de cette thèse est d’étudier différentes configurations d’oscillateurs optoélectroniques (OEO) à 10 GHz. Pour cela, nous avons développé puis validé expérimentalement un modèle décrivant le bruit de phase, que nous avons ensuite étendu aux OEOs à boucles multiples. Cet outil unique nous a permis de concevoir un OEO à double boucles à l’état de l’art avec un encombrement réduit (premier mode parasite avec un niveau de bruit de phase de -146 dBc/Hz à 187 kHz de la porteuse). Nous avons également étudié des OEOs à amplification optique qui permettent de lever les verrous associés aux amplificateurs RF lors de la montée en fréquence (contribution de bruit et bande passante) tout en conservant d’excellentes performances. Enfin, nous nous sommes intéressés aux oscillateurs optoélectroniques couplés (COEOs), qui associent un laser à verrouillage de modes à un OEO. Nous avons modélisé le bruit de phase du laser en tenant en compte pour la première fois la non-orthogonalité des modes de la cavité, puis initié un modèle pour le COEO. Après une étude expérimentale des paramètres clef, nous avons réalisé un COEO proche de l’état de l’art, dont le bruit phase au voisinage de la porteuse est amélioré par rapport aux OEOs pour des longueurs de boucle plus courtes. / High purity microwave signal generation is required in various applications (RADAR systems, wideband sampling). For high frequency operations, optics offer promising solutions to generate low noise oscillators. The objective of this thesis consists in studying various optoelectronic oscillator (OEO) configurations at 10 GHz. We first worked on a phase noise model and its experimental validation, further extended to multiple loop OEOs. This comprehensive model allowed the design of a state-of-the-art dual loop OEO with consideration to its compactness (first spur located at 187 kHz from the carrier with a phase noise level of 146 dBc/Hz).We then focused on all photonic gain OEOs to get rid of RF amplifiers whose bandwidth and noise contributions are a limit for high frequency operations. Finally, we studied coupled optoelectronic oscillators (COEOs) which may simply be described as a combination of a mode locked laser and an OEO. We worked on a phase noise model for active and harmonically mode locked laser taking into account for the first time the non-orthogonality of the cavity modes. This model is the basis to a COEO model we began to develop. After experimentally determining key parameters, we designed and optimized a low noise COEO exhibiting a close-to-carrier phase noise similar to the state-of-the-art.

Ces travaux portent sur l'insertion de résonateurs en anneau de silicium dans des boucles d’oscillateurs optoélectroniques (OEO) pour la génération de signaux micro-ondes à faible bruit de phase et constituent une contribution à la future intégration complète des systèmes OEO en photonique silicium. L'orientation de l'application qui a été explorée a été d'évaluer la performance de ces systèmes pour la détection de variations d’indice optique en volume. Deux configurations différentes de résonateurs en anneau de silicium à base d'OEO ont été proposées et démontrées : des OEO à base de résonateurs en anneau silicium millimétriques et des OEO accordables à base d’anneaux plus compacts et d'un schéma spécifique de réinjection de porteuse optique.Dans la première approche, le signal optique est utilisé comme porteuse optique, qui est modulée par un modulateur d'intensité qui produit un ensemble de deux bandes latérales dans le domaine optique, tandis que le résonateur en anneau génère un peigne optique qui agit comme un filtre optique, transposant son intervalle spectral libre (ISL) dans le domaine micro-onde. Par le battement des deux raies optiques adjacentes dans un photodétecteur, l’information est ainsi traduite dans le domaine RF. La contribution de notre travail a été de démontrer que la réalisation de résonateurs millimétriques (environ 6mm) en photonique silicium était une approche viable et intéressante pour la réalisation directe d'OEO. Dans les configurations étudiées, les résonateurs en anneau SOI ont été optimisés pour satisfaire la cible requise d'un ISL d’environ 15 GHz et un facteur de qualité optique supérieur à 10^5. Les résultats expérimentaux obtenus ont démontré la viabilité et la stabilité de l'approche proposée, tandis qu’un niveau de bruit de phase de -100dBc/Hz à un décalage de 100 kHz par rapport à la porteuse et une capacité de détection du système d’environ 3,72 GHz/RIU ont été quantifiés pour une variation de l'indice de réfraction comprise entre 1,572 et 1,688, en bon accord avec les résultats des simulations.En complément de cette première étape, nous avons abordé la question très importante de l'accordabilité de la fréquence du signal hyperfréquence généré. À cette fin, nous avons proposé, conçu, puis développé et testé une configuration d’OEO originale, basée sur l'utilisation d'une seule bande de modulation et d'un mécanisme de réinjection de la porteuse optique du laser de la boucle. Dans ce schéma, le signal oscillant est créé par le battement entre le faisceau laser et une bande latérale unique du signal de modulation sélectionnée par un résonateur en anneau. Dans l'implémentation que nous avons réalisée, un résonateur photonique SOI avec un ISL de 77 GHz et un facteur de qualité optique à 8,1×10^4 a été utilisé. En modifiant la fréquence du laser tout en conservant une longueur d'onde de résonance du résonateur fixe, une accordabilité de 5,8 GHz à 18,2 GHz a été démontrée, qui est seulement limitée par le fonctionnement de l'amplificateur RF utilisé dans les expériences réalisées. Parallèlement, un niveau de bruit de phase de -115 dBc/Hz à une fréquence de décalage de 1 MHz a été obtenu pour tous les signaux générés, démontrant la possibilité de créer des fréquences d'oscillation élevées avec le même niveau de bruit de phase. Nous avons ensuite appliqué cette approche à la détection de l'indice de réfraction en volume et démontré une sensibilité de détection de 94350 GHz/RIU et une limite de détection d'indice de 10^-8 RIU. Au-delà de ces résultats expérimentaux, l'apport de cette seconde approche apporte une solution simple et flexible au problème de la génération de signaux hyperfréquences à fréquences variables à la demande, et ouvre des perspectives d'application très riches.Tous les résultats de la thèse contribuent à la question de l'intégration des OEO sur puces silicium et permettent d'anticiper diverses applications dans le domaine des communications et des capteurs. / This work focuses on the insertion of silicon ring resonators into the loops of optoelectronic oscillators (OEO) for the generation of low phase noise microwave signals and is a contribution to the future full integration of OEO systems on single silicon chips. The application orientation that was explored was to evaluate the performance of these systems for bulk optical index detection. Two different configurations of silicon ring resonators based OEO have been proposed and demonstrated: OEO based on millimeter-long silicon ring resonators and tunable OEO based on more compact silicon ring resonators and a specific optical carrier reinjection scheme.In the first approach, the optical signal is used as an optical carrier, which is modulated by an intensity modulator that produces a set of sidebands in the optical domain, while the ring resonator generates an optical comb that acts as an optical filter, translating its Free Spectral Range (FSR) into the microwave domain. By the beating of two adjacent optical comb lines in a photodetector, the optical spectral lines are then translated into the RF domain. The contribution of our work has been to demonstrate that the realization of millimeter resonators (about 6mm) in silicon photonics was a viable and interesting approach for the direct realization of OEO. In the investigated configurations, SOI ring resonators were optimized to satisfy the required target of a FSR of around 15GHz and an optical quality factor above 10^5. The demonstrated experimental results showed the viability and the stability of the proposed approach, while phase noise level of -100dBc/Hz at an offset of 100 kHz from carrier was obtained and sensing capability of the studied system was quantified to around 3.72 GHz/RIU for a refractive index variation in the range of 1.572 to 1.688, in good agreement with simulation results.In a complementary direction to this first step, we addressed the very important issue of the tunability of the frequency of the microwave signal generated. To this end, we proposed, designed, and then developed and tested an original OEO configuration based on the use of a single modulation band and a mechanism for reinjection of the optical carrier from the loop laser. In this scheme, the oscillation signal is created under the beating between the laser light beam and a single modulation signal sideband selected by an add-drop ring resonator working as an effective optical bandpass filter. In the implementation we have carried out, a SOI photonic resonator with a FSR of 77 GHz and an optical quality factor at 8.1×10^4 was used. By changing the laser frequency while keeping a fixed resonator resonance wavelength, a tunability from 5.8GHz to 18.2GHz was demonstrated, being only limited by the working operation of the RF amplifier used in the carried out experiments. Meanwhile, a phase noise level of -115 dBc/Hz at 1MHz offset frequency was obtained for all generated signals, showing the possibility of creating high oscillation frequencies with the same phase noise level. We then applied this approach for bulk refractive index sensing application and demonstrated a sensing sensitivity of 94350GHz/RIU and an index limit of detection of 10^-8 RIU by considering a signal resolution of 1MHz. Beyond these experimental results, the contribution of this second approach provides a simple and flexible solution to the problem of generating microwave signals with variable frequencies on demand, and opens up very rich application perspectives.All the results of the thesis contribute to the question of the integration of OEOs on silicon chips and make it possible to anticipate various applications in the field of communications and sensors.

The random fluctuations of signal phase of an oscillator limit the precision of time and frequency measurements. The noise and long-term stability of the system’s oscillator or clock is of major importance in applications such as optical and wireless communications, high-speed digital electronics, radar, and astronomy. The Optoelectronic Oscillator (OE Oscillator), a new class of time delay oscillator with promise as a low-phase noise source of microwave carriers, was introduced by Steve Yao and Lute Malek in 1996. The OE Oscillator combines into a closed loop an RF photonic link and an RF chain. The RF photonic link consists of a laser, electro-optic modulator, optical fibre delay line, and a photo-receiver that together provide an RF delay. An RF chain consists of one or more amplifiers and a RF resonator that together provide the sustaining amplification and the frequency selectivity necessary for single mode oscillation of the loop. The low loss of optical fibres enables the attainment of delays that correspond to optical fibre lengths of several kilometers. It is the long delay, unattainable in an all electronic implementations that is responsible for the superior phase noise performance of an OE Oscillator. In this thesis the fundamental principles of operation of an OE Oscillator are described and the principal sources of in-loop phase fluctuations that are responsible for phase-noise identified. This lays the ground for an exposition of the mechanism that describes the perturbation of a time delay oscillator by injection into the loop of a carrier that is detuned in frequency from the natural frequency of the oscillator. For sufficiently small detuning the oscillator can become phase locked to the injected carrier. The model presented in the thesis generalises the traditional Yao-Maleki and Leeson model to include all the important features that describe the injection locking dynamics of an OE Oscillator. In particular the common assumptions of single mode oscillation and weak injection are removed. This is important to correctly predict the effect of injection locking on the spurious peaks in the phase noise spectrum corresponding to the side-modes of a time delay oscillator. Simulation results are presented in order to validate the dynamics of the oscillator under injection and analytic results on the lock-in range and phase noise spectrum. A 10 GHz OE Oscillator with a single 5km delay line is used as an example in the simulation illustration.

Dans ce travail, nous étudions deux types de problèmes à retard. Le premier traite des oscillateurs optoélectroniques (OOEs). Un OOE est un système bouclé permettant de délivrer une onde électromagnétique radio-fréquence de grande pureté spectrale et de faible bruit électronique. Le second problème traite du couplage retardé de neurones. Une nouvelle forme de synchronisation est observée où un régime oscillant est une alternative à un état stationnaire stable. Ces deux problèmes présentent des oscillations de type slow-fast. Une grande partie de ma thèse est dévouée à l’analyse de ces régimes. Etant donné qu’il s’agit d’équations nonlinéaires à retard, les techniques asymptotiques classiques ont dû être revues. En plus d’une étude théorique, des expériences ont été effectuées. Le travail sur les OOEs a été rendu possible grâce aux invitations respectives de L. Larger dans son laboratoire à l’Université de Franche-Comté et de D.J. Gauthier à Duke University. Le travail sur le couplage de neurones a bénéficié d’expériences réalisées par L. Keuninckx du groupe « Applied Physics » de la Vrije Universiteit Brussel.<p>Une contribution importante de cette thèse est à la fois l’analyse mathématique mais aussi l’observation expérimentale d’ondes carrées stables asymétriques présentant des longueurs de plateau différentes mais ayant la même période dans un OOE. Une bifurcation de Hopf primaire d’un état stationnaire est le mécanisme menant à ces régimes. Un deuxième phénomène qui a été à la fois observé pour l’OOE et pour les neurones couplés est la coexistence entre plusieurs ondes carrées ayant des périodes différentes. Pour l’OOE, ces oscillations peuvent être reliées à plusieurs bifurcations de Hopf primaires qui sont proches les unes des autres à cause du grand délai. Le mécanisme de stabilité est similaire à celui de "Eckhaus" pour les systèmes spatialement étendus. Pour le couplage de cellules excitables, nous avons étudié des équations couplées de type FitzHugh-Nagumo (FHN) linéaires par morceaux et obtenu des résultats analytiques. Nous montrons que le mécanisme menant à ces régimes périodiques correspond à un point limite d’un cycle-limite. La robustesse de ces régimes par rapport au bruit a ensuite été explorée expérimentalement en utilisant des circuits électroniques couplés et retardés. Ce système peut être modélisé mathématiquement par les mêmes équations de type FHN. Pour terminer, nous montrons que les équations pour l’OOE et le FHN possèdent des propriétés similaires. Ceci nous permet de généraliser nos principaux résultats à une plus grande variété d’équations différentielles à retard. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les modulateurs electro-optiques (EOM) sont des composants importants dans les systemes de telecommunication. Malheureusement, ils ne sont pas parfaitement stables dans Ie temps et leur fonction de transfert (TF) a tendance a se decaler durant Ie temps d'operation. La derive de la TF d'un EOM peut etre expliquee par des effets differents tels que les changements de la temperature ambiante, de la polarisation ou de l'efficacite de couplage optique. La these presente une methode de me sure de la derive de la TF de I'EOM (a grace d'estimation du comportement non-linearite du modulateur, NLl), et propose deux systemes instrumentaux pour ameliorer son fonctionnement: Ie premier pour contraler la temperature de l'EOM, il est possible de forcement reduire cette derive, Ie deuxieme pour compenser la derive (la stabilisation du point de fonctionnement autour du point quadrature est obtenue jusqu'au 0,22% ou la fluctuation de phase est de 0,44°). Ces techniques ont ete aussi appliquees pour ameliorer Ie comportement d'un oscillateur optoelectronique haute frequence. Nous avons realise les experiences par asservissement de temperature, par compensation de la derive. Pour une stabilite de I'OEO a court terme, la stabilisation de la frequence est amelioree jusqu'a 28% en utilisant un contrale de temperature seule etjusqu'a 71 % avec les deux processus. Pour une stabilite de l'OEO a long terme, en deux cas sans contra Ie, I'OEO fonctionne pendant 3 heures et pendant 1,6 heure (puis I'OEO ne marche plus). En utilisant une compensation de la derive de la TF de I'EOM, l'OEO fonctionne bien meme apres 7 heures et 8 heures. / Electro-optic modulators (EOM) are important components in telecommunication systems. Unfortunately, there are some physical effects like ambient temperature variations, polarization and inherent photorefractive coefficient which are due to the drift of EOM transfer function (TF). The thesis presents a method for measuring the drift of the TF of EOM (based on a nonlinearity behavior of modulator - NLl), and propose two instrumentation systems to improve their operations: one to control the temperature of EOM, it is possible to significantly reduce the drift, the second to compensate the drift (the bias point stabilization around the quadrature point is obtained up to 0.22% or the phase fluctuation is 0.44°). These techniques have been applied to improve the behavior of an optoelectronic oscillator high frequency. Four experiments are carried out by controlling the EOM temperature and by compensating the EOM drift. For a short-term stability of OEO, the stabilization of the frequency is obtained with 28% with using a temperature control, up to 71 % with the two techniques. For a long-term stability of OEO, in cases without any control, the OEO has worked for 3 hours and for 1.6 hours (then, the OEO does not work anymore). By using the drift compensation of the EOM FT, the OEO has correctly worked even more than 7 hours and 8 hours.