Exploitation des propriétés des fibres optiques creuses à bande interdite photonique pour le développement d’un résonateur à fort facteur de qualité opérant à 100 GHz.

Sujets de thèse

Intitulé de la thèse
Exploitation des propriétés des fibres optiques creuses à bande interdite photonique pour le développement d’un résonateur à fort facteur de qualité opérant à 100 GHz.
Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : Financement institutionnel, Contrat Doctoral, Financement régional, Contrats université sur projets,)
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Physique
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
Institut de recherche XLIM, Limoges, France

le groupe de recherche «Frequency Standards and Metrology» de l’ «University of Western Australia» (Perth, Australie).
Laboratoire d’accueil : XLIM/PHOTONIQUE

Introduction
Le sujet de thèse proposé repose sur l’exploitation des propriétés des fibres optiques creuses à bande interdite photonique pour le développement d’un résonateur à fort facteur de qualité opérant à 100 GHz.

Présentation de l’équipe de recherche
Cette thèse se déroulera dans le cadre d’une cotutelle de thèse entre XLIM (Université de Limoges) et le groupe de recherche «Frequency Standards and Metrology» de l’ «University of Western Australia» (Perth, Australie). Le groupe de recherche «Frequency Standards and Metrology» a développé une expertise reconnue mondialement dans la mise en place et l’utilisation d’oscillateurs micro-onde à très faible bruit de phase, et dans le développement de résonateurs à fort facteur de qualité.

Les travaux à XLIM seront menés en collaboration avec des chercheurs du département MINACOM qui ont une expertise reconnue mondialement dans la conception de résonateur à fort facteur de qualité, et avec l’équipe «Fibres micro/nanostructurées et matériaux innovants pour la photonique» qui a plus de vingt années d’expérience dans la conception et la fabrication de fibres optiques de nouvelle génération, dont la conception et la fabrication des fibres optiques à bande interdite photonique (BIP) pour le domaine optique et le domaine terahertz (THz)

Résumé de la thèse en français
Le projet de recherche de cette thèse vise à réaliser un oscillateur à faible bruit de phase, de très grande qualité, opérant dans le domaine des fréquences millimétrique (Extremely High Frequency (EHF) band en anglais). La qualité de l’oscillateur dépend de celle du résonateur sur lequel est fondé le système. L’objectif principale de cette étude portera donc sur le développement de résonateurs à fort facteur de qualité (Q) opérant dans la bande EHF.
Le développement de résonateurs à ces fréquences est cependant limité par l’augmentation des pertes des matériaux aux très hautes fréquences. Pour résoudre ce problème, une solution consiste à confiner le champ électromagnétique dans l’air (dans un cœur creux) à l’aide de réflecteurs.
Dans le domaine de l’optique, les fibres optiques à cœur creux les plus performantes sont composées d’une gaine micro-structurée qui engendre par l’effet de bande interdite photonique un confinement important de la lumière dans l’air.
En collaboration avec des chercheurs de l’Université d’Australie Occidentale (Perth, Australie), nous avons démontré qu’il est possible d’employer l’effet de bande interdite photonique pour réaliser des résonateurs à cœur creux dans le domaine micro-onde. A partir de cette démonstration, nous proposons dans cette thèse d’exploiter les propriétés des fibres optiques creuses à bande interdite photonique pour développer un résonateur à fort facteur de qualité opérant à 100 GHz.
Cette thèse se déroulera dans le cadre d’une cotutelle de thèse entre XLIM (Université de Limoges) et le groupe de recherche «Frequency Standards and Metrology» de l’ «University of Western Australia» (Perth, Australie).

Résumé de la thèse en anglais
The final goal of the research project of this thesis is the realization of a high quality, low-phase noise oscillator operating in the Extremely High Frequency (EHF) band, around 100 GHz. Oscillators quality depend on the quality of the resonators used in the system. In this context, the main objective is thus the development of high quality (Q) resonator operating in the Extremely High Frequency (EHF) band. The development of high-Q resonators at these frequencies (around 100 GHz) is limited by the dielectric loss tangent of the material. One way of beating the loss-tangent limit is by confining the electromagnetic field in a hollow-core with the help of a photonic band-gap (PBG) crystal that forbids field extension in the plane of the crystal.
In optics, optical fibres composed of a hollow-core surrounded by a photonic crystal cladding have become the most advanced manifestation of PBG structures, enabling the guidance of light in a hollow core with low attenuation on kilometer length scales. In collaboration with researcher of the University of Western Australia (Perth, Australia), we have demonstrated the potential of the PBG effect for developing hollow-core resonator operating in the micro-wave domain. In this context, the main objective of this thesis is to exploit the unique properties of the hollow-core photonic band-gap fibres for developing high-Q resonators operating in the EHF band (around 100 GHz).
This thesis will be realized within the framework of a double-basged joint-PhD between XLIM (Limoges University) and the research group “Frequency Standards and Metrology” (University of Western Australia, Perth, Australia).

Description complète du sujet de thèse
L’objectif de ce projet de thèse est de réaliser un oscillateur à très faible bruit de phase opérant dans le domaine micro-onde des très hautes fréquences (Extremely High Frequency (EHF) band en anglais). Les oscillateurs de très haute qualité sont employés dans de nombreuses technologies utilisées tous les jours. On peut citer par exemple, les systèmes de positionnement par satellite (GPS), les radars, les communications par fibres optiques, ou certaines applications de téléphonies mobiles. Les oscillateurs de très haute qualité peuvent également être utilisés comme des outils de précision pour caractériser des matériaux, pour des applications de conversion «temps fréquence», ou pour tester les fondations de la physique. Le développement de ces systèmes à des fréquences plus élevées permettrait d’accroître la résolution et la précision de l’oscillateur, la densité d’utilisateurs et enfin, de réaliser des systèmes plus compacts. Ces avancées engendreront de nombreuses applications tant l’importance des oscillateurs est grande dans les systèmes employés dans une société moderne.
La qualité de l’oscillateur dépend de celle du résonateur sur lequel est fondé le système. Les résonateurs les plus performants à ce jour sont basés sur l’utilisation de nouveaux matériaux diélectriques (tel que le saphir) qui possèdent une faible absorption et de bonnes caractéristiques électriques et mécaniques. Par exemple, des chercheurs de l’ «University of Western Australia» (UWA) ont réalisé l’oscillateur ayant le plus faible bruit de phase au monde, opérant à 9 GHz, et des oscillateurs à température ambiante ou cryogénique. Cet oscillateur est fondé sur un résonateur à saphir conçu par des chercheurs d’XLIM, dans le cadre d’une collaboration entre XLIM et UWA. Cependant, les propriétés des matériaux diélectriques sont fortement dégradées aux très hautes fréquences, dans la bande EHF, ce qui limite leur utilisation. Ainsi, afin de réaliser des résonateurs de très bonnes qualités aux fréquences de la bande EHF, il est crucial de trouver de nouvelles architectures pour compenser la dégradation des propriétés des matériaux. Une solution alternative consiste à confiner le champ électromagnétique dans un cœur creux par l’action d’une gaine à bande interdite photonique (BIP).
Récemment, XLIM et UWA ont démontré la pertinence de cette approche en obtenant un facteur de qualité record (Q 300,000 à 16 GHz) avec un résonateur à cœur creux. Le confinement dans le cœur est obtenu par un réseau de Bragg (cristal BIP 1D) disposé autour du cœur. Contrairement aux cristaux photoniques standards, ici le cristal photonique est dit hors-plan, la structuration des éléments diélectriques (cristal) est perpendiculaire à l’axe de propagation du mode (hors plan). Ce type de cristal BIP (hors plan) fait depuis plusieurs années l’objet de recherches dans le domaine des fibres optiques. Les réalisations les plus marquantes sont les fibres optiques air/silice, composées d’un cristal photonique à deux dimensions, permettant de propager un flux optique dans un cœur creux sur des distances kilométriques. Ces fibres sont les structures fondées sur l’effet BIP les plus performantes. Le domaine des fibres optiques BIP à cœur creux fait l’objet de nombreuses recherches, en particulier au sein du groupe «fibre optique» d’XLIM.L’objectif principal de ce projet est de transposer les expertises acquises dans le développement de résonateurs micro-ondes et dans la conception et la fabrication des fibres optique BIP à cœur creux, pour développer de nouveaux résonateurs opérant dans la bande peu étudiée des très hautes fréquences (EHF).
Ce projet de thèse sera mené dans le cadre d’une thèse en cotutelle avec les chercheurs du groupe de recherche «Frequency Standards and Metrology» de l’ «University of Western Australia (UWA)» qui apportent leurs expertises dans la fabrication et l’intégration de résonateurs dans des oscillateurs. Le développement de ce type d’oscillateur nécessite une connaissance très pointue du fonctionnement de chaque élément et des matériaux utilisés dans le résonateur. De ce fait, UWA apporte également son expertise dans la caractérisation des matériaux dans le domaine micro-onde.

Objectifs scientifiques de la thèse
Le travail demandé comprendra une étude bibliographique sur l’état de l’art des oscillateurs et des résonateurs micro-ondes (bande EHF), la conception et la fabrication de résonateurs à fort facteur de qualité opérant dans la bande EHF, puis la caractérisation des résonateurs et des matériaux employés. Enfin le développement d’un oscillateur à faible bruit de phase opérant autour de 100 GHz.

Compétences à l’issue de la thèse
Les compétences attendues à l’issue de la thèse seront:
– Connaissance forte dans le domaine «Temps-Fréquence»
– Expertise concernant la conception et la réalisation de résonateur et d’oscillateurs.
– Forte expérience dans la caractérisation des résonateurs, oscillateurs et des materiaux dans le domaine micro-ondes (bande EHF).
– Forte expérience dans la diffusion de la culture scientifique (communications internationales, articles, séminaires, …)
– Forte autonomie attendue

Mots clés (séparés par des virgules)
Temps-fréquence, résonateur, oscillateur, fibre optique, photonique des structures à bandes interdites.
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Directeur de thèse
Jean-Marc Blondy

Adresse mail du directeur de thèse : jean-marc.blondy@xlim.fr
Téléphone Directeur de thèse : 0555427269

Co-directeur de thèse
Georges Humbert
Dominique Cros
Adresse mail du co-directeur de thèse : georges.humbert@xlim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 0555457386
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thèse pour Action transverse : NON
Fichier annexe (pdf) : Sujet_resonateur_100GHz_XLIM_Perth_2012

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