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International audience; Les oscillateurs optoélectroniques (OEO) suscitent beaucoup d’intérêt pour leur capacité à produire des signaux RF sur porteuse optique avec un très bas bruit de phase, à des fréquences pouvant aller jusqu’à quelques dizaines de GHz. Les OEO peuvent parallèlement générer des impulsions optiques de faible gigue, soit dans des architectures de type COEO, soit en tirant partie des effets combinés de la dispersion et de l’automodulation de phase dans la ligne à retard de l’OEO. Récemment, des architectures de type OEO à modulation directe ont été étudiées, démontrant des performances intéressantes tant pour la génération de signaux à bas bruit de phase que pour la génération des peignes optiques. Dans cette contribution, nous adaptons l’architecture proposée en [5] pour générer des impulsions courtes de faible gigue.

National audience; The increase in frequency observed since the 2000s in the field of telecommunications justifies the developmentof high frequency (HF) or even ultra-high frequency (UHF) oscillators. The quality of the oscillators inthese frequency ranges remains however limited by the material losses in these wavelength ranges. In this context,opto-electronic oscillators are presented as an alternative allowing high quality factor and low phase noise bycombining optics and radio-frequency. Among these oscillators, the COEO (Coupled Opto-Electronic Oscillator)is particlarly interesting due to its compactness allowed by its internal active mode-locked laser. The phase noiseoptimization of this device then requires a detailled understanding of the mechanisms leading the oscillator to itssteady-state.This thesis work focuses on the study of synchronization regimes, the evolution of optical pulses accordingto the experimental parameters of the device and their relationship to the stability and phase noise performance ofthe COEO. The development of numerical tools was carried out for this purpose and compared to the experimentalbehavior of the device. As an extension of this study, alternative configurations to the classic COEO are proposedin order to combine compactness and phase noise performance of the oscillator.; La montée en fréquence observée depuis les années 2000 dans le domaine des télécommunications justifiele développement d’oscillateurs hautes fréquences (HF) voir ultra-hautes fréquences (UHF). La qualité des oscillateursdans ces gammes de fréquence reste cependant limitée par les pertes matériaux à ces longueurs d’onde.Dans ce contexte, les oscillateurs opto-électroniques se présentent comme une alternative permettant la réalisationd’oscillateurs à fort facteur de qualité et à faible bruit de phase en alliant optique et radio-fréquence. Parmis cesoscillateurs le COEO (Coupled Opto-Elecronic Oscillator) se présente comme un dispositif intéressant de par lacompacité permise par le laser à verrouillage de mode actif qu’il intègre. L’optimisation en bruit de phase de cedispositif nécessite alors une compréhension accrue des mécanismes menant l’oscillateur à son état stationnaire.Ces travaux de thèse portent sur l’étude des régimes de synchronisation, de l’évolution des impulsions optiquessuivant les paramètres expérimentaux du dispositif et leur impact sur la stabilité et les performances enbruit de phase du COEO. Le développement d’outils numériques a été réalisé dans cet objectif, dont les résultatssont comparés au comportement expérimental du dispositif. Dans le prolongement de cette étude, des configurationsalternatives

National audience; Le résonateur optique est un composant essentiel des applications optiques-hyperfréquences, du moins lorsqu’il présente un coefficient de qualité suffisant par rapport à ceux disponibles dans le domaine électronique. Il permet par exemple la stabilisation d’oscillateurs opto-électroniques ou le filtrage micro-onde sur porteuse optique. Lorsqu’il est de dimensions suffisamment faibles et présente un intervalle spectral libre (ISL) dans le domaine micro-onde, il peut également être utilisé comme un peigne de fréquence passif : en verrouillant deux lasers sur des résonances, on réalise une source accordable pour des applications de type spectroscopie millimétrique ou THz [1]. Enfin, dans le domaine optique cette fois, un laser compact à très faible bruit de fréquence (ou de phase) est un composant particulièrement recherché pour des applications de métrologie ou des lidars.

National audience; Les résultats issus d'une modélisation d'un oscillateur optoélectronique couplé sont présentés. Cette modélisation inclus le facteur de qualité, le bruit de phase et des comportements dynamiques complexes, comme le régime chaotique.

National audience; L’oscillateur optoélectronique couplé (COEO) améliore le bruit de phase d'un oscillateur optoélectronique grâce à son verrouillage avec un laser à blocage de modes. Cette approche a été théorisée par A. Matsko suivant un modèle temporel basé sur une approximation gaussienne. Notre approche numérique est une généralisation de ce modèle gaussien, permettant d’inclure le traitement de bruit de "flicker" de phase associée aux amplificateurs optiques et RF ainsi que les sources de bruit blanc usuelles d’un laser à blocage de mode. Ce modèle a été appliqué pour le COEO à modulateur d’amplitude et à modulateur de phase, puis vérifié expérimentalement.

This work is a part of the design of high-speed wireless transceivers for future communication networks (ex: Beyond 5G, 6G). Due to the limitation of sub-10GHz bands and overuse causing interferences, millimeter-waves (mmW: from 30GHz to 300GHz) have offered new underused ground to meet this growing demand on large bandwidths required to achieve high throughput. The use of high-order modulation schemes (256QAM, 64QAM, 16QAM…) along with channel bonding at these mmW bands can enable high-data rates reaching hundreds of Gbits/s.However, to address complex modulations in millimeter-wave bands, very low Phase Noise (PhN) oscillators are necessary. However, PhN increases drastically when increasing the operating frequency of the LO and therefore limits the front-end systems to low order modulations with limited data-rate. Multiplication-based frequency synthesizers have been shown to provide better PhN at the mmW when compared to classical PLL-based techniques. Also, the smaller the frequency reference (better spectral purity thanks to high quality factors) along with large multiplication ratios, the greater the spectral purity of the generated mmW frequency references.A possible implementation of high-order-N frequency multiplication is based on Pulsed-Injection Locking Oscillator. This technique achieves multiplication factors of the order of 30 compared to so-called "n-push" or harmonic distortion techniques which are limited to much smaller multiplication factors (less than 10). Nevertheless, understanding and modeling of these type of architectures remain a challenge due to the highly nonlinear behavior of signals involved. Furthermore, the use of injection locked oscillators (ILOs) exhibit, if not functionality issues, poor performances that need to be optimized.To take advantage of this high-order-N multiplication technique, accurate understanding and modelling of phase noise through the frequency multiplier chain is required. For this aim, two main contributions are achieved in this work:•Complete behavioral models of waveforms and associated PhN figures involved in the multiplication process is proposed. This allows system and circuit level designers to optimize the overall PhN and RMS jitter of the output signal reference during the design process. Besides, on the scope of real time calibration and optimization processes, the proposed behavioral models allowed to determine the oscillator key parameters that directly control the LO performances.•Design in CMOS advanced technology of an integrated low-power and low-area functionality detector into the frequency synthesizer operating at 60GHz-band. This circuit allow to detect the oscillator state (or functionality: locked or not) when changing the circuit parameters.The analytical expressions are validated with measurements of a multiplication-based LO operating at the 60GHz-band designed for this purpose in 45RFSOI CMOS technology. The models allowed better understanding of such architectures. State of the art phase noise and integrated jitter are performed.The low power lock detector (LD) allowed, during measurements, to determine the optimum operation zones of the oscillator. Additionally, using LD results, allowed to implement a proof of concept of real time calibration and optimization with an external loop (not integrated). The performed calibration scenario is inspired from the flows and methodologies constructed from the proposed analytical models., Ces dernières années, le marché des systèmes de transmissions sans fils et très haut débit est en expansion rapide, porté notamment par l'électronique grande consommation et des ambitions d’un monde connecté de bout-en-bout (plus connues sous la nomination « Internet of Everything »). Pour suivre cette croissance et adresser les exigences en débit d’échanges d’informations (dizaines voire des centaines de Gigabits par secondes), les fréquences millimétriques sont très bien placées avec des bandes très larges (dizaines de GHz).Pour concevoir des architectures d’émission réception à ces gammes de fréquences mmW plusieurs défis et limitations doivent être adressées, notamment le bruit de phase élevé des oscillateurs locaux (OL) à très haut fréquences. En effet, le bruit de phase limite l’efficacité spectrale des modulations adressables par le système d’émission-réception et donc le débit.Afin de limiter l’augmentation du bruit de phase des oscillateurs en montant en fréquence, l’utilisation de multiplicateurs de fréquence semble prometteur comparé aux techniques de synthèse classique par PLL. De plus, l’utilisation d’un facteur de multiplication élevé permet d’utiliser une référence de fréquence (en basse fréquences : de l’ordre du GHz) avec une meilleure pureté spectrale (grâce au grand facteur de qualité) et permet donc d’obtenir un bruit de phase très bas en sortie du multiplicateur.Une architecture de synthèse de fréquence par multiplication basée sur la génération d’oscillations pulsés et le verrouillage harmonique permet d’atteindre des facteurs de multiplication de plus de 30 est proposée dans la littérature. Pourtant, cette architecture de génération de fréquences est complexe et les signaux impliqués dans la synthèse sont fortement non-linéaires et présentent un défi de modélisation encore non-adressé dans ce contexte. De plus, ce multiplicateur utilise des oscillateurs verrouillés par injection (« injection locked oscillators » ou ILO) dont la fonctionnalité et les performances spectrales ne sont pas toujours assurées (à cause des variations PVT notamment).Fort de ce contexte et afin de comprendre et optimiser les performances de ce type d’architectures, deux contributions majeures sont proposées dans ce travail :•Propositions des modèles analytiques comportementaux des signaux mis en jeux et de leurs propriétés spectrales (bruit de phase et jitter intégré) en fonction des paramètres du circuit (fréquences libres des oscillateurs, rapport cyclique du signal de référence… etc.). En plus d’optimiser le dimensionnement du circuit en phase de conception, ces modèles permettent d’identifier les paramètres clés contrôlant la fonctionnalité et les performances du circuit. Des méthodologies de calibration du circuit sont ainsi proposées.•La conception d’un détecteur de verrouillage intégré dans le multiplicateur de fréquence permettant de détecter l’état de fonctionnalité du circuit et déterminer par conséquent les zones de fonctionnement optimales pour des fins de calibration.Les modèles analytiques sont validés par les résultats de mesures d’un prototype du multiplicateur de fréquence fonctionnant à 60-GHz fabriqué dans le cadre de cette thèse en technologie CMOS 45RFSOI. Grâce au méthodologies construites de la phase de modélisation, le circuit a atteint un bruit de phase et un jitter intégré compétitifs à l’état de l’art.Par ailleurs, le circuit de détection de verrouillage (DV) intégré dans le circuit de multiplication et basée sur une technique innovante à basse consommation, a permis d’identifier les états de l’oscillateur en fonction des paramètres du circuit. Cela a permis ensuite d’effectuer une preuve de concept de la calibration automatique de la fonctionnalité et du jitter intégré de l’oscillateur à 60-GHz.

As data traffic is exponentially increasing in datacenters, new generation of mass producible optical transceivers delivering high data throughput at very low energy consumption are required. Optical coherent technology has been widely used in the past decade to support intercontinental data traffic, as it benefits from higher performance over direct modulation systems though at the cost of complexity and price. To be efficiently used in datacenters, the size and energy consumption of coherent transceivers need to be scaled down while keeping relatively high data throughput. This could be achieved using higher order coherent formats, improving the transmission link spectral efficiency. However, these advanced communication formats can only be supported by low noise lasers. This thesis hence focuses on the phase noise optimization of three types of compact laser diodes using passive/active integration suitable for datacenter interconnects. First, a novel design of III-V/Si narrow linewidth high quality factor DFB laser based on a chirped grating is thoroughly studied. Detailed numerical simulations that yield grating parameters leading to optimal performances are presented for the first time to our knowledge. In a second study, we investigate the fast switching properties of a newly designed narrow linewidth extended cavity III-V/Si laser. After detailing the laser operating principles, we propose an experimental method to precisely characterize laser switching dynamics. Record coherent slot switching experiments are then demonstrated using this new laser. In the final part, we first investigate optical feedback regimes in single section quantum dash MLL and show that coherent feedback can induce a drastic phase noise reduction of the MLL longitudinal modes. The potential use of this comb source in a DWDM coherent link is demonstrated through highly spectrally efficient transmission experiments.; Alors que le trafic de donnée intra-datacenter augmente exponentiellement, de nouvelles générations de transpondeurs optiques sont étudiées. Ces transpondeurs doivent délivrer un fort débit, tout en restant faible consommation. Les technologies cohérentes –sur lesquelles sont établies les liens intercontinentaux- doivent voir leur taille et bilan énergétique réduits. L’utilisation de formats cohérents avancés améliorera les performances des systèmes cohérents tout en les gardant compacts et efficaces énergétiquement. Cependant ces formats peuvent être déployés seulement si des lasers faibles bruits sont utilisés. C’est dans ce cadre que cette thèse étudie la réduction du bruit de phase de trois types de diodes lasers. Premièrement, nous étudions un nouveau type de laser à rétroaction distribué ayant une faible largeur de raie. Des simulations montrant les paramètres de conceptions optimaux de ce type de laser III-V/Si sont présentées. Dans le chapitre suivant, nous analysons les propriétés de reconfiguration rapide de lasers accordables faible bruit. Ici, nous proposons d’abord une nouvelle méthode de mesures permettant d’analyser précisément un saut de mode, ensuite nous présentons des résultats record de transmission cohérentes de paquets optiques. Dans un dernier chapitre, nous montrons que la rétroaction optique permet de stabiliser un laser à verrouillage de mode. Après avoir analysé les différents régimes de fonctionnement, nous confirmons les hautes performances de lien de communication cohérente utilisant ces lasers peigne de fréquence.

As data traffic is exponentially increasing in datacenters, new generation of mass producible optical transceivers delivering high data throughput at very low energy consumption are required. Optical coherent technology has been widely used in the past decade to support intercontinental data traffic, as it benefits from higher performance over direct modulation systems though at the cost of complexity and price. To be efficiently used in datacenters, the size and energy consumption of coherent transceivers need to be scaled down while keeping relatively high data throughput. This could be achieved using higher order coherent formats, improving the transmission link spectral efficiency. However, these advanced communication formats can only be supported by low noise lasers. This thesis hence focuses on the phase noise optimization of three types of compact laser diodes using passive/active integration suitable for datacenter interconnects. First, a novel design of III-V/Si narrow linewidth high quality factor DFB laser based on a chirped grating is thoroughly studied. Detailed numerical simulations that yield grating parameters leading to optimal performances are presented for the first time to our knowledge. In a second study, we investigate the fast switching properties of a newly designed narrow linewidth extended cavity III-V/Si laser. After detailing the laser operating principles, we propose an experimental method to precisely characterize laser switching dynamics. Record coherent slot switching experiments are then demonstrated using this new laser. In the final part, we first investigate optical feedback regimes in single section quantum dash MLL and show that coherent feedback can induce a drastic phase noise reduction of the MLL longitudinal modes. The potential use of this comb source in a DWDM coherent link is demonstrated through highly spectrally efficient transmission experiments.; Alors que le trafic de donnée intra-datacenter augmente exponentiellement, de nouvelles générations de transpondeurs optiques sont étudiées. Ces transpondeurs doivent délivrer un fort débit, tout en restant faible consommation. Les technologies cohérentes –sur lesquelles sont établies les liens intercontinentaux- doivent voir leur taille et bilan énergétique réduits. L’utilisation de formats cohérents avancés améliorera les performances des systèmes cohérents tout en les gardant compacts et efficaces énergétiquement. Cependant ces formats peuvent être déployés seulement si des lasers faibles bruits sont utilisés. C’est dans ce cadre que cette thèse étudie la réduction du bruit de phase de trois types de diodes lasers. Premièrement, nous étudions un nouveau type de laser à rétroaction distribué ayant une faible largeur de raie. Des simulations montrant les paramètres de conceptions optimaux de ce type de laser III-V/Si sont présentées. Dans le chapitre suivant, nous analysons les propriétés de reconfiguration rapide de lasers accordables faible bruit. Ici, nous proposons d’abord une nouvelle méthode de mesures permettant d’analyser précisément un saut de mode, ensuite nous présentons des résultats record de transmission cohérentes de paquets optiques. Dans un dernier chapitre, nous montrons que la rétroaction optique permet de stabiliser un laser à verrouillage de mode. Après avoir analysé les différents régimes de fonctionnement, nous confirmons les hautes performances de lien de communication cohérente utilisant ces lasers peigne de fréquence.

Recent research on high-temperature superconductors (HTS) has led to the development of planar resonators with a very high quality factor in the low microwave range (some GHz). Such resonators, associated with an amplification circuit, make it possible to produce microwave sources of high spectral purity (or low phase noise). Indeed, quality factors of 300 000 could be demonstrated on these resonators around 1 GHz. However, prior to this thesis work, no oscillator with HTS resonator had been able to include an amplification system that had also been cooled. We began our work by a fine characterization at low temperature of the components constituting the oscillation loop: the resonator, the transistor (amplifier) ??and the varactor (phase control). Accurate characterization of different superconducting resonators has been performed over a wide temperature range and at different RF power levels. This work allowed us to extract a non-linear model of the resonator that can be used in a 1 GHz circuit design. As regards the amplifier, different transistors have been tested with respect to their phase noise and gain performance at 1 GHz and 80 K (and then 60 K thereafter). Following these measurements, a component was selected and modeled. The transistor model, extracted from the I(V) and low temperature S parameters, includes noise sources to simulate the residual phase noise of the transistor (1/f component and noise floor). Using this model, a low noise phase cryogenic amplifier could be designed and noise optimized on the Keysight ADS software. Similar work has been done on varactor diodes to include a frequency tuning circuit for the oscillator to allow frequency lock on an external reference. Finally, using these models, an all cryogenic oscillator could be simulated and realized in hybrid technology on alumina. To our knowledge, this is the first entirely cryogenic oscillator with HTS resonator. This circuit was measured by advanced metrology techniques and the results are presented in the thesis., La supraconductivité à haute température critique a conduit au développement de résonateurs planaires à très fort facteur de qualité dans la gamme basse des hyperfréquences (quelques GHz). De tels résonateurs, associés à un circuit d'amplification, permettent de réaliser des sources hyperfréquences de grande pureté spectrale (ou faible bruit de phase). En effet, des coefficients de qualité à vide de l'ordre de 300 000 ont pu être démontrés sur ces résonateurs aux environs de 1 GHz. Toutefois, avant ce travail de thèse, aucun oscillateur à résonateur supraconducteur n'avait pu inclure un système d'amplification lui aussi refroidi. Nous avons donc débuté notre travail par une caractérisation fine à basse température des composants constituant la boucle d'oscillation : le résonateur, le transistor (amplificateur) et le varactor (contrôle de phase). Une caractérisation précise de différents résonateurs supraconducteurs a été réalisée sur une large gamme de température et à différents niveaux de puissance RF. Ce travail nous a permis d'extraire un modèle non-linéaire du résonateur pouvant être utilisé dans une conception de circuit à 1 GHz. En ce qui concerne l'amplificateur, différents transistors ont été testés vis-à-vis de leurs performances en bruit de phase et en gain à 1 GHz et 80 K (puis à 60 K par la suite). Suite à ces mesures, un composant a été sélectionné et modélisé. Le modèle du transistor, extrait à partir des mesures I(V) et de paramètres S à basse température, inclue des sources de bruit permettant de simuler le bruit de phase résiduel du transistor (composante en 1/f et plancher de bruit). En utilisant ce modèle, un amplificateur cryogénique à faible bruit de phase a pu être conçu et optimisé en bruit sur le logiciel Keysight ADS. Un travail similaire a été mené sur des diodes varactors afin d'inclure un circuit d'accord en fréquence pour l'oscillateur, ceci pour permettre un verrouillage de fréquence sur une référence externe. Enfin, à l'aide de ces modèles, un oscillateur tout cryogénique a pu être simulé et réalisé en technologie hybride sur alumine. Il s'agit à notre connaissance du tout premier oscillateur entièrement cryogénique à résonateur supraconducteur. Ce circuit a été mesuré par des techniques de métrologie avancées et les résultats sont présentés dans la thèse.

La croissance des services de télécommunications et l’augmentation du trafic de données à l’échelle mondiale favorise le développement et l’intégration de différents réseaux de transmission de données. Un exemple de ce développement est constitué par les réseaux de fibres optiques, qui sont actuellement chargés d’interconnecter les continents par des liaisons longues avec des taux de transfert importants. Les réseaux optiques, ainsi que les réseaux supportés par d’autres moyens de transmission, utilisent des signaux électriques à certaines fréquences pour la synchronisation des éléments du réseau. La qualité de ces signaux est un facteur décisif dans la performance globale du système, c’est pourquoi leur bruit de phase doit être aussi faible que possible.Ce document décrit la conception et la mise en œuvre d’un système optoélectronique pour la génération de signaux micro-ondes à l’aide de diodes laser à cavité verticale (VCSEL) et son intégration dans un système de transmission optique de données. Compte tenu du fait que le système proposé intègre un laser VCSEL directement modulé, une caractérisation théorique et expérimentale a été élaborée sur la base des équations d’évolution du laser, de mesures dynamiques et statiques, et d’un modèle électrique équivalent de la région active. Cette méthode a permis l’extraction de certains paramètres intrinsèques du VCSEL, ainsi que la validation et la simulation de ses performances dans différentes conditions de modulation.Le VCSEL utilisé émet en bande C et a été sélectionné en considérant que cette bande est couramment utilisée dans les liaisons à longue distance.Le système proposé est constitué d’une boucle fermée qui déclenche l’oscillation grâce aux sources de bruit des composants et module le VCSEL en fort signal pour générer des impulsions optiques (gain switching). Ces impulsions optiques, qui dans le domaine des fréquences correspondent à un peigne de fréquences optiques, sont détectées pour générer simultanément une fréquence fondamentale (déterminée par un filtre passe-bande) et plusieurs harmoniques.Le bruit de phase mesuré à10 kHz de la porteuse à1,25 GHz est de -127,8 dBc/Hz, et constitue la valeur la plus faible signalée dans la littérature pour cette fréquence et cette architecture.La gigue et la largeur d’impulsion optique ont été déterminées lorsque différentes cavités résonantes et différents courants de polarisation étaient utilisés. The massive growth of telecommunication services and the increasing global data traffic boost the development, implementation, and integration of different networks for data transmission.An example of this development is the optical fiber networks, responsible today for the inter-continental connection through long-distance links and high transfer rates. The optical networks, as well as the networks supported by other transmission media, use electrical signals at specific frequencies for the synchronization of the network elements. The quality of these signals is usually determined in terms of phase noise. Due to the major impact ofthe phase noise over the system performance, its value should be minimized.The research work presented in this document describes the design and implementation of an optoelectronic system for the microwave signal generation using a vertical-cavity surface emitting laser (VCSEL) and its integration into an optical data transmission system. Considering that the proposed system incorporates a directly modulated VCSEL, a theoretical and experimental characterization was developed based on the laser rate equations, dynamic and static measurements, and an equivalent electrical model of the active region. This procedure made possible the extraction of some VCSEL intrinsic parameters, as well as the validation and simulation of the VCSEL performance under specific modulation conditions.The VCSEL emits in C-band, this wave length was selected because it is used in long-haul links. The proposed system is a self-initiated oscillation system caused by internal noise sources,which includes a VCSEL modulated in large signal to generate optical pulses (gain switching).The optical pulses, and the optical frequency comb associated, generate in electrical domain simultaneously a fundamental frequency (determined by a band-pass filter) and several harmonics. The phase noise measured at 10 kHz from the carrier at 1.25 GHz was -127.8dBc/Hz, and it is the lowest value reported in the literature for this frequency and architecture.Both the jitter and optical pulse width were determined when different resonant cavities and polarization currents were employed. The lowest pulse duration was 85 ps and was achieved when the fundamental frequency was 2.5 GHz. As for the optical frequency comb, it was demonstrated that its flatness depends on the electrical modulation conditions.The flattest profiles are obtained when the fundamental frequency is higher than the VCSELrelaxation frequency. Both the electrical and the optical output of the system were integrated into an optical transmitter.The electrical signal provides the synchronization of the data generating equipment,whereas the optical pulses are employed as an optical carrier. Data transmissions at 155.52Mb/s, 622.08 Mb/s and 1.25 Gb/s were experimentally validated. It was demonstrated that the fundamental frequency and harmonics could be extracted from the optical data signal transmitted by a band-pass filter.

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.; 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.

National audience; Un système de stabilisation de laser sur un résonateur à fort Q est présenté. Ce système présente la particularité de travailler sur le port d’absorption du résonateur et comporte également une boucle de réduction du bruit AM. Des résultats sont présentés sur le bruit de phase d’un laser à semiconducteur et d’un oscillateur optoélectronique tous deux stabilisés sur un résonateur fibré avec ce système. Le bruit de phase de la source optique ainsi obtenue est extrêmement faible.

National audience; La division de fréquence d'oscillateurs de références optoélectroniques couplés (COEO) est une méthode de synthèse de fréquence alternative à la boucle à verrouillage de phase (PLL). La PLL étant basée sur la multiplication de fréquence, la dégradation résultante du bruit de phase proportionnelle au facteur de multiplication s'avère problématique pour la génération de fréquences élevées. Ici à l'inverse, nous divisons une référence de fréquence élevée, le COEO, en concevant des diviseurs avec un bruit de phase résiduel le plus faible possible. Cet article discute des résultats d'un diviseur numérique de fréquence par 2 et d'un diviseur numérique de fréquence par 3 réalisés en technologie SiGe BiCMOS 130 nm à partir d'une référence COEO à 30 GHz.

Improvements on electronic technology in recent years have allowed the application of digital techniques in time and frequency metrology where low noise and high accuracy are required, yielding flexibility in systems implementation and setup. This results in measurement systems with extended capabilities, additional functionalities and ease of use.The Analog to Digital Converters (ADCs) and Digital to Analog Converters (DACs), as the system front-end, set the ultimate performance of the system in terms of noise. Moreover, most commercial platforms based on FPGA are clocked by quartz oscillators whose accuracy and frequency stability are not suitable for many time and frequency applications. In this case, it is possible to take advantage of the internal Phase Locked Loop (PLL) for generating the internal clock from an external frequency reference. However, the PLL phase noise could degrade the oscillator stability thereby limiting the entire system performance becoming a critical component for digital instrumentation. The information available currently in literature, describes in depth the features of these devices at frequency offsets far from the carrier. However, the information close to the carrier is a more important concern for time and frequency applications.In this frame, my PhD work is focused on understanding the limitations of the critical blocks of digital instrumentation for time and frequency metrology. The aim is to characterize the noise introduced by these blocks and in this manner to be able to predict their effects on a specific application. This is done by modeling the noise introduced by each component and by describing them in terms of general and technical parameters. The parameters of the models are identified and extracted through the corresponding method proposed accordingly to the component operation. This work was validated by characterizing a commercially available platform, Red Pitaya. This platform is an open source embedded system whose resolution and speed (14 bit, 125 MSps) are reasonably close to the state of the art of ADCs and DACs (16 bit, 350 MSps or 14 bit, 1 GSps/3GSPs) and it is potentially sufficient for the implementation of a complete instrument. The characterization results lead to the noise limitations of the platform and give a guideline for instrumentation design techniques.Based on the results obtained from the noise characterization, the implementation of a digital instrument for frequency transfer using fiber link was performed on the Red Pitaya platform. In this project, a digital implementation for the detection and compensation of the phase noise induced by the fiber is proposed. The beat note, representing the fiber length variations, is acquired directly with a high speed ADC followed by a fully digital phase detector. Based on the characterization results, it was expected a limitation in the phase noise measurement given by the PLL. First measurements of this implementation were performed using the 150 km-long buried fibers, placed in the same cables between INRiM and the Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) on the Italy-France border. The two fibers are joined together at LSM to obtain a 300 km loop with both ends at INRiM. From these results the noise introduced by the digital system was verified in agreement with characterization results. Further test and improvements will be performed for having a finished system which is intended to be used on the Italian Link for Frequency and Time from Turin to Florence that is 642-km long and to its extension in the rest of Italy that is foreseen in the next future.Currently, a higher performance platform is under assessment by applying the tools and concepts developed along the PhD. The purpose of this project is the implementation of a state of the art phasemeter whose architecture is based on the DAC. The DAC characterization is under development and preliminary measurements are reported here.; Les progrès sur la technologie électronique pendant les dernières années avaient permis l’utilisation des techniques numériques dans la métrologie de temps et fréquence où bas bruit et haute précision sont nécessaires. Ces techniques génèrent systèmes plus flexibles pour l’implémentation et pour la configuration. De cette façon, c’est possible d’obtenir systèmes de mesure avec capacités étendues, fonctionnalités ajoutées et plus facile ad utiliser.Les convertisseurs analogique-numérique (ADCs) et numérique-analogique (DACs), considérée comme l’interface avec le monde analogique, représentent la limite de la performance du système en termes de bruit. De plus, en général, les plateformes commerciales basées sur FPGA sont cadencées par un oscillateur à quartz dont précision et stabilité de fréquence ne sont pas adapté pour plupart des applications de temps e fréquence. Dans ce cas, c’est possible d’utiliser le Phase Locked Loop (PLL) intégré dans la FPGA pour générer l’horloge du système à partir d’une référence de fréquence externe. Cependant, en considérant que le bruit de phase du PLL pourrait dégrader la stabilité de la référence et ainsi limiter la performance d’entier système, le PLL devient un composant critique pour l’instrumentation numérique. L’information disponible actuellement dans la littérature décrit en détail les spécifications de ces composants a offset de fréquence loin de la porteuse. Cependant, l’information proche à la porteuse est une préoccupation plus importante pour les applications de temps et fréquence.Dans ce cadre, ma thèse de doctorat est concentrée sur l’étude des limitations des composants critiques de l’instrumentation numérique pour la métrologie de temps et fréquence. L’objectif est de caractériser le bruit introduit par ces composants et ainsi obtenir un modèle que permettra de prédire leurs effets sur une application spécifique. On propose une méthode pour extraire les paramètres des modelés lequel est testé et validé sur la plateforme commercial Red Pitaya. Cette plateforme est une open source embedded system dont résolution et vitesse (14 bit, 125 MSps) sont raisonnablement proche de l’état de l’art des ADCs et DACs (16 bit, 350 MSps or 14 bit, 1 GSps/3GSPs) et c’est potentiellement suffisant pour l’implémentation de un instrument complet. Les résultats de la caractérisation conduisent aux limitations de la plateforme et donnent une directrice pour le design de l’instrument.Basé sur les résultats obtenus de la caractérisation du bruit, l’implémentation de un instrument numérique pour le transfert de fréquence par fibre optique est été réalisée sur la plateforme Red Pitaya. Dans ce projet, une implémentation numérique pour la détection et compensation du bruit de phase induit par la fibre est proposé. Sur la base des résultats de la caractérisation, il était prévu une limitation de la mesure du bruit de phase donnée par le PLL. Les premières mesures de cette implémentation ont été réalisées sur un lien de fibre de 150 km + 150 km placées dans les mêmes câbles entre l'INRiM (Turin) et le Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) à la frontière Italie-France. A partir de ces résultats, le bruit introduit par le système numérique a été vérifié en accord avec les résultats de la caractérisation. Additionnel tests et améliorations seront effectués pour avoir un système capable d’être utilisé sur le lien italien pour la fréquence et le temps de Turin à Florence qui est longue de 642 km et à son extension dans le reste de l'Italie prévue dans le prochain avenir.Actuellement, une plateforme plus performante est en cours d'évaluation, à travers les techniques et concepts développés au cours de la thèse. Ce projet a pour but l’implémentation d'un phasemètre à l’état de l’art de la technologie dont l'architecture est basée sur le DAC. La caractérisation du DAC est en cours de développement et les mesures préliminaires sont également rapportées ici.

Improvements on electronic technology in recent years have allowed the application of digital techniques in time and frequency metrology where low noise and high accuracy are required, yielding flexibility in systems implementation and setup. This results in measurement systems with extended capabilities, additional functionalities and ease of use.The Analog to Digital Converters (ADCs) and Digital to Analog Converters (DACs), as the system front-end, set the ultimate performance of the system in terms of noise. Moreover, most commercial platforms based on FPGA are clocked by quartz oscillators whose accuracy and frequency stability are not suitable for many time and frequency applications. In this case, it is possible to take advantage of the internal Phase Locked Loop (PLL) for generating the internal clock from an external frequency reference. However, the PLL phase noise could degrade the oscillator stability thereby limiting the entire system performance becoming a critical component for digital instrumentation. The information available currently in literature, describes in depth the features of these devices at frequency offsets far from the carrier. However, the information close to the carrier is a more important concern for time and frequency applications.In this frame, my PhD work is focused on understanding the limitations of the critical blocks of digital instrumentation for time and frequency metrology. The aim is to characterize the noise introduced by these blocks and in this manner to be able to predict their effects on a specific application. This is done by modeling the noise introduced by each component and by describing them in terms of general and technical parameters. The parameters of the models are identified and extracted through the corresponding method proposed accordingly to the component operation. This work was validated by characterizing a commercially available platform, Red Pitaya. This platform is an open source embedded system whose resolution and speed (14 bit, 125 MSps) are reasonably close to the state of the art of ADCs and DACs (16 bit, 350 MSps or 14 bit, 1 GSps/3GSPs) and it is potentially sufficient for the implementation of a complete instrument. The characterization results lead to the noise limitations of the platform and give a guideline for instrumentation design techniques.Based on the results obtained from the noise characterization, the implementation of a digital instrument for frequency transfer using fiber link was performed on the Red Pitaya platform. In this project, a digital implementation for the detection and compensation of the phase noise induced by the fiber is proposed. The beat note, representing the fiber length variations, is acquired directly with a high speed ADC followed by a fully digital phase detector. Based on the characterization results, it was expected a limitation in the phase noise measurement given by the PLL. First measurements of this implementation were performed using the 150 km-long buried fibers, placed in the same cables between INRiM and the Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) on the Italy-France border. The two fibers are joined together at LSM to obtain a 300 km loop with both ends at INRiM. From these results the noise introduced by the digital system was verified in agreement with characterization results. Further test and improvements will be performed for having a finished system which is intended to be used on the Italian Link for Frequency and Time from Turin to Florence that is 642-km long and to its extension in the rest of Italy that is foreseen in the next future.Currently, a higher performance platform is under assessment by applying the tools and concepts developed along the PhD. The purpose of this project is the implementation of a state of the art phasemeter whose architecture is based on the DAC. The DAC characterization is under development and preliminary measurements are reported here.; Les progrès sur la technologie électronique pendant les dernières années avaient permis l’utilisation des techniques numériques dans la métrologie de temps et fréquence où bas bruit et haute précision sont nécessaires. Ces techniques génèrent systèmes plus flexibles pour l’implémentation et pour la configuration. De cette façon, c’est possible d’obtenir systèmes de mesure avec capacités étendues, fonctionnalités ajoutées et plus facile ad utiliser.Les convertisseurs analogique-numérique (ADCs) et numérique-analogique (DACs), considérée comme l’interface avec le monde analogique, représentent la limite de la performance du système en termes de bruit. De plus, en général, les plateformes commerciales basées sur FPGA sont cadencées par un oscillateur à quartz dont précision et stabilité de fréquence ne sont pas adapté pour plupart des applications de temps e fréquence. Dans ce cas, c’est possible d’utiliser le Phase Locked Loop (PLL) intégré dans la FPGA pour générer l’horloge du système à partir d’une référence de fréquence externe. Cependant, en considérant que le bruit de phase du PLL pourrait dégrader la stabilité de la référence et ainsi limiter la performance d’entier système, le PLL devient un composant critique pour l’instrumentation numérique. L’information disponible actuellement dans la littérature décrit en détail les spécifications de ces composants a offset de fréquence loin de la porteuse. Cependant, l’information proche à la porteuse est une préoccupation plus importante pour les applications de temps et fréquence.Dans ce cadre, ma thèse de doctorat est concentrée sur l’étude des limitations des composants critiques de l’instrumentation numérique pour la métrologie de temps et fréquence. L’objectif est de caractériser le bruit introduit par ces composants et ainsi obtenir un modèle que permettra de prédire leurs effets sur une application spécifique. On propose une méthode pour extraire les paramètres des modelés lequel est testé et validé sur la plateforme commercial Red Pitaya. Cette plateforme est une open source embedded system dont résolution et vitesse (14 bit, 125 MSps) sont raisonnablement proche de l’état de l’art des ADCs et DACs (16 bit, 350 MSps or 14 bit, 1 GSps/3GSPs) et c’est potentiellement suffisant pour l’implémentation de un instrument complet. Les résultats de la caractérisation conduisent aux limitations de la plateforme et donnent une directrice pour le design de l’instrument.Basé sur les résultats obtenus de la caractérisation du bruit, l’implémentation de un instrument numérique pour le transfert de fréquence par fibre optique est été réalisée sur la plateforme Red Pitaya. Dans ce projet, une implémentation numérique pour la détection et compensation du bruit de phase induit par la fibre est proposé. Sur la base des résultats de la caractérisation, il était prévu une limitation de la mesure du bruit de phase donnée par le PLL. Les premières mesures de cette implémentation ont été réalisées sur un lien de fibre de 150 km + 150 km placées dans les mêmes câbles entre l'INRiM (Turin) et le Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) à la frontière Italie-France. A partir de ces résultats, le bruit introduit par le système numérique a été vérifié en accord avec les résultats de la caractérisation. Additionnel tests et améliorations seront effectués pour avoir un système capable d’être utilisé sur le lien italien pour la fréquence et le temps de Turin à Florence qui est longue de 642 km et à son extension dans le reste de l'Italie prévue dans le prochain avenir.Actuellement, une plateforme plus performante est en cours d'évaluation, à travers les techniques et concepts développés au cours de la thèse. Ce projet a pour but l’implémentation d'un phasemètre à l’état de l’art de la technologie dont l'architecture est basée sur le DAC. La caractérisation du DAC est en cours de développement et les mesures préliminaires sont également rapportées ici.

Dans des domaines tels que la défense ou les transports et pour des applications de type radars et télécommunications, comme la cinquième génération de standards pour la téléphonie mobile (5G), l’orientation du diagramme de rayonnement d’un réseau d’antennes et plus généralement la formation de faisceau sont des techniques largement répandues ou en devenir. Cette synthèse du diagramme de rayonnement s’effectue par une commande de l’amplitude et/ou de la phase des signaux injectés sur chacun des éléments rayonnants qui constitue le réseau. C’est dans ce contexte que nous avons travaillé sur différentes architectures de circuits innovants de commande de réseaux linéaires d’antennes. La première technique consiste à contrôler le gradient de phase entre les éléments adjacents d’un réseau d’OCTs couplés. Ainsi, après une étude théorique permettant d’obtenir les équations non-linéaires décrivant les états de synchronisation des OCTs constituant le réseau, un outil de CAO a été élaboré afin de tracer une cartographie de la zone de synchronisation de deux OCTs couplés. Celle-ci permet de déterminer rapidement les fréquences d’oscillation libre nécessaires à l’obtention du déphasage souhaité. Plusieurs prototypes ont alors été réalisés soit en technologie hybride, soit intégrés en technologie BiCMOS SiGe 0,25 μm. Les résultats obtenus ont été présentés dans ce mémoire et ont permis d’ouvrir des perspectives pour des travaux futurs. La deuxième méthode consiste à employer des modulateurs vectoriels comme déphaseurs actifs permettant ainsi de contrôler l’amplitude et la phase des signaux appliqués sur chaque élément rayonnant du réseau. Ainsi, un démonstrateur, constitué de quatre modulateurs vectoriels associés à quatre antennes « patch », a été réalisé en technologie hybride à une fréquence de 2,4 GHz. Les mesures de diagrammes de rayonnement du réseau d’antennes ont été effectuées en chambre anéchoïque et le potentiel de cette architecture pour la formation de faisceau a largement été démontré et étudié. Enfin, l’étude et la conception d’OCTs à très haute pureté spectrale intégrés en technologie BiCMOS SiGe:C 0,25 μm et fonctionnant en bande Ku pour des applications de type radiocommunications point-à-point et communications par satellite de type VSAT est traitée dans la dernière partie de ce mémoire. Ainsi, une architecture tout à fait originale utilisant les avantages d’un montage cascode ainsi qu’un résonateur à trois inductances différentielles imbriquées a été proposée. Quatre versions d’OCTs ont alors été conçues et implémentées en technologie BiCMOS SiGe :C 0,25 μm. Les résultats de mesures réalisées sous pointes placent les performances en bruit de phase des OCTs ainsi conçus à l’état de l’art en technologie silicium.

State-of-the-art microwave oscillators are typically bulky systems requiring tedious maintenance which is hindering their use in mobile applications or in demanding environments. The invention of the optical frequency combs, which was awarded a Nobel prize in 2005, was a game-changer as it enabled a high-fidelity transfer of the unrivalled properties of optical oscillators to the microwave domain. In the technique used at SYRTE, the optical frequency division, a microwave signal can be extracted from a near-infrared ultra-stable laser using photodetection. The transfer is accompanied by a reduction of phase noise equal to the microwave-to-optical frequency ratio squared, i.e. more than eight order of magnitudes. This benefit is however reduced by several processes producing excess noise during the transfer. The work described in this thesis is the generation of the lowest phase noise microwave signal ever reported. The different processes inducing excess noise are analyzed and, in part, overcome. Specifically, the conversion of the femtosecond laser intensity noise to the microwave phase noise is studied thoroughly and its effect significantly reduced. The results augur that the optical approaches in microwave generation are on the verge to disrupt the state-of-the-art. The noise levels demonstrated and the techniques developed can benefit a large range of applications such as mobile radars, time and frequency metrology or the next generation of ultrafast telecommunication networks., Les meilleurs oscillateurs dans le domaine micro-onde sont souvent des systèmes encombrants ou requérant une maintenance fastidieuse ce qui freine leur utilisation pour des applications mobiles ou dans des environnements aux conditions difficiles. L'avènement des peignes de fréquences optiques, récompensés par un prix Nobel en 2005, a ouvert de nouvelles perspectives en permettant un transfert des qualités inégalées des sources optiques vers le domaine micro-onde. Dans la technique utilisée au LNE-SYRTE, la division de fréquence optique, un signal micro-onde peut être extrait d'un laser ultra-stable dans l'infrarouge proche par photodétection, ce qui s'accompagne d'une réduction du bruit égale au carré du rapport des fréquences initiale et finale, soit plus de 8 ordres de grandeurs. Ce bénéfice est cependant réduit par différents processus collatéraux qui augmentent le niveau de bruit final. Le travail décrit dans cette thèse est la génération et la caractérisation du signal micro-onde le plus pur généré jusqu'à présent. Les différents processus introduisant un excès de bruit lors de la conversion opto-éléctronique sont étudiés et en partie surmontés. En particulier la conversion du bruit d'amplitude du laser femtoseconde vers la porteuse micro-onde est analysée en détail et son effet grandement réduit. Les résultats obtenus laissent penser que les techniques optiques de génération de micro-ondes vont bouleverser l'état de l'art. Les niveaux de pureté atteints et les techniques développées peuvent bénéficier un vaste éventail de domaines comme les radars mobiles, la métrologie temps-fréquence ou les prochaines générations de télécommunications à ultra-haut débit.

The important rise of telecommunication systems in the past decades, together with the sensitivity improvement of radar systems, has increased the necessity for high spectral purity frequency references at high frequencies. The saturation of classical microwave bandwidths motivated the search of frequency references at higher frequencies, such as K-band. Frequency multiplication from highly stable sources, such as quartz sources, is limited by the increase of the noise floor, which is often prohibitive at millimeter wave frequencies. On the contrary, microwave generation using optics becomes a very efficient technique in this frequency range. Indeed, passive optical resonators or delay lines feature a high Q factor which can be used to stabilize the microwave frequency. The best phase noise performance is today obtained with long delay line oscillators. However, a spurious mode suppression technique has to be implemented in this type of OEOs. The use of an active optical resonator is a third solution, which avoids any locking technique between the laser and the passive resonator. The first architecture of this type has been proposed at the end of the 1990's. In such a system, a mode-locked laser is coupled to a microwave oscillator (COEO). COEO phase noise performances are strongly dependent on the spectral purity of the mode locked laser signal. This thesis work focus on the study and the optimization of this system. Optical amplifiers noise is firstly investigated, in order to determine the optimal conditions to minimize their phase noise contribution to the COEO. A 10 GHz SOA based COEO has been realized and features a low phase noise level reaching - 132 dBc/Hz at 10 kHz from the carrier. An analytical model has also been developed to obtain the locking range of the coupled oscillations. This frequency range is strongly dependent on the coupling efficiency between optical oscillation and the optoelectronic oscillation. This parameter cannot be calculated analytically and an iterative model has been proposed to determine the amplitude and phase of the optical spectrum. Therefore, one can calculate the RF power on the photodiode, on which the coupling efficiency is depending. Since COEO features a large optical frequency comb where each tooth of the comb is phase locked thanks to the mode locked laser, harmonic generation from COEO is possible. Wide frequency comb from high frequency COEO allow millimeter wave generation. The iterative model developed in this work enable to determine the RF power of one specified harmonic from experimental parameters. Harmonic selection can also be performed through the management of the chromatic dispersion. Such frequency multiplication has been implemented to generate a high purity 90 GHz signal from a 30 GHz COEO.These results are promising and an integration of the system in a thermalized box is under process.; Le développement technologique dans le domaine des télécommunications, ainsi que des systèmes de détection, a accru ces dernières années la nécessité de signaux de référence présentant une très haute pureté spectrale. L'augmentation des débits, la saturation des bandes de fréquence ainsi que les performances imposées pour la détection radar ont ouvert la voie à la génération micro-onde par l'optique. Ces références de fréquence sont souvent issues d'oscillateurs optoélectroniques (OEO). Ces oscillateurs intègrent un élément de stockage de l'énergie au travers de résonateurs ou de longues lignes à retard fibrées afin d'augmenter leur facteur qualité et permettant ainsi d'atteindre des performances supérieures aux signaux multipliés à partir de sources basses fréquences ou directement à partir d'oscillateurs micro-ondes à résonateur diélectrique (DRO). Une topologie originale d'oscillateurs optoélectroniques a été proposée à la fin des années 1990 par une équipe américaine : il s'agit de remplacer le résonateur passif nécessitant un verrouillage du laser sur ce dernier par un résonateur actif, intégrant un amplificateur optique. Ce résonateur actif, un laser à blocage de modes, permet un couplage entre l'oscillation optique du laser et l'oscillation optoélectronique. On parle alors d'oscillateur optoélectronique couplé (COEO). Les performances du COEO sont étroitement liées à la pureté spectrale du signal issu du laser à blocage de modes. Ce travail de thèse traite de l'étude et de l'optimisation de ces systèmes. Une étude approfondie sur le bruit dans les amplificateurs optiques a tout d'abord été menée afin de déterminer quel type d'amplificateur choisir pour le COEO et sous quelles conditions l'amplification optique apporte un bruit de phase minimal. Ensuite, un COEO à 10 GHz a été réalisé, présentant un très faible bruit de phase atteignant - 132 dBc/Hz à 10 kHz de la porteuse. Un modèle a par ailleurs été implémenté, permettant de déterminer a posteriori l'efficacité du couplage et ainsi la bande de verrouillage entre l'oscillation optoélectronique et le laser à blocage de modes. Ce couplage interne dépend fortement de la dynamique du système. Cependant, les différents effets non linéaires qui ont lieu dans l'amplificateur à semiconducteur et les fibres ne permettent pas d'obtenir un modèle analytique. Un modèle itératif a alors été proposé afin d'obtenir les propriétés de l'enveloppe complexe lentement variable du peigne de fréquence généré en sortie du laser dont la photodétection conduit à la puissance RF générée par le COEO. Le COEO génère un peigne de fréquence suffisamment large pour produire des harmoniques RF supérieurs à la fréquence de répétition du laser à blocage de modes, si les modes longitudinaux espacés de plusieurs intervalles spectraux libres (ISL) sont en phase. Le modèle itératif développé permet, à partir des paramètres expérimentaux de déterminer le spectre optique ainsi que la distribution de phase à l'intérieur de celui-ci. Il est possible alors d'augmenter la puissance d'une harmonique en sortie de la photodiode par un ajout d'éléments dispersifs. Cette multiplication de fréquence permet la génération de signaux à haute pureté spectrale en bande millimétrique. Une démonstration expérimentale à 90 GHz a été proposée, basée sur un COEO fonctionnant à 30 GHz. Ces résultats sont prometteurs et une intégration du COEO dans un boîtier thermalisé ainsi qu'une gestion plus fine de la dispersion des fibres peut permettre des améliorations significatives sur le bruit de phase du système.

I report in this manuscript a theoretical and experimental study of a compact, reliable and low cost source of 30 Hz linewidth, continuous and coherent electromagnetic waves tunable from 1 GHz to 500 GHz in steps of 1 GHz. These waves are generated by photomixing two distributed feedback (DFB) laser diodes at 1550 nm which are frequency stabilized with orthogonal polarizations on the same optical fibered Fabry-Perot cavity. I have designed very fast electronic control filters for each laser allowing a 7 MHz servo bandwidth limited by the loop length. I demonstrate phase noise suppressions down to -60 dBc/Hz at 1 kHz and -90 dBc/Hz at 100 kHz offset frequencies from a 92 GHz electrical carrier. I also measure a ~170 kHz frequency drift of the beat note at 10 GHz on the long term over a continuous 7.5 hour locking period. I show an optimized design of an integrated servo loop of few tens of cm length which reduces the phase noise by 18 dB at 1 MHz optical carrier offset frequency and the phase-amplitude couplings in the cavity by a factor of 50 compared to the experimental one. The addition of a third DFB laser phase stabilized on a local oscillator allows the possibility to have continuously tunable source over 1 THz. The continuous wave source also makes it possible to generate fixed repetition rate pico- or femtosecond pulses from highly non-linear and dispersive fibers, replacing the DFB lasers by further stable lasers. I have calculated by simulation 7.2 fs temporal jitter at 40 GHz repetition rate over a 1 ms integration time., Je rapporte dans ce manuscrit une étude théorique et expérimentale d’une source compacte, fiable et bas coût d’ondes électromagnétiques continues et cohérentes de 30 Hz de largeur de raie, accordables de 1 GHz à 500 GHz par pas de 1 GHz. Ces ondes sont générées par un photo-mélange de deux diodes lasers DFB (Distributed Feedback) très accordables autour de 1550 nm, stabilisées avec des polarisations orthogonales sur une même cavité Fabry-Perot optique fibrée. J’ai conçue des électroniques de correction très rapides pour chaque laser permettant d’avoir une bande passante d’asservissement de 7 MHz limitée par la longueur de la boucle. Je démontre des suppressions de bruit de phase jusqu’à -60 dBc/ Hz à 1 kHz et de -90 dBc/Hz à 100 kHz d’écart d’une porteuse électrique à 92 GHz. Je mesure aussi une dérive de fréquence de ~170 kHz d’un battement à 10 GHz à long terme sur 7,5 heures de verrouillage continu. Je montre une conception optimisée d’une boucle d’asservissement intégrée de quelques dizaines de cm de longueur qui réduit le bruit de phase de 18 dB à 1 MHz d’écart à la porteuse optique et des couplages phase-amplitude réduits dans la cavité d’un facteur 50 par rapport à ceux estimés expérimentalement. L’ajout d’un troisième laser DFB stabilisé en phase sur un oscillateur local permettrait d’avoir une source continûment accordable sur 1 THz. La source d’ondes continues permettrait également de générer à partir de fibres hautement non linéaires et dispersives des impulsions pico- ou femtosecondes à un taux de répétition fixe en remplacement les lasers DFB par des lasers plus stables. Je calcule par simulation une gigue temporelle de 7,2 fs sur un temps d’intégration de 1 ms à 40 GHz de taux de répétition.

RF photonics technology offers an attractive alternative to classical electronic approaches in several microwave systems for military, space and civil applications. One specific original architecture dubbed as optoelectronic oscillator (OEO) allows the generation of spectrally pure microwave reference frequencies, when the microwave photonic link is used as a feedback loop. Various studies have been conducted during this thesis on the OEO, especially the one that is based on fiber ring resonators, in order to optimize and improve its phase noise performance and its long-term stability. Precise characterization and modeling of the optical resonator are the first step towards overall system design. The resonator metrology is performed using an original approach, known as RF spectral characterization. The experimental results have demonstrated that this technique is helpful for the identification of the resonator's coupling regime and the accurate determination of the main resonator parameters such as the intrinsic and extrinsic quality factors or the coupling coefficients. A second study was directed toward implementing a reliable nonlinear model of the system. In such a model, the fast photodiode require an accurate description, in order to reduce the conversion of the optical amplitude noise into RF noise. A new nonlinear equivalent circuit model of a fast photodiode has been implemented in a microwave circuit simulator: Agilent ADS. This new model is able to describe the conversion of the laser relative intensity noise (RIN) into microwave phase noise at the photodiode output. An optimal optical power at the photodiode's input has been identified, at which the contribution of the laser RIN in RF phase noise is negligible. When it comes to practical applications, the desired performance of an OEO is threatened by various disturbances that may result in a frequency shift of both the laser frequency and the transmission peak of the resonator, which causes a malfunction of the OEO. Therefore it is desirable to use a stabilization system to control the difference between the laser frequency and the resonator frequency. A series of tests and experiments have been carried out to investigate the possibility, on one hand, to replace the commercial servo controller that was used up until now in the Pound-Drever-Hall loop, with a low noise homemade one and, on the other hand, to use a semiconductor laser to reduce the system size. A detailed review of these approaches is presented.; La technologie photonique-RF offre une alternative intéressante à l'approche purement électronique dans différents systèmes micro-ondes pour des applications militaires, spatiales et civiles. Un composant original, l'oscillateur optoélectronique (OEO), permet la génération de signaux RF stables et à haute pureté spectrale. Il est basé sur une liaison photonique micro-onde utilisée comme boucle de rétroaction et comportant soit une fibre longue, soit un résonateur à fort coefficient de qualité. Différentes études ont été menées au cours de cette thèse afin d'optimiser et d'améliorer la performance en termes de stabilité et de bruit de phase pour le cas de l'OEO à résonateur. La caractérisation fine et la modélisation des résonateurs est une première étape de la conception globale du système. La métrologie du résonateur optique est réalisée par une technique originale, dite de spectroscopie RF. Les résultats expérimentaux ont révélé que cette technique permet d'une part d'identifier le régime de couplage du résonateur et d'autre part de déterminer avec une grande précision tous les paramètres d'un dispositif résonant, comme les facteurs de qualité interne et externe ou les facteurs de couplage. Une deuxième étude a été orientée vers l'implémentation d'un modèle non-linéaire fiable du dispositif. Dans un tel modèle, la photodiode rapide nécessitait une description plus précise, dans le but de contrôler la conversion du bruit d'amplitude optique en bruit de phase de l'OEO. Un nouveau modèle non-linéaire d'une photodiode hyperfréquence a été développé sous un logiciel commercial: Agilent ADS. Ce nouveau modèle rend effectivement compte de cette conversion de bruit. Une puissance optique optimale à l'entrée de la photodiode a été déterminée, pour laquelle la contribution de RIN du laser au bruit de phase RF pourrait être négligeable. La performance de l'OEO est affectée par diverses perturbations entrainant un décalage en fréquence entre la fréquence du laser et la fréquence de résonance du résonateur. Il est donc important d'utiliser un système de stabilisation pour contrôler cette différence de fréquence. Des séries d'expériences et de tests ont été menées pour étudier la possibilité, d'une part, de remplacer l'électronique commerciale utilisée auparavant pour le système de verrouillage en fréquence (boucle de Pound-Drever-Hall) par une électronique faible bruit et, d'autre part, d'utiliser un laser à semi-conducteur. Un bilan de ces approches est présenté.

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; 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

Whispering galery mode resonators are dielectric cavities that support modes with ultra-high quality factor and small volume that remain confined in their inner periphery for time duratioons that can be as long as few microseconds. The strong confinement of these modes for such long durations strongly enhances nonlinear effect suchs as Kerr effect or Brillouin effect. These resonators can therefore be used for several applications such as spectroscopy, telecommunications or microwave generation. The objective of this thesis is to use Kerr and Brillouin nonlinearities in these resonators at the laser wavelength of 1550 nm, in order to generate high spectral purity microwave signals with frequencies rangong fros 5 to 30 GHz. The first chapter oh the thesis intriduces the theory, fabrication, coupling and characterisation of whispering gallery mode resonators. The second chapter is about the generation of Kerr optical frequency combs in these resonators and their application to the generation of microwave signals. We present our experimental resuktsdn the numerical modelling of Kerr combs, the analysis of oscillatory instabilities (due to thermal effect) observed during our experiments, and conclue. The third chapter concerns photon-phonon interactions via stimulated Brillouin scattering in these resonators and their application to the generation of microwave signals. We present our experimental results and the temporal model that we developed to track the dynamics of the forward and backscattered fields. The last chapter conclude the thesis. The research presented in this thesis has benne funded by the European Research Council through the project Nextphase.; Les résonateurs à modes de galerie sont des cavités diélectriques qui supportent des modes à très haut facteur de qualité et à faible volume qui demeurent confinés à l'interface air-diélectrique pour des durées pouvant atteindre voire dépasser la microseconde. L'intérêt de ce fort confinement des modes pour de longues durées est l'accentuation de l'interaction lumière-matière. Par conséquent, de nombreuses interactions non-linéaires telles que l'effet Kerr ou encore l'effet Brillouin à des puissances seuil inversement proportionnelles au carré voire au cube du facteur de qualité du résonateur ont lieu en son sein. Ces propriétés donnent accès à de nombreuses applications dans des domaines divers et variés tels que la spectroscopie, les télécommunications ou encore les micro-ondes. Les travaux de cette thèse ont pour but d'exploiter les non-linéarités Kerr et Brillouin dans les résonateurs à mode galerie à la longueur d'onde de 1550 nm afin de générer des micro-ondes ultra-stables à des fréquences comprises entre 5 et 30 GHz. Le premier chapitre introduit la théorie, la fabrication, le couplage et la caractérisation de résonateurs à des modes de galerie. Le second chapitre concerne la génération de micro-ondes. Nous y présentons nos résultats expérimentaux, la modélisation numérique de peignes de Kerr, ainsi que l'analyse d'instabilités oscillatoires d'origine thermique observées lors de nos travaux expérimentaux, puis nous concluons. Le dernier chapitre traite de l'interaction photons-phonons via le processus de diffusion Brillouin stimulée dans ces mêmes expérimentaux ainsi que le modèle temporel que nous avons développé pour suivre la dynamique de l'onde transmise et de celle rétrodiffusée. Le dernier chapitre conclue nos travaux. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont été financé par l'European Research Council dans le cadre du projet NextPhase.

Whispering galery mode resonators are dielectric cavities that support modes with ultra-high quality factor and small volume that remain confined in their inner periphery for time duratioons that can be as long as few microseconds. The strong confinement of these modes for such long durations strongly enhances nonlinear effect suchs as Kerr effect or Brillouin effect. These resonators can therefore be used for several applications such as spectroscopy, telecommunications or microwave generation. The objective of this thesis is to use Kerr and Brillouin nonlinearities in these resonators at the laser wavelength of 1550 nm, in order to generate high spectral purity microwave signals with frequencies rangong fros 5 to 30 GHz. The first chapter oh the thesis intriduces the theory, fabrication, coupling and characterisation of whispering gallery mode resonators. The second chapter is about the generation of Kerr optical frequency combs in these resonators and their application to the generation of microwave signals. We present our experimental resuktsdn the numerical modelling of Kerr combs, the analysis of oscillatory instabilities (due to thermal effect) observed during our experiments, and conclue. The third chapter concerns photon-phonon interactions via stimulated Brillouin scattering in these resonators and their application to the generation of microwave signals. We present our experimental results and the temporal model that we developed to track the dynamics of the forward and backscattered fields. The last chapter conclude the thesis. The research presented in this thesis has benne funded by the European Research Council through the project Nextphase.; Les résonateurs à modes de galerie sont des cavités diélectriques qui supportent des modes à très haut facteur de qualité et à faible volume qui demeurent confinés à l'interface air-diélectrique pour des durées pouvant atteindre voire dépasser la microseconde. L'intérêt de ce fort confinement des modes pour de longues durées est l'accentuation de l'interaction lumière-matière. Par conséquent, de nombreuses interactions non-linéaires telles que l'effet Kerr ou encore l'effet Brillouin à des puissances seuil inversement proportionnelles au carré voire au cube du facteur de qualité du résonateur ont lieu en son sein. Ces propriétés donnent accès à de nombreuses applications dans des domaines divers et variés tels que la spectroscopie, les télécommunications ou encore les micro-ondes. Les travaux de cette thèse ont pour but d'exploiter les non-linéarités Kerr et Brillouin dans les résonateurs à mode galerie à la longueur d'onde de 1550 nm afin de générer des micro-ondes ultra-stables à des fréquences comprises entre 5 et 30 GHz. Le premier chapitre introduit la théorie, la fabrication, le couplage et la caractérisation de résonateurs à des modes de galerie. Le second chapitre concerne la génération de micro-ondes. Nous y présentons nos résultats expérimentaux, la modélisation numérique de peignes de Kerr, ainsi que l'analyse d'instabilités oscillatoires d'origine thermique observées lors de nos travaux expérimentaux, puis nous concluons. Le dernier chapitre traite de l'interaction photons-phonons via le processus de diffusion Brillouin stimulée dans ces mêmes expérimentaux ainsi que le modèle temporel que nous avons développé pour suivre la dynamique de l'onde transmise et de celle rétrodiffusée. Le dernier chapitre conclue nos travaux. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont été financé par l'European Research Council dans le cadre du projet NextPhase.

The use of MEMS technologies in navigation measurements faces two main challenges.On the one hand, reliability improvement requires a deep understanding of MEMS failure mechanisms. These components are meant for long-term use and are subject to harsh mechanical and thermal constraints during their expected lifetime, usually longer than a decade. On the other hand, the replacement of macroscopic navigation sensors by MEMS components remains impossible as long as the performances of MEMS sensors do not match those of their macroscopic equivalents. With respect to these two challenges, the nonlinear behavior of MEMS resonators is usually seen as an obstacle, if not an insurmountable barrier to technological progress.However, nonlinear phenomena are actually a rich source of potential improvements. At the cost of increased mathematical complexity and specific design efforts, a precise model of MEMS nonlinear behaviors gives access to valuable information about the internal structure of the device. This information may then be used for failure detection and performance optimization.In this thesis, a linear and nonlinear characterization method is developed and experimentally-demonstrated. The knowledge of such nonlinear characteristics allows the determination of optimal operating points in terms of frequency stability and, hence, measurement accuracy., L’utilisation des technologies MEMS dans la navigation aéronautique présente deux difficultés majeures.D’une part, le bon fonctionnement des appareils de mesure de l’aviation civile requiert l’anticipation des défaillances susceptibles de se produire durant des décennies. D’autre part, le remplacement des capteurs macroscopiques traditionnels par des cellules MEMS ne peut se faire qu’à niveau de performances équivalent. Vis-à-vis de ces deux enjeux de fiabilité et de performance, le comportement fortement non-linéaire des résonateurs MEMS est souvent considéré comme un frein voire une limite infranchissable aux progrès technologiques.Cependant, l’exploitation de ces phénomènes non-linéaires constitue en réalité une source extrêmement riche d’améliorations. Au prix d’une complexité mathématique accrue et d’efforts de conception spécifiques, la modélisation précise des phénomènes non-linéaires affectant le comportement des MEMS donne accès à des informations précieuses, aussi bien pour la détection de défaillances que pour l’amélioration des performances.Dans cette thèse, on développe une procédure de caractérisation linéaire et non-linéaire de cellules MEMS résonantes. Après avoir démontré l’intérêt et vérifié expérimentalement la précision d’une telle caractérisation, on montre comment la connaissance des caractéristiques non-linéaires permet de déterminer des points de fonctionnement optimaux en termes de stabilité fréquentielle des capteurs oscillants, et donc de précision et de justesse des mesures.

Les oscillateurs sont présents dans tous les systèmes de communications que nous utilisons. Ils nous permettent de faire la synchronisation entre l’émetteur et le récepteur d’un message. La qualité de cette synchronisation dépend de la stabilité de l’oscillateur. Afin de caractériser cette stabilité dans le domaine fréquentiel, le bruit de phase est utilisé comme paramètre de référence. Un oscillateur qui délivre un signal avec une faible valeur de bruit de phase est un oscillateur de grande pureté spectrale. Les oscillateurs électroniques ont une bonne performance à basse fréquence. En mesure de la demande des systèmes de très haut débit, les oscillateurs électroniques ne sont pas capables de produire signaux qu’avec l’utilisation de multiplicateurs de fréquence qui ajoutent plusieurs éléments à la chaine de communication. Les systèmes hybrides permettent de prendre d’avantage la bonne performance de composants optiques en haute fréquence afin de les intégrer dans les systèmes électroniques et surmonter de cette façon-là les limitations fréquentielles des systèmes électroniques. Ce travail vise l’utilisation de la technique de verrouillage optique par injection du faisceau d’un laser maître vers la cavité d’un VCSEL sous modulation directe dans la boucle d’oscillation. La technique du verrouillage optique du VCSEL permets d’élargir la bande passante de modulation directe du VCSEL et réduire son bruit d’intensité (Relative Intensity Noise - RIN). La réduction du RIN a comme effet secondaire la réduction de la contribution du bruit additif dans l’oscillateur et, en conséquence, la réduction du bruit de phase de l’oscillateur. Oscillators are present in all telecommunication systems. They synchronize the emitter and receiver of a message. The quality of the synchronization depends on the oscillator stability. To characterize the frequency domain oscillator stability, the phase noise of the carrier is used as figure of merit. An oscillator delivering a low phase noise carrier is a high spectral purity oscillator. Electronic oscillators are high performing at low frequencies. As communications systems require high data rate transmission, the electronic oscillators uses frequency multipliers that degrades the spectral purity of the carrier. The hybrid systems take advantage of the good performance of optical components at high frequency with the goal to be integrated in the electronic systems to overcome frequency limitation issues. This work use the optical injection locking technique by injecting the laser beam of a master laser inside the cavity of a VCSEL under direct modulation. The optical injection locking technique enlarges the direct modulation bandwidth of the VCSEL and reduces the Relative Intensity noise of the laser (RIN). The RIN reduction has as side effect the reduction of the additive noise inside the oscillator and, in consequence, reducing the oscillator phase noise.

National audience; Etude théorique et expérimentale d'oscillateurs optoélectroniques couplés. Deux oscillateurs ont été réalisés et comparés vis à vis de leurs performances, l'un à 10 GHz et l'autre à 30 GHz. Le choix des composants, et en particulier de l'amplificateur optique, est discuté.

This thesis focuses on the radio-over-fiber (RoF) communication systems at millimeter frequencies in the frequency range 57-66 GHz and optical generation of a signal at millimeter-wave frequency band. The technique used is based on mode-locked laser diodes. The diodes employed in this work are in quantum dots (or quantum dashes) technology. In this thesis, several studies were conducted: the first relates the ability of integration these types of lasers in the RoF communication systems under direct or external modulation. The second study was devoted to propagation effects. An original technique was implemented to reduce the sensitivity to chromatic dispersion in an optical fiber. A study of the reduction of phase noise mode-locked lasers based on the observation of the reaction effect and against the external optical injection was presented., Ce travail de thèse porte sur les systèmes de communication radio-sur-fibre (RoF) aux fréquences millimétriques dans la gamme de fréquences 57-66 GHz et leur génération par voie optique. La technique utilisée repose sur l’emploi de diodes laser à verrouillage de modes à boites quantiques. Au cours de cette thèse, plusieurs études ont été effectuées : la première porte sur la capacité d’intégrer ces types des lasers dans des systèmes de communication RoF avec leurs performances sous modulation directe ou externe. La deuxième étude a été consacrée aux effets de la propagation de ces signaux dans des systèmes basés sur les lasers à blocage de modes. Une technique originale a été mise en place afin de réduire la sensibilité à la dispersion chromatique dans la fibre optique. Une étude de la réduction du bruit de phase des lasers à verrouillage de modes basée sur l’observation de l’effet de la contre réaction et l’injection optique externe a été également présentée.

This thesis focuses on the radio-over-fiber (RoF) communication systems at millimeter frequencies in the frequency range 57-66 GHz and optical generation of a signal at millimeter-wave frequency band. The technique used is based on mode-locked laser diodes. The diodes employed in this work are in quantum dots (or quantum dashes) technology. In this thesis, several studies were conducted: the first relates the ability of integration these types of lasers in the RoF communication systems under direct or external modulation. The second study was devoted to propagation effects. An original technique was implemented to reduce the sensitivity to chromatic dispersion in an optical fiber. A study of the reduction of phase noise mode-locked lasers based on the observation of the reaction effect and against the external optical injection was presented.; Ce travail de thèse porte sur les systèmes de communication radio-sur-fibre (RoF) aux fréquences millimétriques dans la gamme de fréquences 57-66 GHz et leur génération par voie optique. La technique utilisée repose sur l’emploi de diodes laser à verrouillage de modes à boites quantiques. Au cours de cette thèse, plusieurs études ont été effectuées : la première porte sur la capacité d’intégrer ces types des lasers dans des systèmes de communication RoF avec leurs performances sous modulation directe ou externe. La deuxième étude a été consacrée aux effets de la propagation de ces signaux dans des systèmes basés sur les lasers à blocage de modes. Une technique originale a été mise en place afin de réduire la sensibilité à la dispersion chromatique dans la fibre optique. Une étude de la réduction du bruit de phase des lasers à verrouillage de modes basée sur l’observation de l’effet de la contre réaction et l’injection optique externe a été également présentée.

Bit rates of high speed serial links (USB, SATA, PCI-express, etc.) have reached the multi-gigabits per second, and continue to increase. Two of the major electrical parameters used to characterize SerDes Integrated Circuit performance are the transmitted jitter at a given bit error rate (BER) and the receiver capacity to track jitter at a given BER.Modeling the phase noise of the different SerDes components, extracting the time jitter and decomposing it, would help designers to achieve desired Figure of Merit (FoM) for future SerDes versions. Generating white and colored noise synthetic jitter patterns would allow to better analyze the effect of jitter in a system for design verification.The phase locked loop (PLL) is one of the contributors of clock random and periodic jitter inside the system. This thesis presents a method for modeling the PLL with phase noise injection and estimating the time domain jitter. A time domain model including PLL loop nonlinearities is created in order to estimate jitter. A novel method for generating Gaussian distribution synthetic jitter patterns from colored noise profiles is also proposed.The Standard Organizations specify random and deterministic jitter budgets. In order to decompose the PLL output jitter (or the generated jitter from the proposed method), a new technique for jitter analysis and decomposition is proposed. Modeling simulation results correlate well with measurements and this technique will help designers to properly identify and quantify the sources of deterministic jitter and their impact on the SerDes system.We have developed a method, for specifying PLLs in terms of Phase Noise. This method works for any standard (USB, SATA, PCIe, …), and defines Phase noise profiles of the different parts of the PLL, in order to be sure that the standard requirements are satisfied in terms of Jitter., La vitesse des liens séries haut débit (USB, SATA, PCI-express, etc.) a atteint les multi-gigabits par seconde, et continue à augmenter. Deux des principaux paramètres électriques utilisés pour caractériser les performances des SerDes sont la gigue transmis à un niveau de taux d’erreur donné et la capacité du récepteur à suivre la gigue à un taux d’erreur donné.Modéliser le bruit de phase des différents components du SerDes, et extraire la gigue temporelle pour la décomposer, aideraient les ingénieurs en conception de circuits à atteindre les meilleurs résultats pour les futures versions des SerDes. Générer des patterns de gigue synthétiques de bruits blancs ou colorés permettrait de mieux analyser les effets de la gigue dans le système pendant la phase de vérification.La boucle d’asservissement de phase est un des contributeurs de la gigue d’horloge aléatoire et déterministe à l’intérieur du système. Cette thèse présente une méthode pour modéliser la boucle d’asservissement de phase avec injection du bruit de phase et estimation de la gigue temporelle. Un modèle dans le domaine temporel en incluant les effets de non-linéarité de la boucle a été créé pour estimer cette gigue. Une nouvelle méthode pour générer des patterns synthétiques de gigue avec une distribution Gaussienne à partir de profils de bruit de phase coloré a été proposée.Les standards spécifient des budgets séparés de gigue aléatoire et déterministe. Pour décomposer la gigue de la sortie de la boucle d’asservissement de phase (ou la gigue généré par la méthode présentée), une nouvelle technique pour analyser et décomposer la gigue a été proposée. Les résultats de modélisation corrèlent bien avec les mesures et cette technique aidera les ingénieurs de conception à identifier et quantifier proprement les sources de la gigue ainsi que leurs impacts dans les systèmes SerDes.Nous avons développé une méthode, pour spécifier la boucle d’asservissement de phase en termes de bruit de phase. Cette méthode est applicable à tout standard (USB, SATA, PCIe, …) et définit les profils de bruits de4phases pour les différentes parties de la boucle d’asservissement de phase, pour s’assurer que les requis des standards sont satisfaits en termes de gigue. Ces modèles nous ont également permis de générer les spécifications de la PLL, pour des standards différents.

This Ph.D. investigates the radio over fiber communication systems at mm-wave frequencies higher than 60 GHz. The thesis elaborates on three crucial issues in these systems including:phase noise measurement of unstable optically generated mm-wave signals, elimination ofphase noise impact on performance of radio over fiber systems using non-coherent down conversion technique, and studying the amplitude noise impacts on performance of system based on these detectors. In the first part of this work, a new digital phase noise measurement technique is presented which is able to extract the phase noise of any unstable mm-waveoptically generated signal. This technique is able to measure the phase noise for a widerange of offset frequencies from close-in phase noise to far noise floor by adapting frequency resolution of measurement and without considering small angle approximation. In the second part, we present a radio over fiber system at mm-wave frequency based on non-coherent electrical frequency down conversion stage using an envelope detector which is robust against phase and frequency fluctuations of the optically generated carrier signal. Finally, a the oreticaland experimental study of amplitude noise impact on performance of radio over fiber systemsbased on non-coherent receivers is presented. In this study, a simulation technique based ontheory is developed which is able to determine, among different optical and electrical noise, the one which has the dominant effect on EVM results. This simulation technique is based onobserving the EVM evolution versus received optical power., Ces travaux de recherche portent sur les systèmes de communication radio-sur-fibre aux fréquences millimétriques supérieures à 60 GHz. Cette thèse s’articule autour de trois problématiques cruciales pour ces systèmes : la mesure du bruit de phase des signaux millimétriques instables générés par voie optique, la suppression de l’impact du bruit de phase sur les performances des systèmes de communications radio-sur-fibre par l’utilisation de techniques de conversion de fréquence non-cohérente, et enfin l’étude de l’impact du bruit d’intensité sur les performances des systèmes à détection non-cohérente. La première partie du travail présente une nouvelle technique de détection numérique du bruit de phase, capable de mesurer le bruit de phase à n’importe quelle fréquence millimétrique générée par voie optique et donc le plus souvent instable. Il est possible de mesurer le bruit de phase pour une large gamme de fréquences de décalage, allant de fréquence très proches de la porteuse à des bruits lointains grâce à l’adaptation de la résolution fréquentielle de la mesure. Cette mesure se fait de plus sans l’approximation des petits angles, très souvent utilisés. Dans la deuxième partie, un système de communication millimétrique basé sur une détection non-cohérente est étudié. L’étage de conversion de fréquences électrique permettant l’analyse des signaux est réalisé avec une détection d’enveloppe, ce qui permet de s’affranchir des variations de phase et de fréquence de la porteuse générée par voie optique. Pour terminer, des études théoriques et expérimentales sont menées sur l’impact du bruit d’amplitude sur les systèmes radio-sur-fibre utilisant ce type de détection non-cohérente. Les simulations, basées sur des modèles théoriques, sont capables de déterminer quel bruit est prédominant lors des mesures d’EVM parmi les bruits optiques et électriques. Cette technique s’appuie sur l’observation de l’évolution de l’EVM sur la puissance optique reçue.

In recent decades, the microelectronics industry has experienced a wide democratization of the use of telecommunication applications. The improved process design and manufacturing have produced complex and high performance analog, mixed and radio frequency circuits for these applications. However, the test cost of these integrated circuits still represents a large part of the manufacturing cost. Indeed, very often, analog testing is not just a functional test but needs measurements for specification validations. These measurements require the use of dedicated instruments expensive resources on standard industrial test equipment.One of the essential but costly specifications to validate in RF circuitry is the phase noise level. The currently used industrial technique consists in capturing the signal from the circuit under test using an RF tester channel equipped with a high performance analog to digital converter; a Fourier transform is then applied to the digitized signal and the phase noise is measured on the resulting spectrum.The approach proposed in this thesis is to achieve the phase noise measurement using solely digital low-cost resources. The basic idea is to perform 1-bit capture of the analog signal with a standard digital channel and develop post-processing algorithms dedicated for phase noise evaluation from the zero-crossings of the signal.Two methods are presented. The first method is based on an estimate of the instantaneous signal frequency and an analysis of their dispersion induced by phase noise. This method imposes a strong constraint on the sampling frequency to be used and proved to be sensitive to noise amplitude, limiting the range of possible measures. A second method is then proposed to overcome these limitations. From the binary capture of the analog signal, a reconstruction of the instantaneous phase of the signal is carried out, then filtered and characterized by a common tool of frequency stability assessment: the Allan variance. This technique, robust to amplitude noise and jitter, can be parametrized and enables efficient characterization of phase noise without fundamental constraint.In addition to the simulations, these techniques are subject to a stochastic study and are validated experimentally on different types of signals to be measured - artificially generated or from chips on the market - and with different measuring instruments - on oscilloscope or industrial tester, in laboratory and on a production line-. An On-chip implementation is also proposed and validated with a FPGA prototype.; Au cours des dernières décennies, l’industrie de la micro-électronique a connu une large démocratisation de l’utilisation des applications de télécommunication. L’amélioration des procédés de conception et de fabrication ont permis de produire des circuits analogiques, mixtes et radiofréquences complexes et hautes performances pour ces applications. Toutefois, le coût de test de ces circuits intégrés représente encore une large part du coût de fabrication. En effet, très souvent, tester des fonctions analogiques ne se résume pas à un test fonctionnel mais signifie mesurer les spécifications du circuit. Ces mesures nécessitent l’utilisation d’instruments dédiés bien plus couteux que les ressources numériques disponibles sur un équipement de test industriel standard. Une des spécifications essentielle mais couteuse à caractériser pour les circuits RF est le niveau de bruit de phase. La technique actuellement utilisée en industrie consiste à capturer le signal à l’aide d’un canal testeur analogique équipé d’un convertisseur analogique-numérique hautes performances ; une transformée de Fourier est alors appliquée sur le signal numérisé et le bruit de phase est mesuré sur le spectre résultant. L’approche proposée dans cette thèse consiste à réaliser la mesure de bruit de phase en n’utilisant que des ressources digitales faible coût. L’idée fondamentale consiste à réaliser la capture 1-bit du signal analogique avec un canal numérique standard et à développer des algorithmes de post-traitement dédiés permettant de retrouver l’information relative au bruit de phase à partir d’une évaluation des temps de passages à zéro du signal. Deux méthodes sont présentées. La première méthode est basée sur une estimation de la fréquence instantanée du signal et une analyse de la dispersion induite par le bruit de phase. Cette méthode impose une contrainte forte quant à la fréquence d’échantillonnage à utiliser et s’est révélée sensible au bruit d’amplitude, limitant la gamme de mesures possibles. Une seconde méthode est alors proposée afin de s’affranchir de ces limitations. A partir de la capture binaire du signal analogique, une reconstruction de la phase instantanée du signal est réalisée, puis filtrée puis caractérisée grâce à un outil usuel d’évaluation de stabilité fréquentielle : la variance d’Allan. Cette technique, robuste au bruit d’amplitude et au jitter, peut être paramétrée et permet une caractérisation efficace du bruit de phase sans contrainte fondamentale. En plus des simulations, ces techniques font l‘objet d’une étude stochastique et sont validées expérimentalement sur différents types de signaux à mesurer – générés artificiellement ou provenant de puces sur le marché – et avec différentes conditions mesures – sur oscilloscope ou sur testeur industriel, en laboratoire et en production –. Une implémentation sur puce est aussi proposée et validée avec un prototype sur FPGA.

National audience; Une synthèse des travaux sur les oscillateurs électro-optiques est présentée, en particulier ceux menés ces dernières années en France dans le cadre de différents consortiums de recherche. Les résultats obtenus sont comparés aux alternatives existantes en hyperfréquences.

National audience; La simulation du bruit de phase des oscillateurs optoélectroniques est décrite, et plus particulièrement près de la porteuse (bruit en 1/f) qui est une limitation pour les systèmes à haute performance. Le processus principalement analysé est celui de la conversion du bruit d'amplitude du laser en bruit de phase RF. L'approche proposée démontre l'existence d'une puissance optique optimale, pour laquelle cette conversion est quasiment nulle, et par la suite permet une amélioration du bruit de phase des oscillateurs optoélectroniques basés sur des résonateurs optiques fibrés.

International audience; Ces travaux synthétisent des études basées sur l'exploitation d'un ensemble de moyens expérimentaux développés spécifiquement au sein de notre laboratoire, et de bancs de test du commerce, dans l'objectif de l'analyse de dispositifs actifs (transistors) dédiés à des applications hautes fréquences. Ces outils permettent des analyses orientées 'analyse de processus de défaillance', que nous illustrerons au travers de cas d'étude de filières à grande bande interdite GaN, ou encore des analyses spécifiques aux applications 'récepteurs faible bruit'. Les bancs de mesure relèvent de la métrologie du bruit basse fréquence, des mesures électriques impulsionnelles, mesures DLTS. Dans le second cas, les outils de métrologie du bruit haute fréquence permettent d'analyser les procédés technologiques en vue de l'optimisation des performances HF et en bruit des transistors pour la réalisation de circuits faible bruit: un ensemble de bancs unique en Europe nous permet de mesurer également le bruit de phase en oscillation et résiduel, le bruit HF sous signal de pompe.

The advancement of digital optical communication in the long-haul and access networks has triggered emerging technologies in the microwave/millimeter-wave domain. These hybrid systems are highly influenced not only by the optical link impairments but also electrical circuit effects. The optical and electrical effects can be well studied at the same time using computer aided tools by developing equivalent circuit models of the whole link components such as semiconductor lasers, modulators, photo detectors and optical fiber. In this thesis, circuit representations of the photonic link components are developed to study different architectures. Since the optical light source is the main limiting factor of the optical link, particular attention is given to including the most important characteristics of single mode semiconductor lasers. The laser equivalent circuit model which represents the envelope of the optical signal is modified to include the laser phase noise properties. This modification is particularly necessary to study systems where the optical phase noise is important. Such systems include optical remote heterodyne systems and optical self-heterodyne systems. Measurement results of the laser characteristics are compared with simulation results in order to validate the equivalent circuit model under different conditions. It is shown that the equivalent circuit model can precisely predict the component behaviors for system level simulations. To demonstrate the capability of the equivalent circuit model of the photonic link to analyze microwave/millimeter-wave systems, the new circuit model of the laser along with the behavioral models of other components are used to characterize different radio-over-fiber (RoF) links such as intensity modulation – direct detection (IM-DD) and optical heterodyne RoF systems. Wireless signal with specifications complying with IEEE 802.15.3c standard for the millimeter-wave frequency band is transmitted over the RoF links. The system performance is analyzed based on EVM evaluation. The analysis shows that effective analysis of microwave/millimeter-wave photonics systems is achieved by using circuit models which allows us to take into account both electrical and optical behaviors at the same time, L'avancement de la communication numérique optique dans les réseaux longue distance et d'accès a déclenché les technologies émergentes dans le domaine micro-ondes / ondes millimétriques. Ces systèmes hybrides sont fortement influencés non seulement par les déficiences de liens optiques mais aussi des effets de circuits électriques. Les effets optiques et électriques peuvent être ainsi étudiés en même temps en utilisant des outils assistés par ordinateur en développant des modèles de circuit équivalent de l'ensemble des composants de liaison tels que les lasers à semi-conducteurs, modulateurs, photo-détecteurs et fibre optique. Dans cette thèse, les représentations de circuit des composants de liaison photoniques sont développées pour étudier des architectures différentes. Depuis la source de lumière optique est le principal facteur limitant de la liaison optique, une attention particulière est accordée aux caractéristiques, y compris les plus importants de simples lasers en mode semi-conducteurs. Le modèle de circuit équivalent de laser qui représente l'enveloppe du signal optique est modifié pour inclure les propriétés de bruit de phase du laser. Cette modification est particulièrement nécessaire d'étudier les systèmes où le bruit de phase optique est important. Ces systèmes comprennent des systèmes de télécommande hétérodynes optiques et des systèmes auto-hétérodynes optiques. Les résultats de mesure des caractéristiques de laser sont comparés aux résultats de simulation afin de valider le modèle de circuit équivalent dans des conditions différentes. Il est démontré que le modèle de circuit équivalent peut prédire avec précision les comportements des composants pour les simulations au niveau du système. Pour démontrer la capacité du modèle de circuit équivalent de la liaison photonique pour analyser les systèmes micro-ondes / ondes millimétriques, le nouveau modèle de circuit du laser avec les modèles comportementaux des autres composants sont utilisés pour caractériser différents radio sur fibre (RoF) liens tels que la modulation d'intensité - détection directe (IM-DD) et les systèmes RoF hétérodynes optique. Signal sans fil avec des spécifications conformes à la norme de IEEE 802.15.3c pour la bande de fréquence à ondes millimétriques est transmis sur les liens RoF. La performance du système est analysée sur la base de l'évaluation de l'EVM. L'analyse montre que l'analyse efficace des systèmes de photonique micro-ondes / ondes millimétriques est obtenue en utilisant des modèles de circuit qui nous permet de prendre en compte les comportements à la fois électriques et optiques en même 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., 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.

Ce papier présente une approche simple et précise pour concevoir et optimiser les oscillateurs LC en utilisant le Coefficient d'Inversion (IC). Pour une amplitude et une fréquence d'oscillation données, nous pouvons déterminer toutes les variables du design afin d'obtenir le meilleur compromis entre consommation en courant et bruit de phase. Cette méthodologie est démontrée au travers de la conception d’un oscillateur de Pierce à 2,4 GHz. Elle a été vérifiée avec le modèle compact BSIM6 ainsi que les paramètres d’une technologie CMOS 40 nm.

Ce papier présente une approche simple et précise pour concevoir et optimiser les oscillateurs LC en utilisant le Coefficient d’Inversion (IC). Pour une amplitude et une fréquence d’oscillation données, nous pouvons déterminer toutes les variables du design afin d’obtenir le meilleur compromis entre consommation en courant et bruit de phase. Cette méthodologie est démontrée au travers de la conception d’un oscillateur de Pierce à 2,4 GHz. Elle a été vérifiée avec le modèle compact BSIM6 ainsi que les paramètres d’une technologie CMOS 40 nm.

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.; 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.

The objectives of this thesis is the developement of two optoelectronic oscillator architectures dedicated to the generation of low noise microwave signals for radar applications. The first oscillator is based on the stabilization of the beatnote of a widely tunable dual- frequency laser with an optical fiber delay line. A fine analysis of the stabilization loop im- plemented with a 100 m long optical fiber allowed us to reach the technical limit fixed by the loop microwave amplifiers. The oscillator is tunable from 2.5 to 5.5 GHz by 2 MHz steps and present a phase noise power spectral density of -105 dBc/Hz at 10 kHz o ff set from the carrier (performance independent of the carrier frequency). The use of two optical fibers in a double delay lines architecture and of a fiber ring resonator as a delay line are also investigated. The second architecture developed is a coupled optoelectronic oscillator (COEO). The ar- chitecture, similar to a regenerative mode-locked laser, is realized by coupling a resonant laser cavity to a resonant optoelectronic loop. The developpement of this oscillator is based on a new architecture of SOA : an asymmetrical cladding semiconductor optical amplifier. This com- ponent o ff ers better saturation power and lower intrinsic noise than the « classical » design. The COEO operates around 10 GHz. A phase noise power spectral density of -135 dBc/Hz is measured at 10 kHz o ff set from the carrier.; L'objectif de cette thèse est le développement de deux architectures d'oscillateurs optoélectroniques (OEO) afin de générer des signaux microondes très stables pour des applica- tions radar. La première architecture réalisée consiste à stabiliser le signal d'un laser bifréquence avec une boucle à verrouillage de fréquence optique. L'étude théorique et expérimentale du système a permis d'améliorer significativement la pureté spectrale du signal délivré par le laser. Implémenté avec une fibre optique de 100 m de long, l'oscillateur présente un bruit de phase de -105 dBc/Hz à 10 Hz de la porteuse avec une accordabilité de 2,5 à 5,5 GHz par pas de 2 MHz. Ces résultats correspondent aux limites techniques fixées par les composants hyperfréquences utilisés pour la boucle de stabilisation. L'implémentation de la boucle avec deux retards optiques en parallèles ou avec un anneau de fibre résonant comme retard optique est également étudiée. La seconde architecture développée est un oscillateur optoélectroniques couplé (COEO). Celle-ci, similaire à celle d'un laser à verrouillage de modes régénératif, résulte de l'imbrication d'un cavité laser à modes bloqués et d'une cavité optoélectronique résonante. Le développement du laser autour d'un amplificateur optique à semiconducteur (SOA) « à semelle » permet de tirer parti d'une puissance de saturation élevée et du faible bruit inhérent à ces composants. Nous mesurons avec ce dispositif une densité spectrale de puissance de bruit de phase de -135 dBc/Hz à 10 Hz de la porteuse à 10 GHz

Eliminating the step of frequency multiplication, by working in baseband, reduces the phase noise of an oscillator. However, the design of a high frequency oscillator requires a frequency selective component, which operates at high frequency and with a high quality factor. The approach proposed in this thesis is to evaluate a High-overtone Bulk Acoustic-wave Resonator, the HBAR, for the realization of a compact and stable oscillator at 2.45 GHz for a RADAR system. The designed oscillator exhibits a phase noise of −100 dBc/Hz at 1 kHz from the carrier, with an expected improvement of a dozen dBc/Hz according to the simulation. The study also focuses on the analysis of the local oscillator phase noise impact on the resolution of a RADAR measurement and an experimental demonstration is done using a delay line surface acoustic wave (SAW) as cooperative RADAR target. The work on this cooperative target has lead to a prototype of an embedded electronics for interrogating surface acoustic wave delay lines used as passive sensors remotely interrogated through a wireless link. The architecture combines the pulsed RADAR signal generation method with an equivalent time sampling system in order to reduce the computing power needed to process the response. The disadvantages of equivalent time sampling are minimized by a smart interrogation strategy to acquire only mandatory samples. Measurements on a commercial temperature sensor have a resolution of 0.2°C with a 35 kHz bandwidth. For applications in need of higher bandwidth (up to 200 kHz), a second prototype with no restriction on computing resources is also presented in this thesis, combining the same impulse RADAR method with real-time sampling., 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.

Eliminating the step of frequency multiplication, by working in baseband, reduces the phase noise of an oscillator. However, the design of a high frequency oscillator requires a frequency selective component, which operates at high frequency and with a high quality factor. The approach proposed in this thesis is to evaluate a High-overtone Bulk Acoustic-wave Resonator, the HBAR, for the realization of a compact and stable oscillator at 2.45 GHz for a RADAR system. The designed oscillator exhibits a phase noise of −100 dBc/Hz at 1 kHz from the carrier, with an expected improvement of a dozen dBc/Hz according to the simulation. The study also focuses on the analysis of the local oscillator phase noise impact on the resolution of a RADAR measurement and an experimental demonstration is done using a delay line surface acoustic wave (SAW) as cooperative RADAR target. The work on this cooperative target has lead to a prototype of an embedded electronics for interrogating surface acoustic wave delay lines used as passive sensors remotely interrogated through a wireless link. The architecture combines the pulsed RADAR signal generation method with an equivalent time sampling system in order to reduce the computing power needed to process the response. The disadvantages of equivalent time sampling are minimized by a smart interrogation strategy to acquire only mandatory samples. Measurements on a commercial temperature sensor have a resolution of 0.2°C with a 35 kHz bandwidth. For applications in need of higher bandwidth (up to 200 kHz), a second prototype with no restriction on computing resources is also presented in this thesis, combining the same impulse RADAR method with real-time sampling.; 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.

National audience; Cette communication présente un bilan de travaux menés en France dans le domaine des oscillateurs optoélectroniques. Plusieurs topologies sont comparées, utilisant des lignes à retard, des résonateurs fibrés actifs et passifs, et des résonateurs à modes de galerie.

MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensors are micro-systems implementing various fields of physics (electronical, mechanical, chemical, optical, ...) and measuring various physical quantities (acceleration, pressure, temperature ...). The vibrating MEMS are characterized by a micro-resonator vibrating at its resonant frequency. The frequency variation is proportional to the measurand. This thesis is concerned with analyzing and identifying the frequency resolution limits of these vibrating sensors by performing multiphysics modeling. The first step is to model the multiphysics behavior of a vibrating MEMS sensor with three transduction types (piezoelectrical, electrostatical and optical). Secondly, the equations developed are validated, based on simulations with Cadence (multiphysique language Verilog-A) and their comparaison with experimental measurements. The last section presents the micro-accelerometer VIA (Vibrating Inertial Accelerometer) optimization and the nonlinearities cancellation study for improving the resolution of vibrating MEMS sensor, Les capteurs de type MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sont des microsystèmes mettant en œuvre différents domaines de la physique (électronique, mécanique, chimie, optique,...) et permettant de mesurer différentes grandeurs physiques (accélération, pression, température...). Parmi ces micro-capteurs, les MEMS vibrants se caractérisent par leur structure présentant un micro-résonateur mis en vibration à sa fréquence de résonance et la variation de cette fréquence est représentative du mesurande. Cette thèse s'intéresse principalement à analyser et identifier les limites de résolution fréquentielle de ces capteurs vibrants en effectuant une modélisation multiphysique. Dans un premier temps, nous avons modélisé le comportement multiphysique d'un capteur MEMS vibrant en détaillant trois types de transduction (piézoélectrique, électrostatique et optique). La seconde partie a permis de valider les équations développées en se basant sur les simulations sous Cadence (langage multiphysque Verilog-A) et en les validant par des mesures expérimentales. La dernière partie traite de l'optimisation d'un micro-accéléromètre de type VIA (Vibrating Inertial Accelerometer) et l'étude de l'annulation des non linéarités permettant d'améliorer la résolution d'un capteur MEMS vibrant

National audience; Les spurs sont des fuites issues des horloges internes d'un terminal Radio-Fréquence. Ces fuites se caractérisent par des fréquences pures, qui viennent polluer le signal d'émission ou de réception. On se propose ici d'étudier une méthode active d'annulation d'une spur basée sur un algorithme des moindres carrés (LMS), en utilisant une référence construite à partir de la connaissance de la pulsation a priori du pollueur. Toutefois, cette référence n'est pas une image parfaite de la spur, du fait d'une imprécision de la pulsation réelle ou de la présence de bruit de phase. On apporte une étude analytique complète (performances asymptotiques, pas optimal) des performances de l'algorithme en présence d'un décalage de pulsation (DP) ou d'un bruit de phase (BP). Par ailleurs, on propose une surcouche adaptative originale à l'algorithme LMS pour accélérer sa convergence en maintenant les mêmes performances asymptotiques.

Optics represents an elegant and reliable solution to generate high spectral purity microwave signals, especially the approach using the optoelectronic oscillator (OEO). The spectral purity of these sources is very important for space and military applications and also for time and frequency domain metrology. During this thesis, we have fabricated and studied many types of resonator based OEO in order to optimize the system phase noise. We have especially investigated an original approach using a passive fiber ring resonator (FRR). This resonator type can feature optical quality factors higher than 109 when only few meters of optical fibers are used (L ~ 10 m) and it can be easily integrated in a planar setup. Moreover, we have performed an important work on 3D WGM resonators based oscillators. In the FRR based OEO, spectacular progresses have been achieved thanks to a good understanding of the system intrinsic noise phenomena. Actually, we have found that the most important noise parameters were the laser FM and AM noise conversion into RF phase noise by means of different nonlinearities in the system (like the photodiode nonlinearity), but also by the generation of nonlinear optical effects inside the resonator. By controlling these effects, we have been able to reduce the OEO phase noise level and to reach a -128 dBc/Hz noise level at 10 kHz offset frequency from a 10.2 GHz carrier. This has been achieved using an OEO based on a 100m-long passive FRR, which has been optimized and immunized against different nonlinear optical effects.; L'optique constitue aujourd'hui une solution performante pour la réalisation de sources très pures en hyperfréquences, en particulier grâce à l'approche de l'oscillateur électro-optique (OEO). La pureté spectrale de ces sources est essentielle pour les applications spatiales, militaires et pour la métrologie du temps et des fréquences. Durant cette thèse, nous avons réalisé et étudié différents types d'OEO à résonateur optique en vue d'optimiser le bruit de phase de ce système. Nous avons en particulier orienté nos travaux vers une approche originale utilisant un anneau résonant fibré (ARF) passif. Ce type de résonateur présente en effet des coefficients de qualité optiques supérieurs à 109 pour des longueurs de fibre restant relativement faibles (L ~ 10 m) et facilement intégrables dans un support planaire. En parallèle, nous avons mené un travail important sur les oscillateurs à base de résonateurs optiques 3D. Concernant l'OEO à ARF, des progrès spectaculaires ont pu être obtenus grâce à une meilleure compréhension des phénomènes de bruit intrinsèques à ce système. Les deux types de bruit prépondérants étaient la conversion du bruit du laser (FM et AM) en bruit de phase RF par différentes non-linéarités (dont la photodiode) et le déclenchement d'effets non-linéaires optiques à l'intérieur du résonateur. Le contrôle de ces effets a permis en particulier d'éliminer des remontées importantes de bruit sur le spectre de l'oscillateur, et d'atteindre un niveau de bruit de phase de -128 dBc/Hz à 10 kHz de la porteuse à 10.2 GHz en utilisant un OEO à base d'un ARF passif de 100 mètres de longueur, optimisé et immunisé contre les effets non-linéaires optiques.

Les systèmes de communications mobiles d'aujourd'hui exigent une qualité plus élevée de communication, des débits plus élevés, une opération de fréquence plus élevée, et plus de canaux par largeur de bande d'unité. Dans le domaine de télécommunication, les synthétiseurs de fréquences trouvent leurs applications dans de nombreux dispositifs, émetteur, récepteur. Le but essentiel de notre travail, consiste à analyser et à simmuler le bruit de phase d’un synthétiseur de fréquences pour les commmunications mobiles sur UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) opérant dans la bande (1920-1980) MHz pour l’émission et la bande (2110-2170) MHz pour la réception. Sciences of Electronics,Technologie of Information and Telecommunication (2012).

This thesis presents the results of investigation of bulk-acoustic-wave (BAW) resonators working at cryogenic temperatures (over 3K-15K, in a pulse-tube cryocooler) along with the systems built with these devices. The first aspect of the work is dedicated to the operation of different devices, and particularly the BAW resonators. Their behavior is more systematically studied over a frequency range of 1−90 MHz. Quality factors of 417 * 106 and Q* f-products (Q-factor at frequency f) up to 3.07 * 1016 Hz have been measured for quartz resonators, outstanding values that are word records of this class of devices. It is shown that the intrinsic Q-factor does not depend of the frequency f, at these temperatures, in agreement with the Landau-Rumer theory. Problems and advantages of operating at such temperatures are assessed. Related limitations are discussed. Other passive and active electronic devices, such as transistors, are also under scope of this work. The choice of appropriate components is made based on comparison of their behavior at 4K. The results are confirmed with a successful design of liquid helium amplifiers. The second aspect of the thesis is the modeling and simulation of the studied devices and systems. The report presents a rigorous model of the BAW device phase noise taking into account device nonlinearities based on the averaging approach. This MIMO (multiple-input and multiple-output) model is used to derive impacts of different oscillator parameters to its phase noise and to explain experimental results. Accurate models of other electronics devices working at liquid helium temperatures are also derived. They are used for simulation and optimization of cryogenic, oscillators, etc. The third aspect concerns frequency sources based on these cryogenic BAW resonators: a cryogenic passive closed loop reference system and an oscillator. The implemented systems allowed measuring and characterizing the resonator phase noise at the given conditions. Thus, some noise sources have been identified. The tested feedback stabilization systems achieve fractional frequency stability of 4 * 10−13 at 100 seconds and have stability better than 10−12 between 1 and 2000 seconds. The implemented oscillator exhibits frequency stability of 1.5*10−12 at 200 seconds and better than 10−11 for averaging times greater than 80 ms. Limitations of these systems are discussed based on the obtained data.; 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.

This works consists of studying and fabricating waveguides resonators exploiting composite substrates with periodically poled ferroelectric materials capable of meeting the need of high-frequency sources for the concerned applications (radar detection). The idea consists of using a waveguide based on a Periodically Poled Transducer (PPT) realized on a ferroeclectric single-crystal substrate such as lithium niobate or tantalate inserted between two single-crystal substrates allowing the guidance of waves without losses. Several devices have been successfully fabricated. First of all PPTs on lithium niobate and tantalate have been fabricated with transducers of different periods allowing the excitation of elastic waves of 30 MHz to 1,3 GHz. Then an oscillator stabilized by a waveguide resonator operating at 131 MHz appeared with encouraging characteristics. A phase noise has then been measured at -165 dBc/Hz at 100 kHz from the carrier with an input power of 2 mW and a frequency stability of 109 (oscillator without temperature compensation and with a -50 ppm/K resonator temperature drift). Other resonators on waveguides exploiting thinned PPTs (around thirty microns) allowed the excitation of only one contribution with a thermal sensibility equal to the one of the guiding materials (-30 ppm/K for silicon). Finally a new system based on a periodically poled bridge is presented. It is characterized by its remarkable properties in particular the excitation of waves with phase velocity higher than 10000 m.s1 and presenting electromechanical coupling coefficients of more than 10 % able to answer applications of wide filtering for the mobile telephony., Ce mémoire présente l'étude et la fabrication de résonateurs sur guide d'ondes exploitant des substrats composites à base de matériau ferroélectrique polarisé périodiquement capables de répondre aux besoins de sources hautes fréquences dont les caractéristiques sont compatibles avec les applications concernées (détection radar). L'idée consiste à utiliser un guide d'ondes fondé sur un Transducteur à domaines ferroélectriques Polarisés Périodiquement (TPP) réalisé sur un substrat ferroélectrique mono-cristallin tel que le niobate ou le tantalate de lithium, placé entre deux substrats mono-cristallins permettant le guidage d'ondes sans pertes. Plusieurs dispositifs ont été fabriqués avec succès. Tout d'abord, des TPPs de différentes périodes (de 200 à 5 μm) ont été réalisés permettant l'excitation d'ondes élastiques de 30 MHz à 1,3 GHz. Ensuite, un oscillateur à 131 MHz stabilisé par un résonateur sur guide d'ondes a vu le jour avec des caractéristiques encourageantes. En effet, un palier de bruit de phase a été mesuré à -165 dBc/Hz à 100 kHz de la porteuse avec une puissance en entrée du résonateur de 2 mW et une stabilité de fréquence court terme de 109 (oscillateur non thermostaté avec une dérive en température du résonateur de -50 ppm/K). D'autres résonateurs sur guide d'ondes exploitant des TPPs amincis à une trentaine de microns ont permis de mettre en évidence l'excitation d'un mode pur spectralement avec une dérive thermique avoisinant celle des matériaux de guidage (soit -30 ppm/K avec du silicium). Enfin, un nouveau système fondé sur des barreaux polarisés périodiquement est présenté. Il se caractérise par ses propriétés remarquables et notamment avec l'excitation d'ondes à vitesse de phase supérieure à 10000 m.s1 et présentant des coefficients de couplage électromécanique de plus de 10%capable de répondre à des applications de filtrage large bande pour la téléphonie mobile.