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Signaux radiofréquence sur porteuse optique
Permanents : Fabien Bretenaker, Jean-Louis Le Gouët, Ivan Lorgeré
Thésitifs : Vincent Crozatier, Guillaume Gorju
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Le transport et le traitement de signaux radiofréquence sur porteuse optique se répand dans de nombreux domaines d’application qui incluent les télécommunications à longue distance, les radars, la radioastronomie. Nous nous intéressons aux fonctionnalités optiques que peuvent offrir les ions de terre rare en matrice cristalline pour ce type d’application. Les fonctionnalités que nous avons en vue exploitent les très grandes bandes passantes et sélectivités spectrales de ces matériaux refroidis à basse température. Ces recherches se développent en dialogue permanent avec les utilisateurs potentiels : THALES Research and Technology, THALES Airborne Systems, le Laboratoire d’Etudes du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique (LERMA) à l’Observatoire de Paris, le CNES. En combinant holographie et sélectivité spectrale nous avons proposé une application originale d’analyse spectrale très large bande de signaux radio-fréquence. Ce travail, mené en collaboration avec THALES RT et THALES AS, a été financé en partie par l’Agence Spatiale Européenne. Les objectifs fixés pour la thèse de Vincent LAVIELLE (100 canaux spectraux, avec un cycle utile de 100% et une bande passante instantanée de plus de 5GHz) ont pour l’essentiel été atteints.
Nous étudions maintenant d’autres architectures de traitement spectral des signaux radiofréquence. L’une d’elle menée en collaboration avec l’Université du Colorado et fait l’objet de la thèse de Guillaume GORJU. Ce travail bénéficie du soutien financier de l’Office of Naval Research étasunien. Elle consiste à enregistrer le spectre des signaux hyperfréquences dans le spectre d’absorption du matériau, en utilisant ses propriétés de hole burning spectral. Le matériau joue ainsi le rôle de mémoire analogique dans laquelle on vient en permanence enregistrer le spectre des signaux. Cette mémoire a, dans le cas du Tm:YAG que nous utilisons, une durée de vie de l’ordre de 10 ms. Il suffit donc pendant cette durée de vie de venir relire le spectre d’absorption modifié pour obtenir le spectre des signaux hyperfréquences accumulés dans le matériau. Par cette technique, nous avons pu obtenir une bande passante de 10 GHz avec une résolution de 1 MHz (soit 10000 canaux) avec une probabilité d’interception naturellement égale à 100 % (voir G.Gorju et al., IEEE Photon. Tech. Lett. 17, 2385 (2005)). Ensuite, afin d’améliorer la dynamique de la mesure (rapport signal sur bruit), nous avons mis en place une expérience utilisant une architecture holographique dans laquelle les spectres expérimentaux sont gravés sous forme de réseaux spatiaux qui sont ensuite relus par le laser balayé en fréquence. On utilise alors une détection hétérodyne pour s’affranchir de la composante dispersive des signaux diffractés qui altère la résolution. Ceci nous a récemment permis d’obtenir une dynamique de l’ordre de 32 dB, toujours avec une bande passante instantanée de 10 GHz et une résolution de 1 MHz. Enfin, dans ces expériences, la résolution et la précision en fréquence dépendent de la pureté spectrale des ’chirps’ du laser de lecture. C’est pourquoi nous avons mis en place un dispositif interférométrique et des outils d’analyse permettant d’isoler tous les bruits de fréquence (déterministes, stochastiques) du laser pendant que cette fréquence est balayée (voir G. GORJU et al., EPJAP 30, 175 (2005)). Cet outil nous permet de détecter tout écart de l’ordre du MHz par rapport à un balayage parfaitement linéaire. Nous sommes en train d’exploiter les signaux fournis par ce dispositif pour réaliser un asservissement numérique des balayages en fréquence du laser.
Nous cherchons par ailleurs à mieux exploiter les propriétés de cohérence temporelle de l’interaction d’un signal large bande avec un cristal dopé en ions de terre rare. Dans ce cadre, nous explorons une architecture originale de traitement cohérent du signal avec un nouveau montage utilisant un cristal dopé erbium. L’erbium, résonnant à la longueur d’onde de 1.5µm, permet de s’appuyer sur le développement technologique considérable accompli dans les télécommunications optiques. Les derniers résultats obtenus dans le cadre de la thèse de Vincent CROZATIER, démontrent un traitement cohérent sur une bande passante instantanée de 1.5GHz, avec une résolution spectrale de l’ordre de 50 kHz. Ces résultats ont été atteints grâce au développement d’une source agile en fréquence spécifique aux propriétés de cohérence remarquables. Ce projet, et notamment le développement des sources lasers, est soutenu par l’AC Nanosciences LASCOH, et bénéficie de notre collaboration avec THALES RT, la société NETTEST-ANRITSU, l’Université de Besançon, et l’Université de PADERBORN. Afin d’améliorer le rapport signal sur bruit de nos expériences, nous avons expérimenté récemment le processus d’écho de photons dans un cristal dopé Erbium pompé optiquement. Le pompage permet de transformer le cristal en milieu amplificateur ce qui permet d’améliorer l’amplitude du signal produit dans ce cristal. Les premiers résultats obtenus avec un cristal de faible densité optique étant concluant, nous comptons poursuivre cette voie novatrice, en espérant gagner un ordre de grandeur sur l’énergie du signal produit. Par ailleurs, ces expériences nous ont conduits à étudier les processus de décohérence dans le cristal. C’est un sujet difficile, que nous abordons petit à petit. La compréhension de ces processus est importante pour nos architectures de traitement du signal, mais également pour les expériences de traitement de l’information quantique dans les cristaux dopés terres rares.
Publications récentes
G. Gorju, A. Chauve, V. Crozatier, I. Lorgeré, J.-L. Le Gouët et F. Bretenaker,
10 GHz RF spectrum analyzer with MHz resolution based on spectral-spatial holography in Tm3+:YAG : experimental and theoretical study
Journal of the Optical Society of America B 24, 457-470 (2007).
G. Baili, M. Alouini, D. Dolfi, F. Bretenaker, I. Sagnes et A. Garnache,
Shot-noise limited operation of a monomode high cavity finesse semiconductor laser for microwave photonics applications,
Optics Letters 32, (...)
Processeurs atomiques solides
Ions de terres rares en matrice cristalline : des résonateurs atomiques de haute finesse pour le traitement hyperfréquence et quantique de l’information.
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