Academic literature on the topic 'Oscillateur à verrouillage par injection'

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<br>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

Cette thèse porte sur l’analyse et la conception de générateurs de fréquence millimétrique à faible bruit de phase destinés à des applications de communication sans fil de très haut débit sur une technologie BiCMOS 0.25m. Spécifiquement, des applications backhauling sont visées sur le protocole de communication P2P (point-to-point), pour un système de radio hétérodyne (à faible fréquence intermédiaire) approprié pour les bandes entre 30–38GHz et de faible profondeur de modulation (2-3 bits /symbole). Une étude rigoureuse du comportement du bruit de phase en 1/f2 d’un oscillateur contrôlé en tension (du type paire différentielle croisée) en fonction de la fréquence d’oscillation est développée. Des facteurs essentiels pour la conception de ces oscillateurs tels que la plage de fréquence et la charge de la paire croisée sur le résonateur sont pris en compte dans l’analyse. L’étude révèle que lorsque la fréquence augmente, l’oscillateur passe à travers deux régimes d’opération différents, ici appelés région QL-limited et région QC- limited, qui résultent de la dépendance du facteur de qualité du résonateur à sa partie inductive (pour les basses fréquences d’oscillation) et sa partie capacitive (pour les hautes fréquences d’oscillation). De plus, l’impact de la plage de fréquence sur l’évolution du bruit de phase en 1/f2 a été considéré en utilisant un circuit classique à base d’un varactor et d’un condensateur du type MiM. Des équations simples et précises ont été calculées pour les paramètres du circuit afin d’obtenir une fréquence centrale souhaitée avec la variation de la capacité requise. Pour ce circuit, il a été démontré (et vérifié à travers des simulations du circuit) que le pire scénario du facteur de qualité peut être associé à la constante de temps d’un condensateur. Ce dernier a permis d’estimer aisément le facteur de qualité minimal de la partie capacitive du résonateur LC de l’oscillateur, pour une plage de fréquence donnée, en fonction de la fréquence d’oscillation. D’une manière similaire, et basée sur une analyse à petit signal, la constante de temps de la capacité de sortie de la paire croisé a été déterminée. Notamment cette constante de temps présente un comportement constant sur une large gamme de fréquences, ce qui permet d’évaluer facilement son facteur de qualité. Cette étude fournit les bases théoriques qui permettent l’évaluation du bruit de phase en 1/f2 d’une source de signal basée sur un oscillateur en mode fondamental, super-harmonique ou sous-harmonique. En effet, la supériorité des oscillateurs sous-harmoniques est démontrée et des équations simples sont proposées pour déterminer la performance maximale et les conditions dans lesquelles elles peuvent être atteintes. Enfin, un système de génération de signal est ainsi conçu et vérifié par des mesures sur un prototype. Le système est composé d’un VCO sous-harmonique suivi d’un tripleur de fréquence (ILFT) –verrouillé par injection. Le circuit est implémenté sur une technologie SiGe:C BiCMOS 0.25 m. Le tripleur implémente une configuration à émetteur commun, polarisé en courant, qui exploite la seconde harmonique du VCO afin d’améliorer l’efficacité de la génération du signal responsable de verrouiller le ILFT. A 30.8 GHz, le système atteint un bruit de phase de -112 dBc/Hz à 1MHz d’offset. La consommation totale de courant est de 38mA pour une tension d’alimentation de 2.5V. Un deuxième prototype a été réalisé pour un système de génération multibande, offrant ainsi trois sorties RF à 18 GHz, 34GHz et 68 GHz. Avec une plage de fréquence de 10% (mesurée par rapport à la fréquence centrale) pour chaque sortie RF. Le bruit de phase mesuré à 1MHz d’offset est respectivement de -113dBc/Hz, -107dBc/Hz et -100dBc/Hz<br>This thesis deals with the analysis and design of Low phase Noise Local-Oscillator(LO) sources suitable for backhauling applications on the frequencies 30-38GHz. The LO is intended to be used in a low-IF architecture for low order modulations (2-3 bits/symbol). This work was developed in collaboration with NXP Semiconductorsat CAEN, France, within the project RF2THz of the European program CATRENE.The original contributions in this work include a rigorous study of the 1/f2 phasenoise characteristics of the VCO (bipolar cross-coupled pair Voltage-Controlled-Oscillator) with the oscillating frequency. Key factors in the design of VCOs such as tuning range and the tank load given by the cross-coupled pair are considered in the analysis. The study reveals that as the frequency scales, the VCO passes through two different zones, named the QL-limited and the QC-limited region, that results from the dependence of the resonator quality factor on its inductive part (for low oscillating frequencies) and its capacitive part (for high oscillating frequencies). Moreover, the impact of the tuning range on the 1/f2 phase noise evolution was captured by using a classical circuit based on an AC-coupled varactor and a MiM capacitor. Simple and accurate equations were derived for the circuit parameters in order to achieve a desired central frequency with the required capacitance variation. For this circuit, it is demonstrated (and verified through circuit simulations) that the lowest quality factor scenario can be associated to the time-constant of a lossy capacitor. The latter allows to estimate easily the minimum quality factor of the capacitive part of the VCO LC tank, for a given tuning range, as a function of the oscillating frequency. In a similar way, and based on a small signal analysis, the time-constant of the output capacitance of the bipolar cross-coupled pair was derived. Interesting, this time constant shows a constant behavior over a wide frequency range, thereby allowing to estimate easily its quality factor. This study set the bases for an analytical framework that enables the evaluation of the 1/f2 phase noise performances of local oscillator sources working either on fundamental,super-harmonic or sub-harmonic mode. The superiority in terms of 1/f2 phase noise of local oscillators based on sub-harmonic oscillators is thus demonstrated and simple equations are derived to determine the maximum performance and the conditions on which this can be achieved. Finally, a signal generation system intended for a low-IF point-to-point fixed radio system in the Ka-Band band is thus designed and verified through prototype measurements.The system is composed by a sub-harmonic VCO followed by an injectionlocked frequency tripler (ILFT) and it is designed in a 0.25m BiCMOS SiGe:C technology. The ILFT implements a cascode current-biased common emitter configuration that exploits the second harmonic of the VCO to enhance the efficiency in the generation of the injecting signal responsible for the ILFT locking. At 30.8GHz, the system achieves a phase noise of -112dBc/Hz at 1MHz offset. The total current consumption is 38mA for a supply voltage of 2.5V. A second prototype is designed for a multiband LO generation, providing thus three RF outputs at 18GHz, 34GHz and 68GHz. With a measured tuning range of 10% for each RF output, the measured phase noise at 1MHz is -113dBc/Hz, -107dBc/Hz and -100dBc/Hz respectively

La résolution de problèmes d'optimisation très complexes nécessite souvent des ressources importantes en utilisant des architectures informatiques standard. Afin de répondre à ce type de problématique, le concept de machine d’Ising (IM) a été proposé comme une approche informatique à base consommation énergétique. Une implémentation matérielle possible de la machine d'Ising est basée sur un système de nano-oscillateurs à couple de transfert de spin (STNO) couplés collectivement. Dans ce concept la solution au problème d'optimisation corresponde à une configuration optimale de phases (ψ1, ψ2, ...) où ψi est la différence de phase de chaque STNO i avec un signal 2f externe.Dans ce projet, nous avons étudié par simulation numérique en profondeur un tel système de STNOs couplés, en nous concentrant sur la compréhension physique des propriétés de verrouillage par injection. L'analyse a été menée selon une approche ascendante, depuis les éléments individuels de l'implémentation IM jusqu'à un ensemble complet de STNO couplés.Dans une machine Ising, les STNO sont soumis aux signaux 1f et 2f, ici par nf, nous entendons que la fréquence du signal de couplage est environ « n » fois la fréquence propre du STNO. Nous avons commencé par analyser le couplage d'un STNO à un signal 1f et à un signal 2f indépendamment l'un de l'autre. En ce qui concerne le cas 1f, le modèle analytique de verrouillage par injection ne prédit pas la synchronisation sous un signal RF aligné avec l'axe facile du STNO. Cependant les simulations numériques ont permis de la mettre en évidence lorsque la symétrie de la trajectoire de l'aimantation le long de l'axe facile est rompue. Ce résultat est important car il s'agit d'un effet qui pourrait se produire lors du couplage des STNO pour la réalisation de la machine Ising. En ce qui concerne le cas 2f, on constate qu'un champ magnétique 2f orienté le long de l'axe facile du STNO mène à de meilleures caractéristiques de synchronisation qu'un courant 2f polarisé en spin.Dans un deuxièmement temps, nous avons étudié deux STNO couplés qui sont verrouillés par injection 2f, ce qui représente simplement une machine Ising à deux spins. On constate que la configuration des phases (ψ1, ψ2) ou solution optimale dépend fortement du désaccord de fréquence et de la phase de couplage qui caractérise le couplage mutuel. En outre, la tension continue peut modifier la solution lorsque le couplage mutuel est mis en œuvre par le biais de la tension, mais cette propriété n'est pas observée pour le couplage par champ magnétique.Nous avons effectué des simulations numériques sur des réseaux de trois, quatre et huit STNO couplés, et analysé si la configuration de phase optimale correspond à la solution d'un problème d'optimisation MaxCut. Un résultat important est que la configuration optimale dépend du désaccord de fréquence et qu'elle est très sensible aux changements de force de couplage<br>Solving highly complex optimization problems often requires significant resources using traditional computer hardware. To tackle such problems, Ising machines (IM) have been proposed as an energy-efficient computing approach. One possible hardware implementation of the Ising machine is based on a system of coupled spin torque nano-oscillators (STNO), the solution to the optimization problem being given by an optimal phase configuration (ψ1, ψ2, ...) where ψi is the phase difference of each STNO i with an external 2f signal.In this project, we have extensively studied by numerical simulation such a coupled STNO system, focusing on the physical understanding of injection-locking properties. The analysis has been conducted in a bottom-up approach from individual elements of the IM implementation to a complete set of coupled STNOs.First, we consider the injection locking of STNOs that is at the base of IM application. For this the STNOs are subjected to RF signals whose frequency frf is approximately “n” times the free-running frequency of the STNO frf=nfSTNO. We begin by analyzing the coupling of an STNO to a 1f signal (n=1) and a 2f signal (n=2) independently. Regarding the 1f-case, synchronization under an rf signal aligned with the easy axis of the STNO is found when the symmetry of the magnetization trajectory along the easy axis is broken. This is unexpected according to the analytical model of injection-locking, but is important because it will be relevant when coupling STNOs within a network such as IMs. Regarding the 2f-case, it is found that a magnetic rf field oriented along the easy axis of the STNO has better synchronization characteristics than an rf current.Secondly, we investigated two coupled STNOs that are 2f injection locked. This represents a basic IM with two spins. The phase configuration (ψ1, ψ2), is studied. It is found that the optimal phase configuration or solution depends strongly on the frequency detuning and the coupling phase which characterizes the mutual coupling. Besides, the DC voltage can alter the solution when the mutual coupling is implemented through voltage, but this property is not observed for magnetic field coupling.We then carried out numerical simulations on arrays of three, four and eight coupled STNOs, and analyzed whether the optimal phase configuration corresponds to the solution of a MaxCut optimization problem. As an important outcome, it was found that the optimal configuration depends on frequency detuning, and is highly sensitive to changes in coupling strength

Cette thèse est divisée en trois parties. La première partie rassemble les éléments théoriques de l'étude concernant respectivement -i) la cinétique du milieu amplificateur CO2 -ii) la description des modes des résonateurs -iii) le verrouillage par injection continue des lasers impulsionnels. La deuxième partie rapporte la réalisation d'un laser CO2 TEA d'énergie 1-10 Joule, sa caractérisation électrique et optique, les résultats de verrouillage suivant différentes configurations et la confrontation expérience théorie. La détection hétérodyne des impulsions permet de mesurer les principales caractéristiques du verrouillage monomode par injection: la largeur de la bande de verrouillage et l'intensité minimum requise. D'autres schémas d'injection sont considérés : -i) l'injection continue dans un laser en anneau -ii) l'injection bimode transverse dans un lasser à résonateur instable. La troisième partie de la thèse est une étude détaillée des variations de fréquence et des effets d'indice de réfraction qui en sont responsables. Au cours de cette thèse, des performances nouvelles ont été obtenues de grand intérêt pour les applications LIDAR. En particulier, c'est la première fois que grâce à l'emploi d'un résonateur instable, des impulsions monomodes de 1 Joule et durant 5μs sont obtenues à 10 μm avec des puissances injectées aussi faibles que 200nW. Il est également démontré que la dérive de fréquence peut être considérablement réduite. C'est enfin la première fois que le fonctionnement bimode longitudinal d'un laser de grande énergie est contrôlé par l'injection d'un faible signal dans la cavité<br>This thesis is divided into three parts. The first part gives the theorical elements of the study respectively related to i) The kinetics C0₂ amplifier medium. Ii) The description of resonator modes. Iii) The CW injection of pulsed lasers. In the second part are reported the realization of a 1-10 J TEA C0₂ laser, its optical and electrical characterization, the injection-locking results for varions configurations and their comparison with theory. As the major point, the performance of stable- and unstable­ resonator TEA C0₂ lasers are compared in the case of CW single-mode injection. The heterodyne detection of the pulses allows to measure the main characteristics of single-mode injection-locking : the locking band-width and the minimum injection intensity. Other injection schemes are considered. I) The CW single mode injection in a ring resonator. Ii) The two transverse mode injection in a laser with an unstable resonator. The third part of the thesis is a detailed study of intra-pulse frequency variations and the refractive index effects in the amplifier medium. In the course of this work, new performances have been obtained of great interest for LIDAR applications. Lt is the first time that 5 μS 1 J single longitudinal mode pulses are obtained at 10 μm with unstable resonator lasers for injected powers as low as 200nW. Lt is also demonstrated that the frequency chirping can be considerably reduced. Finally it is the first time that two longitudinal mode operation of a high­ energy laser is controlled with the injection of a weak signal into the laser cavity

Cette thèse concerne l’étude du verrouillage par injection dans les lasers impulsionnels de grande puissance. Une analyse théorique du verrouillage de mode dans les lasers impulsionnels est présentée. Une théorie multimode est développée sur la base du traitement semi-classique du laser à champ faible. Le verrouillage par injection continue fait l’objet d’une étude approfondie. Il est clairement démontré que le verrouillage par injection d’un champ faible dans un laser impulsionnel multimode est un verrouillage de mode(s) quelle que soit la durée du champ d’injection. Le traitement présenté décrit tout aussi bien la génération d’impulsions brèves par injection. Une revue des propriétés énergétiques de l’oscillateur-laser TEA CO₂ est présentée, que ce soit en présence ou en l’absence d’injection. Une étude expérimentale fine de l’injection continue est appliquée au cas du laser TEA CO₂ muni d’un résonateur stable. Des mesures de fréquence ont été réalisées suivant un schéma original d’hétérodynage à haute fréquence. Les limites du verrouillage par injection sont étudiées. De plus, le rôle important de la densité électronique de la décharge TEA sur le verrouillage par injection est démontré. Une seconde étude expérimentale met en évidence le verrouillage par injection des modes d’ordre supérieur d’un résonateur instable dans un laser TEA CO₂ de très grande puissance<br>This thesis is directed at the study of injection-locking of high power pulsed lasers. Chapter I give a theoretical analysis of injection mode-locking in such lasers. A multimode theory is developed on the basis of the semi-classical treatment in the weak field regime. A detailed investigation of CW injection-locking is reported. It is clearly demonstrated that locking by injection of a weak field in a pulsed multimode laser stems from injection mode-locking whatever is the injection field time history. Thus the generation of short pulses by injection is described as well. Chapter II theoretically overviews the energetic features of the TEA CO₂ laser, with or without injection. Chapter III presents an experimental investigation of CW injection-locking in stable resonator TEA CO₂ lasers. Frequency measurements are performed with a new high frequency heterodyning scheme. The limits of CW injection locking are studied. Moreover, the influence of the transient discharge electron density on injection-locking is demonstrated. Chapter IV gives an experimental evidence of high order transverse mode injection-locking in unstable resonator TEA CO₂ lasers

Cette etude se situe dans le cadre des transmissions optiques coherentes et a pour but d'amplifier le signal optique a l'emission d'un systeme afin d'en accroitre la portee. La technique proposee est le verrouillage par injection optique de deux lasers semiconducteurs. Le premier laser, dit laser maitre, presente un comportement monofrequence et une tres bonne purete spectrale, adaptee au debit de la liaison. On montre alors que sous certaines conditions d'injection optique, le laser esclave se verrouille en frequence sur le laser maitre et acquiert les proprietes spectrales de ce dernier. Une amplification du signal optique est possible en choisissant un laser esclave de plus forte puissance que le laser maitre. On montre egalement q'une modulation du courant d'alimentation genere, en regime de synchronisation, une modulation de phase du signal optique resultant. Les deux fonctions amplificateur resonnant et modulateur de phase sont etudiees dans ce travail. Une application de cette technique d'amplification a un systeme de transmission est decrite. Il s'agit d'une transmission optique coherente utilisant une detection homodyne a diversite de phase. Les lasers (emetteur et oscillateur local) utilises dans ce systeme sont des lasers stabilises en frequence de maniere absolue et independante sur une longueur d'onde de reference. Le laser esclave est un laser de type bh (buried heterostructure) et le gain net obtenu est de l'ordre de 10 db

Pour certaines applications, les lasers offrent un choix trop restreint de longueurs d'ondes, et une faible accordabilité. Ces limitations viennent du fait que l'effet laser utilise des résonances atomiques. L'optique non-linéaire permet de s'en affranchir c'est un phénomène non résonnant, donc peu sélectif en longueur d'onde. Néanmoins elle présente des caractéristiques particulières : trois fréquences différentes mises en jeu, l'absence de stockage d'énergie, et le rôle primordial de la phase relative entre les ondes. Dans ce travail nous mettons à profit ces specificités pour mettre en forme spectralement ou temporellement l'émission de lumière dans des sources infrarouges. La première source réalisée est un oscillateur paramétrique optique (OPO) à 3 μm utilisant deux cristaux de KTA. Ses performances sont discutées en régime nanoseconde. Puis nous réalisons un OPO à cristal de PPLN générant des impulsions courtes sous pompage continu par modulation active des pertes. Nous proposons ensuite d'utiliser un absorbant saturable pour verrouiller passivement les modes d'un OPO continu présentant un fort désaccord de vitesse de groupe entre la pompe et le signal. Enfin, nous considérons le cas des sources intégrant à la fois un milieu laser et un dispositif non-linéaire. Nous présentons d'abord un miroir non-linéaire à base de PPLN intégré dans un laser Cr:ZnSe, permettant de produire des impulsions picosecondes accordables autour de 2,5 μm. Nous proposons ensuite de généraliser ce principe en intégrant un OPO dans un laser afin de réaliser une source ultrabrève compacte et accordable.

Présenté initialement à l'agence spatiale américaine par P. Glaser comme une source potentielle d'énergie alternative renouvelable et propre, le projet de Centrales Solaires Orbitales est basé sur le concept de Transport d'Energie Sans Fil (TESF). Le principe consiste à collecter directement dans l'espace l'énergie solaire, puis à la transmettre vers une base de réception terrestre, via un faisceau hyperfréquence. Dans le cadre des actions menées dans le domaine du TESF au niveau terrestre, une solution technologique permettant de répondre au cahier des charges imposé au système d'émission a retenu notre attention : mettre en oeuvre un réseau d'antenne phasé alimenté par des magnétrons de moyenne puissance. Dans cette optique, ce travail de recherche présente une approche originale du contrôle des grandeurs de sortie d'un magnétron opérant en situation de verrouillage par injection. Afin de prendre en compte le comportement non linéaire du magnétron, une stratégie de contrôle hybride a été mise en oeuvre pour le contrôle de la fréquence et de l'amplitude d'un magnétron de moyenne puissance (2.45 GHz) verrouillé par injection et débitant sur une charge fixe. L'aspect hybride est constitué par l'association d'un algorithme de Contrôle Direct Inverse impliquant un réseau de neurones non linéaires modélisant la fonction de transfert inverse du magnétron, avec un correcteur linéaire en boucle fermée de type PID. Le développement d'un dispositif de caractérisation expérimentale d'un magnétron verrouillé par injection a permis de collecter des bases de mesures nécessaires à un apprentissage supervisé et généralisé pour l'identification du contrôleur neuronal. Les meilleures performances en terme de conduite du magnétron ont été obtenues avec une boucle de contrôle effectuant une permutation dynamique entre le correcteur neuronal non linéaire et le correcteur linéaire PID tout en assurant une stabilité de la phase sur l'ensemble de la bande de verrouillage