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.

La structure traditionnelle d'un oscillateur optoélectronique (OEO) s'appuie sur une boucle de fibre optique très longue, servant de ligne à retard et lui conférant la grande pureté spectrale, ou le très faible bruit de phase de l'oscillateur. Un tel oscillateur fonctionnant à la fréquence de 8 GHz a été mis en œuvre aux laboratoires SATIE/LPQM de l'ENS Cachan. Néanmoins un tel système présente des inconvénients comme les dimensions un peu grandes, la difficulté de contrôler la température et un large peigne de fréquences parmi lequel il est difficile d'extraire un seule mode. Il est en fait possible d'éliminer ses inconvénients en remplaçant la boucle de fibre par un micro-résonateur optique de grand facteur de qualité. Dans cette thèse deux types résonateurs ont été fabriqués et étudiés. Des microsphères ont été fabriquées à partir de fibres optiques de fibres optiques monomodes. Les modes de galeries de ces résonateurs sont caractérisés grâce à couplage avec une fibre effilée. L'étude expérimentale met en évidence un facteur de qualité pouvant atteindre une valeur de 106 et un intervalle spectral libre (FSR) dépendant du diamètre de la sphère. Ainsi pour un diamètre de 300 µm on obtient un FSR de 0,2 nm soit 25 GHz en fréquence. Mais pour un OEO fonctionnant à la fréquence de 8 GHz il faudrait un FSR plus petit et donc une sphère dont le diamètre serait de taille millimétrique, donc très difficile à fabriquer. Un autre type de résonateur, en forme d'hippodrome, a été conçu et étudié. L'étude expérimentale a été conduite par un couplage avec de fibres lentillées. Le spectre en transmission présente des pics de résonances avec un facteur de qualité moyen de 0,050 ± 0.003 nm (correspondant en fait à 6 GHz) sur une plage de longueurs d'onde allant de 1534 nm à 1610 nm. Les caractéristiques les plus intéressantes de ce résonateur en forme d'hippodrome sont un facteur de qualité élevé et un intervalle spectral libre tout à fait en accord avec les besoins de l'OEO étudié. Néanmoins le couplage avec les fibres lentillées induit des pertes optiques trop importantes pour satisfaire aux conditions d'oscillations. Les travaux futurs devront porter sur l'amélioration du couplage ainsi que sur l'asservissement des pics de résonnance du micro-résonateur sur la longueur d'onde du laser employé dans l'OEO. / The classical structure of an Opto-Electronic Oscillator (OEO) is based on a long fiber loop acting as a delay line and leading to the high spectral purity, or very low phase noise, of the oscillator. Such an OEO has been developed in SATIE/LPQM laboratory at ENS Cachan, operating at 8 GHz frequency. However, this system has some main disadvantages such as a bulky size, the difficulty to control temperature and a wide range of peaks among which it is difficult to select only one mode. In order to eliminate these disadvantages, high quality factor optical resonator can be used instead of the optical fiber loop. In this thesis, two resonator structures are produced and investigated. Microspheres are fabricated based on optical single mode fiber. Whispering gallery modes of these resonators are characterized by tapered fiber –resonator coupling. The experimental results show that the quality factor of the microsphere is up to 106 and FSR depends on the diameter of the resonator. A microsphere with a diameter of 300 µm, presents a FSR of 0.2 nm corresponding to a frequency of 25 GHz. However, for an OEO system which should work at 8 GHz, microsphere with a smaller FSR or with diameter of some millimeters should be fabricated- that is really difficult to obtain. Another add/drop racetrack resonator is designed and investigated. Optical experimental behavior of racetrack is characterized via fiber micro-lens coupling. The transmission spectrum shows resonance dips with average quality factor of 105 and a small FSR of 0.050 ± 0.003 nm (actually corresponding to 6 GHz) for a scanning wavelength range from 1534 nm to 1610 nm. The most promising features of the racetrack resonator are its high quality factor, and its free spectral range, which give it the high suitability for being used in the OEO system. Nevertheless the coupling with fiber lens leads to high losses and it is not possible to fulfill the oscillation conditions. Future work should be conducted for improving the coupling and for controlling the resonance dips position in agreement with the wavelength of the laser used in the OEO.

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.

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.

L'oscillateur optoélectronique (OEO) a été introduit pour la première fois en 1996 par S. Yao et L. Maleki, en tant qu'oscillateur microondes à très faible bruit de phase et obtenu par synthèse directe. Les développements de l'OEO concernent les applications en photonique microondes, télécommunications optiques, radar et traitement du signal. Mais l'OEO devrait aussi pouvoir être utilisé dans le domaine des capteurs. Dans cette thèse nous étudiants plusieurs aspects de l'OEO pour son application à la mesure d'indice de réfraction d'un liquide. Compte tenu de sa structure l'OEO dépend fortement des conditions ambiantes d'utilisation. S'il n'est pas bien optimisé ni contrôlé, il ne peut pas fonctionner correctement sur une longue durée. Nous avons étudié les influences de la température sur le modulateur électrooptique (EOM) et sur le comportement global de l'OEO. Un contrôle de température réduit de façon significative le phénomène de dérive de l'EOM. Afin de la supprimer complètement, nous avons mis au point une instrumentation construite autour d'une carte DSP, permettant de détecter et compenser la dérive du point de fonctionnement optique de l'EOM tout en contrôlant simultanément sa température. Une première technique est basée sur un signal de test, basse fréquence, appliqué à l'électrode DC du modulateur. Une deuxième solution consiste à travailler sur la puissance optique en sortie du modulateur. En combinant les deux on peut profiter des avantages de ces deux méthodes. Utilisant ainsi l'OEO nous avons testé plusieurs configurations pour mesurer l'indice de réfraction de quatre solutions chimiques bien connues, nous avons obtenu une variance de 3 pour mille. Les résultats sont en assez bon accord avec les publications correspondantes. Enfin nous avons aussi introduit une nouvelle méthode pour améliorer les mesures d'indice de réfraction faites à long terme en suivant, grâce à un analyseur vectoriel de réseau, les évolutions au cours du temps du temps de propagation dans la fibre optique. En introduisant à partir de cette mesure une correction aux mesures de la fréquence d'oscillation il est possible de réduire les fluctuations de cette fréquence à seulement 606 Hz, sur une durée de 62 h, ce que l'on peut comparer aux 8 GHz de l'oscillateur. Ainsi le rapport signal à bruit, peut être grandement amélioré lors de la mesure d'indice de réfraction et il doit être possible de diminuer la limite de détection des variations de l'indice de réfraction au cours du temps. / The optoelectronic oscillator (OEO) was first introduced in 1996 by S. Yao and L. Maleki as a very low phase noise microwave oscillator working in direct synthesis. The OEO developments concern applications in microwave photonics, optical telecommunication, radar and high speed signal processing systems but it should also be used in the sensing domain. In this thesis, we study several aspects to apply the OEO to liquid refractive index measurement. Because of its structure the OEO is very dependent on the ambient conditions. If the OEO is not optimized and controlled, it cannot operate well for long duration. We have analyzed the influences of temperature on the electrooptic modulator (EOM) and the global OEO behavior. Temperature control can significantly reduce the drift phenomena of the EOM. In order to totally remove this drift, we have developed a complete digital system, based on a DSP kit, to detect and compensate automatically the EOM optical bias point drift and to control simultaneously its temperature. The first technique is based on a dither signal at low frequency, injected to DC electrode of the EOM. The second one is based on the average optical output power of the EOM. A combination of these two techniques can take advantages from both of them. Using like that the OEO, we have tested several configurations to measure the refractive index of four classical chemical solutions leading to a standard deviation of 3 per thousand. The results are in rather good agreement with previous publications. Finally, we have introduced a new method to improve the long-term refractive index measurement by monitoring, with a vector network analyzer, the variations of the optical delay in the fiber loop of the OEO. Introducing by this way a correction to the long-term frequency measurement it is possible to reduce the oscillation frequency fluctuations to only 606 Hz, compared to the 8 GHz of the oscillator, for a duration of 62 hours. Therefore the signal-to-noise ratio in the refractive index measurement can be enhanced and so the detection resolution of the refractive index variations during time.

Ce manuscrit est consacré à l'étude du bruit de phase dans les oscillateurs optoélectroniques (OEO) à ligne à retard à fibre optique. Cette classe particulière d'oscillateurs dans la gamme micro-onde a été développée (1994) récemment, et étudiée par différents groupes de recherche dans le monde, du fait de son important potentiel en termes de très faible bruit de phase à court terme (applications radar, spatial, et télécom haut débit). Sur la base d'un modèle théorique s'appuyant sur une description temporelle, nous avons étudié la dynamique de l'oscillateur, et ses propriétés de bruit de phase. L'équation différentielle stochastique, non linéaire, et à retard, est directement dérivée de la description des différents éléments de la chaîne d'oscillation : la non linéarité prédominante d'un modulateur électro-optique de Mach-Zehnder, le temps de retard induit par plusieurs kilomètres de fibre, la dynamique résonante du filtre micro-onde à 10 GHz sélecteur des modes à retard, et les différentes sources de bruit additif et multiplicatif (laser, photodiode, amplificateur RF). La linéarisation de ce modèle autour du point de fonctionnement a permis d'obtenir une expression théorique du bruit de phase et d'amplitude de l'OEO. Ces résultats sont confrontés à une exploration expérimentale des caractéristiques de bruit, à la fois des composants utilisés, et du système complet de l'OEO en régime d'oscillation monomode. Des techniques de mesure de bruit ultra-sensibles, utilisant des architectures optoélectroniques d'un banc de mesure, ainsi que des principes de mesure par corrélation, sont décrites. Une très bonne correspondance entre théorie et expérience est ainsi obtenue. Le travail a abouti à l'identification quantitative des principales sources de bruit limitant les performances de l'OEO. Par l'utilisation de composants optimaux, un niveau de bruit de phase de l'ordre de –?143 dBrad2/Hz à 10 kHz de la porteuse à 10 GHz, a été atteint. La discussion des sources de bruit résiduelles a également permis de proposer des améliorations pour les architectures futures d'OEO.

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.