Architectures spectro-spatiales dans les cristaux dopés aux ions terre rare pour le traitement de signaux radiofréquence large bande Les propriétés de creusement de trou spectral, que l’on trouve à température cryogénique dans certains cristaux dopés aux ions de terres rares, offrent des possibilités prometteuses pour le traitement de signaux radiofréquence large bande. En effet ces propriétés permettent de programmer des fonctions de traitement radiofréquence dans le spectre d’absorption du cristal. Partant des premières démonstrations hors laboratoire d'un analyseur de spectre large bande reposant sur un cristal de Tm3+:YAG, l'objectif de ce travail de thèse est double: d'une part démontrer la versatilité de l'architecture utilisée en développant de nouvelles fonctions de traitement radiofréquence, et plus spécifiquement la fonction de filtrage, et d'autre part améliorer les performances de l'analyseur de spectre.Nous commençons par l'étude de la fonction de filtrage radiofréquence. Nous démontrons la première réalisation de la fonction de filtrage dans des cristaux dopés aux terre rares. Cette démonstration s'appuie sur l'architecture "arc-en-ciel" dans un cristal de Tm3+:YAG. Nous présentons une étude paramétrique afin d'optimiser les performances du filtre. Nous développons ensuite un modèle analytique décrivant la réponse du filtre en amplitude et en phase. Après optimisation du filtre, nous obtenons une réjection de 60~dB, avec une réjection de 45~dB à 50~MHz du bord du filtre, à l'état de l'art des filtres photoniques GHz.Dans un second temps, nous nous intéressons au montage historique de l'analyseur de spectre large bande. Le premier axe d'étude est dédié à la baisse de dynamique observée expérimentalement lorsque la bande d'analyse augmente. Nous identifions que cette baisse est liée à une élévation de température dans le cristal due aux excitations optiques. Nous nous attachons à mesurer le profil de température à l'intérieur du cristal par spectroscopie SHB, dans l'objectif de déterminer une configuration expérimentale favorable à une meilleure thermalisation du cristal. Dans le second axe d'étude dédié à l'analyseur spectral, nous nous intéressons à sa réponse fréquentielle. Nous étendons notre modèle de filtre radiofréquence pour l'adapter à cette configuration. Nous utilisons ce modèle pour comprendre les phénomènes pouvant mener un élargissement de la réponse de l'analyseur. Finalement nous appliquons notre modèle aux paramètres expérimentaux pour quantifier l'impact de ces phénomènes en pratique.
Architectures spectro-spatiales dans les cristaux dopés aux ions terre rare pour le traitement de signaux radiofréquence large bande Les propriétés de creusement de trou spectral, que l’on trouve à température cryogénique dans certains cristaux dopés aux ions de terres rares, offrent des possibilités prometteuses pour le traitement de signaux radiofréquence large bande. En effet ces propriétés permettent de programmer des fonctions de traitement radiofréquence dans le spectre d’absorption du cristal. Partant des premières démonstrations hors laboratoire d'un analyseur de spectre large bande reposant sur un cristal de Tm3+:YAG, l'objectif de ce travail de thèse est double: d'une part démontrer la versatilité de l'architecture utilisée en développant de nouvelles fonctions de traitement radiofréquence, et plus spécifiquement la fonction de filtrage, et d'autre part améliorer les performances de l'analyseur de spectre.Nous commençons par l'étude de la fonction de filtrage radiofréquence. Nous démontrons la première réalisation de la fonction de filtrage dans des cristaux dopés aux terre rares. Cette démonstration s'appuie sur l'architecture "arc-en-ciel" dans un cristal de Tm3+:YAG. Nous présentons une étude paramétrique afin d'optimiser les performances du filtre. Nous développons ensuite un modèle analytique décrivant la réponse du filtre en amplitude et en phase. Après optimisation du filtre, nous obtenons une réjection de 60dB, avec une réjection de 45dB à 50~MHz du bord du filtre, à l'état de l'art des filtres photoniques GHz.Dans un second temps, nous nous intéressons au montage historique de l'analyseur de spectre large bande. Le premier axe d'étude est dédié à la baisse de dynamique observée expérimentalement lorsque la bande d'analyse augmente. Nous identifions que cette baisse est liée à une élévation de température dans le cristal due aux excitations optiques. Nous nous attachons à mesurer le profil de température à l'intérieur du cristal par spectroscopie SHB, dans l'objectif de déterminer une configuration expérimentale favorable à une meilleure thermalisation du cristal. Dans le second axe d'étude dédié à l'analyseur spectral, nous nous intéressons à sa réponse fréquentielle. Nous étendons notre modèle de filtre radiofréquence pour l'adapter à cette configuration. Nous utilisons ce modèle pour comprendre les phénomènes pouvant mener un élargissement de la réponse de l'analyseur. Finalement nous appliquons notre modèle aux paramètres expérimentaux pour quantifier l'impact de ces phénomènes en pratique.
Les propriétés de creusement de trou spectral, que l’on trouve à température cryogénique dans certains cristaux dopés aux ions de terres rares, offrent des possibilités prometteuses pour le traitement de signaux radiofréquence large bande. En effet ces propriétés permettent de programmer des fonctions de traitement radiofréquence dans le spectre d’absorption du cristal. Partant des premières démonstrations hors laboratoire d'un analyseur de spectre large bande reposant sur un cristal de Tm3+:YAG, l'objectif de ce travail de thèse est double: d'une part démontrer la versatilité de l'architecture utilisée en développant de nouvelles fonctions de traitement radiofréquence, et plus spécifiquement la fonction de filtrage, et d'autre part améliorer les performances de l'analyseur de spectre.Nous commençons par l'étude de la fonction de filtrage radiofréquence. Nous démontrons la première réalisation de la fonction de filtrage dans des cristaux dopés aux terre rares. Cette démonstration s'appuie sur l'architecture "arc-en-ciel" dans un cristal de Tm3+:YAG. Nous présentons une étude paramétrique afin d'optimiser les performances du filtre. Nous développons ensuite un modèle analytique décrivant la réponse du filtre en amplitude et en phase. Après optimisation du filtre, nous obtenons une réjection de 60~dB, avec une réjection de 45~dB à 50~MHz du bord du filtre, à l'état de l'art des filtres photoniques GHz.Dans un second temps, nous nous intéressons au montage historique de l'analyseur de spectre large bande. Le premier axe d'étude est dédié à la baisse de dynamique observée expérimentalement lorsque la bande d'analyse augmente. Nous identifions que cette baisse est liée à une élévation de température dans le cristal due aux excitations optiques. Nous nous attachons à mesurer le profil de température à l'intérieur du cristal par spectroscopie SHB, dans l'objectif de déterminer une configuration expérimentale favorable à une meilleure thermalisation du cristal. Dans le second axe d'étude dédié à l'analyseur spectral, nous nous intéressons à sa réponse fréquentielle. Nous étendons notre modèle de filtre radiofréquence pour l'adapter à cette configuration. Nous utilisons ce modèle pour comprendre les phénomènes pouvant mener un élargissement de la réponse de l'analyseur. Finalement nous appliquons notre modèle aux paramètres expérimentaux pour quantifier l'impact de ces phénomènes en pratique.
La propriété de creusement spectral, que l’on retrouve dans certains cristaux dopés aux ions de terres rares refroidis à basse température offre des possibilités prometteuses pour le traitement analogique de signaux radiofréquence. En effet, celle-ci permet de programmer des fonctions de traitement dans le spectre d’absorption du cristal.Partant des premières démonstrations de principe d’un analyseur spectral radiofréquence large bande instantanée, l’objectif est d’en améliorer les performances, ce qui requiert une modélisation précise de l’interaction laser-matière et de l’ensemble des perturbations inhérentes à la montée en maturité technologique du dispositif. Nous avons par conséquent développé un modèle et cherché à étendre son domaine de validité pour qu’il s’applique à un maximum de protocoles.Nous l’avons ensuite appliqué à un matériau en particulier, à savoir un cristal de Tm³ ⁺ :YAG. Après avoir effectué une série de mesures des différentes caractéristiques intrinsèques à ce cristal, nous avons choisi un protocole d’application relativement proche de celui de l’analyseur spectral que nous cherchons à optimiser, à savoir la création de réseaux spectraux large bande. La comparaison des résultats expérimentaux à ceux de notre modèle nous a permis de démontrer sa validité.Nous avons finalement appliqué notre modèle au cas précis de l’analyseur spectral radiofréquence. Les simulations nous ont permis de déterminer théoriquement comment optimiser ses performances, en particulier la dynamique, avec des paramètres réalistes, atteignables expérimentalement.
La propriété de creusement spectral, que l’on retrouve dans certains cristaux dopés aux ions de terres rares refroidis à basse température offre des possibilités prometteuses pour le traitement analogique de signaux radiofréquence. En effet, celle-ci permet de programmer des fonctions de traitement dans le spectre d’absorption du cristal.Partant des premières démonstrations de principe d’un analyseur spectral radiofréquence large bande instantanée, l’objectif est d’en améliorer les performances, ce qui requiert une modélisation précise de l’interaction laser-matière et de l’ensemble des perturbations inhérentes à la montée en maturité technologique du dispositif. Nous avons par conséquent développé un modèle et cherché à étendre son domaine de validité pour qu’il s’applique à un maximum de protocoles.Nous l’avons ensuite appliqué à un matériau en particulier, à savoir un cristal de Tm³ ⁺ :YAG. Après avoir effectué une série de mesures des différentes caractéristiques intrinsèques à ce cristal, nous avons choisi un protocole d’application relativement proche de celui de l’analyseur spectral que nous cherchons à optimiser, à savoir la création de réseaux spectraux large bande. La comparaison des résultats expérimentaux à ceux de notre modèle nous a permis de démontrer sa validité.Nous avons finalement appliqué notre modèle au cas précis de l’analyseur spectral radiofréquence. Les simulations nous ont permis de déterminer théoriquement comment optimiser ses performances, en particulier la dynamique, avec des paramètres réalistes, atteignables expérimentalement.
Le développement considérable des signaux dans les bandes hyperfréquences (communications sans fil, radars, etc.) rend leur traitement extrêmement difficile. Il est en effet nécessaire d'analyser de larges bandes spectrales avec une grande résolution, ce que ne permettent pas les dispositifs purement électroniques. Une solution très prometteuse consiste à transposer les signaux hyperfréquences (hf) sur un laser puis à utiliser un cristal dopé par des ions de terres rares comme processeur. Cette technique tire parti des propriétés optiques exceptionnelles des ces matériaux, qui présentent des transitions à la fois extrêmement fines pour un centre unique (largeur homogène donnant la résolution spectrale) et larges pour un ensemble d'ions (largeur inhomogène donnant la bande d'analyse). Grâce à des techniques de pompage optique, ceci permet d'obtenir des bandes d'analyse de 20 GHz avec une résolution de 100 kHz, soit un rapport de 105. Ces résultats, obtenus dans des cristaux de Tm3+:Y3Al5O12, font l'objet d'études industrielles avancées, notamment en France par Thales, et auxquelles participe l'IRCP-MPOE. Le but du projet est de développer des cristaux dopés Er3+ pour une nouvelle génération d'analyseurs fonctionnant à 1.5 μm dans le but d'exploiter pleinement les technologies télécom en terme de transmission longue distance et de composants opto-électroniques. Les meilleurs cristaux actuels ne possèdent pas une largeur inhomogène suffisante pour l'application visée. Notre approche consistera à introduire un désordre chimique contrôlé, par exemple en utilisant un co-dopant, dans des monocristaux dopés Er3+ de haute qualité. Ceci permettra d'augmenter la largeur inhomogène optique mais pourrait aussi influencer la largeur homogène, point crucial pour l'analyse des signaux hf. Il s'agira de déterminer la nature et le niveau de désordre optimaux permettant d'obtenir les meilleures performances. D'une façon plus générale, ce travail permettra une compréhension approfondie des phénomènes dynamiques contrôlant la largeur homogène optique et de leur relation avec les structures cristallines. Outre l'analyse de signaux hyperfréquences, ceci pourra déboucher sur des avancées dans le traitement quantique de l'information dans le domaine télécom.
Les cristaux dopés aux ions de terres rares sont des matériaux prometteurs pour le traitement de l’information quantique, grâce à la possibilité de réaliser des mémoires quantiques et des analyseurs spectraux large bande à basse température. De plus, il a récemment été démontré que le transfert de cohérence entre les spins électroniques et nucléaires pouvait être effectué avec une fidélité élevée dans ces matériaux, permettant d’envisager le stockage sur de longues échelles de temps. La possibilité d’agir directement sur le profil d’absorption de ces ions rend possible l’analyse de radiofréquences large bande et très haute résolution, ainsi que de nouvelles architectures de traitement du signal. Yb3+ possède des propriétés optiques remarquables dans Y2SiO5, notamment en termes de force d’oscillateur et de largeur inhomogène fine à faible concentration. Ce doctorat s’intéresse tout particulièrement à l’isotope 171Yb3+, qui est le seul ion de terre rare paramagnétique à spin nucléaire I=1/2, permettant d’avoir une structure énergétique relativement simple à exploiter. Grâce à la faible largeur inhomogène (≈1 GHz), les transitions de spin nucléaires sont résolues optiquement, ce qui maximise le pompage optique dans les niveaux de spin, et facilite les étapes de préparation dans les protocoles de traitement de l’information quantique.Le système 171Yb3+:Y2SiO5 est dotée de très bonnes propriétés en termes de temps de vie de cohérence, néanmoins limitée à basse température par des relaxations croisées entre spins voisins. Au lieu d’utiliser un champ magnétique pour réduire ces basculements réciproques, nous avons choisi de rester à champ magnétique nul, pour conserver le point ZEFOZ de notre système où les processus décohérents sont faibles, et nous avons utilisé une approche centrée sur le matériau pour repousser cette limite imposée par les relaxations croisées. Pour ce faire, la croissance de monocristaux a été effectuée au cours du doctorat par la méthode Czochralski, dont les paramètres peuvent être ajustés pour produire différentes propriétés au sein des échantillons produits. La qualité cristalline et l’environnement de l’ion sont optimisés pour augmenter la cohérence optique et de spin du système, ou encore pour améliorer la résolution et la bande passante pour l’analyse de signaux radiofréquences sur porteuse optique. Dans ces travaux de thèse, différents paramètres sont explorés dans le but d’identifier les conditions offrant les meilleures propriétés pour les applications visées : concentration en dopant, atmosphère de croissance, transition interrogée, orientation du cristal, et température du cryostat. Une étude approfondie du matériau a alors pu être menée selon ces conditions expérimentales. Malgré la plus grande sensibilité aux fluctuations électromagnétiques des ions de terres rares paramagnétiques, le temps de cohérence optique à champ nul le plus long, tout ion Kramers inséré dans YSO confondu, a été mesuré dans un cristal dopé à 2 ppm de 171Yb3+:Y2SiO5 élaboré sous atmosphère oxygénée, dépassant la milliseconde. Un moyen permettant de coupler efficacement 171Yb3+ à des plateformes photoniques intégrées a finalement été étudié, dans le but de compenser l’absorption intrinsèque faible des électrons 4f des ions de terres rares. Un monocristal dopé de LiNbO3 a été exploré pour la première fois, démontrant des propriétés prometteuses. Les grandeurs établies ici serviront de référence pour des travaux futurs dans ce matériau, dans lequel les procédés de nano-fabrication de guides d’onde ou de résonateurs optiques sont déjà matures d’un point de vue technologique.
Dans cette thèse, nous appliquons le phénomène de "hole burning" spectral (SHB), dans des matrices cristallines dopées par des ions terres rares, au traitement optique de l'information. Nous présentons la première démonstration expérimentale d'un analyseur spectral de signaux radio fréquence (RF) à très large bande instantanée, exploitant la sélectivité spectrale de ces matériaux photosensibles. L'utilisation de la technologie SHB, à basse température, permet d'atteindre des performances remarquables en terme de largeur de bande et de produit temps×bande passante. Le principe du spectromètre repose sur la séparation angulaire des composantes spectrales du signal RF préalablement transposé sur une porteuse optique. On grave un ensemble de réseaux de diffraction monochromatiques, multiplexés en longueur d'onde, dans un cristal dopé par des ions terres rares. Le faisceau lumineux, porteur du signal RF, est dirigé vers le cristal. Les différentes composantes spectrales sont alors diffractées et simultanément séparées angulairement à la sortie du cristal. Nous avons ainsi pu démontrer expérimentalement l'analyse spectrale de signaux RF sur une bande passante instantanée de 3,3 GHz avec une capacité de 100 canaux spectraux et une résolution ultime de 500 kHz. Ce dispositif possède une dynamique de 35 dB optique, limitée par la détection. Nous montrons la capacité de zoom spectral dans une région spécifique du domaine total couvert, avec augmentation de la résolution spectrale.