# L'OPTIQUE HYPERFRÉQUENCE : un défi perpétuel

Mehdi ALOUINI

Institut Foton, Université de Rennes1/CNRS, 35042 Rennes
mehdi.alouini@univ-rennes1.fr

D'une science que l'on pouvait qualifier de confidentielle il y a trente ans, car s'adressant principalement aux besoins de la défense comme le radar et la guerre électronique, l'optique hyperfréquence s'est démocratisée ces dernières années. Elle s' invite désormais dans la plupart des nouveaux systèmes électroniques haute fréquence, les télécommunications optiques cohérentes et la métrologie temps-fréquence par exemple.

L'optique hyperfréquence relie le monde des micro-ondes à celui de la photonique. De manière générale, elle s'attache, au travers de fonctions optiques, à lever des verrous technologiques dans le domaine micro-onde et/ou à réaliser des fonctions micro-ondes évoluées inaccessibles directement dans le domaine purement hyperfréquence [1]. Notons que les premiers systèmes SAR (synthetic aperture radar) employaient déjà, dès les années 60, l'holographie optique pour reconstruire les images [2].

## Des signaux analogiques à haute fréquence

L'optique hyperfréquence repose sur la manipulation de signaux analogiques à haute fréquence que l'on cherche à générer, à distribuer ou à traiter. Ceci la distingue des télécommunications optiques dans lesquelles les signaux manipulés sont généralement numériques. Les contraintes associées à ce caractère analogique sont dracophoniennes. On se retrouve en effet à manipuler des signaux dans le domaine optique avec des exigences qui sont celles de l'électronique en termes de pureté spectrale, de linéarité et de bruit d'amplitude. Malgré cette difficulté, l'optique hyperfréquence a toujours fait l'objet d'une recherche soutenue, car manipuler les signaux hyperfréquences dans le domaine analogique est inévitable.

Pour mieux fixer les idées, prenons l'exemple d'un radar fonctionnant à 10 GHz et présentant un rapport signal-sur-bruit (plus couramment appelé dynamique en optique hyperfréquence pour éviter toute confusion avec le rapport signal-sur-bruit de la porteuse optique) de 160 dB, i.e. $10^{16}$. Une telle dynamique est essentielle pour détecter le signal rétrodiffusé par une cible distante et en mesurer l'origine et le décalage Doppler. Numériser un signal à cette fréquence avec une dynamique aussi élevée nécessiterait un codage sur 54 bits et donc un débit de 1080 Gbit/s. Sachant que l'antenne d'un radar moderne est constituée d'un millier de dipôles rayonnants, transporter individuellement les signaux détectés dans une liaison télécom optique nécessiterait un débit de 1080 Tbit/s. Cet exemple, parmi d'autres, montre l'importance de manipuler directement les signaux analogiques tels quels.

Dans la pratique, la référence micro-onde du radar, ou oscillateur local (OL), est convoyée vers les dipôles de l'antenne dans une liaison optique hyperfréquence constituée, dans le cas le plus simple, d'un laser, d'une fibre optique et d'une photodiode. Cet OL, qui confère à l'onde émise par le radar sa pureté spectrale, est aussi utilisé à la réception pour démoduler l'onde rétrodiffusée par la cible. Le signal obtenu se trouvant à

basse fréquence (quelques MHz), il peut être numérisé et redescendu de l'antenne via une liaison optique numérique, i.e. similaire à celles utilisées en télécommunications optiques. La figure 1 illustre très schématiquement un exemple d'intégration de liaisons optiques dans un radar sol de nouvelle génération.

## La liaison optique hyperfréquence : une brique élémentaire chargée de challenges scientifiques

La conversion du signal hyperfréquence dans le domaine optique ouvre des possibilités hors de portée des systèmes entièrement micro-ondes. La mise en réseau de grands radio-télescopes tels que l'ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) est sans doute l'exemple le plus connu. Alors qu'un câble hyperfréquence présente des pertes de quelques dB par mètre, une fibre optique n'en présente que quelques dixièmes par kilomètre. Ainsi les pertes de conversion électriques/optiques au niveau du laser et de la photodiode sont rapidement compensées après quelques dizaines de mètres de propagation [3]. On ne pourrait pas imaginer relier entre elles deux antennes distantes de quelques km sans l'emploi de liaisons optiques hyperfréquences pour transmettre, a minima, l'OL permettant de

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démoduler le signal reçu par les deux
antennes. Cette possibilité a ouvert
la voie à la goniométrie ultra-résolue
en angle mais aussi à la réalisation
de balises hyperfréquences de moins
d'un mètre cube simulant la propaga-
tion d'ondes radar sur des centaines
de kilomètres. Les oscillateurs optoé-
lectroniques sont un autre exemple
dans lequel l'utilisation d'une liaison
optique de plusieurs kilomètres de
long confère au résonateur une pureté
spectrale bien meilleure que celle des
oscillateurs purement électriques [4].

Le développement des liaisons optiques-hyperfréquences requiert des lasers ou des modulateurs capables de transformer le signal hyperfréquence en modulation optique sans en dégrader les qualités d'amplitude et de phase. Pour cela, on a recours à des lasers dont le bruit d'intensité relatif (RIN) est inférieur à -150 dB/ Hz sur des plages spectrales de plusieurs GHz. Ces lasers doivent aussi fournir suffisamment de puissance pour que le rapport signal-sur-bruit

soit compatible avec la dynamique re-
cherchée [5]. Finalement ils doivent
idéalement pouvoir être modulés
directement à haute fréquence (une
vingtaine de GHz) tout en assurant
une très bonne linéarité et peu de
bruit de phase additif. À plus haute
fréquence, lorsque la modulation
directe n'est plus envisageable, on a
recours à des modulateurs externes
qui, de nouveau, doivent assurer une
bonne linéarité. Ces contraintes, qui
sont draconiennes, ont suscité et sus-
citent encore des efforts de recherche
importants que ce soit en physique
des lasers, matériaux, guides d'ondes
ou semiconducteurs. Les défis à rele-
ver sont tels qu'il est souvent néces-
saire de revenir à des considérations
scientifiques très amont.

La figure 2 illustre un exemple
d'études récentes débouchant sur
une nouvelle classe de lasers, dits
à *buffer reservoir*, dont le bruit d'int-
tensité relatif est limité au bruit de
grenaille sur une large plage spec-
trale. Cette propriété est obtenue en

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>**Figure 1.** Exemple d'implantation des liaisons optiques-hyperfréquences dans un radar. L'oscillateur local est distribué optiquement vers le réseau d'émetteurs. Les signaux en réception sont démodulés, numérisés puis descendus vers la station de traitement. L'ensemble des liaisons sont multiplexées en longueur d'onde avant la traversée du joint tournant.</figcaption></figure>

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<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>**Figure 2.** (a) Principe du buffer reservoir. (b) Laser faible bruit à buffer reservoir. Spectre de bruit d'intensité relative (c) à basse fréquence : oscillations de relaxation, (d) à haute fréquence : battements signal / spontané amplifié (e) pour un laser bifréquence DFL : résonances en phase et en antiphase. (f) Spectre électrique du battement bifréquence autour de la porteuse à 3 GHz.</figcaption></figure>

brisant l'interaction résonante entre l'inversion de population et la durée de vie des photons dans le laser, interaction à l'origine de l'excès de bruit [6]. L'effet *buffer reservoir* est dans la pratique réalisé en insérant un mécanisme de pertes nonlinéaires de très faible section efficace et de courte durée de vie, de telle sorte que les caractéristiques statiques du laser (puissance et seuil) restent inchangées tandis que ses caractéristiques dynamiques sont profondément bouleversées. Le *buffer reservoir* agit à l'image d'un vase d'expansion qui viendrait autoréguler les fluctuations d'intensité sur une bande passante de plusieurs dizaines de GHz, ce qui est inimaginable avec des asservissements électroniques. Cette technique a aussi été étendue aux lasers bifréquences dont nous verrons l'utilité un peu plus loin.

Dans une liaison optique hyperfréquence, les mêmes contraintes de bruit et de linéarité existent au niveau de la réception. Les photo-diodes doivent présenter de larges bandes passantes, une excellente linéarité, peu de conversion du bruit d'amplitude en bruit de phase, et cela pour des puissances incidentes de plusieurs dizaines de mW. La fibre qui peut paraître comme un composant passif est aussi à manier avec précaution. Effet Rayleigh, effet Brillouin, dispersion, mélange à quatre ondes sont autant d'effets à considérer de près car ils impliquent une dégradation du bruit de phase du signal hyperfréquence transporté. *A contrario*, la plupart des effets cités sont exploités avantageusement pour le traitement du signal hyperfréquence sur porteuse optique.

## Des systèmes sans dispersion

Les très faibles pertes de propagation et les débits élevés sont souvent présentés comme les atouts majeurs de l'optique. La faible dispersion est sans nul doute une caractéristique fondamentale pour le déport de signaux hyperfréquences par voie optique. Cette propriété joue aussi un rôle essentiel dans le traitement du signal hyperfréquence. En effet, les guides hyperfréquences, et les composants hyperfréquences de manière générale, présentent une dispersion dont les effets sont perceptibles sur quelques fractions de GHz, i.e. dès lors que l'étendue spectrale du signal atteint quelques pourcents de sa fréquence moyenne. La dispersion implique que la phase d'une composante spectrale après propagation dépend de la fréquence de cette composante spectrale. Transporter ou traiter l'information hyperfréquence par voie optique permet de s'affranchir de ce problème. En effet, la dispersion qui entre en compte devient celle de la fibre et des composants optiques utilisés. Dans le domaine optique cette dispersion et perceptible sur des plages spectrales de plusieurs nanomètres, i.e. plusieurs THz dans le domaine fréquentiel. Ainsi un signal hyperfréquence sur porteuse optique subira quasiment le même retard quelle que soit la fréquence de modulation.

Il est à noter que l'optique permet de réaliser des systèmes à dispersion rigoureusement nulle. En effet, pour le déport sur de longues distances, les techniques de compensations de dispersion, bien connues en télécommunications optiques, peuvent être utilisées. À l'inverse, certaines liaisons courtes, ou certains modules de mise en forme ou de traitement du signal hyperfréquence, reposent sur des architectures dans lesquelles la lumière se propage en espace libre : encore un atout de l'optique. La propriété de dispersion, ou plutôt de non-dispersion, qui permet de réaliser des « retards vrais » est
exploitée dans la plupart des fonctions optiques-hyperfréquences. Elle permet, par exemple, de réaliser des fonctions de filtrage programmables [7] ou encore des fonctions de pointé achromatique de faisceaux radars (figure 3).

Afin d'illustrer cette dernière application, rappelons que les antennes modernes sont constituées d'un réseau de dipôles rayonnants émettant à la même fréquence. Le rayonnement émis est la superposition cohérente d'ondelettes donnant lieu, en champ lointain, à un lobe d'émission plus ou moins pincé selon le nombre de dipôles rayonnants. Quand ces dipôles sont en phase, le lobe principal est normal au plan de l'antenne. Il est cependant possible d'appliquer une loi de phase pour changer le pointé de l'antenne sans avoir à l'orienter mécaniquement. Cette loi de phase n'est valable que pour une fréquence bien déterminée, tout changement de fréquence se traduisant par un

dépointé. Réaliser des retards vrais plutôt que des déphasages permet de résoudre cette difficulté. Il serait illusoire de vouloir ici présenter l'ensemble des techniques pour y parvenir. Néanmoins, il est de nouveau important de souligner que ces développements ont suscité des travaux de recherche très amont touchant à différents pans de la physique, allant de l'optique guidée aux membranes à cristaux photoniques actifs en passant par la physique des semiconducteurs.

La figure 3 illustre un exemple d'étude visant à induire les retards avec de la lumière lente et rapide. Afin de répondre aux contraintes de bande passante, de compacité et de parallélisme, le mécanisme mis en jeu ici repose sur les oscillations cohérentes de population (CPO) dans des amplificateurs optiques à semiconducteurs (SOA). L'amplificateur est utilisé en régime de saturation de telle sorte que le signal optique modulé imprime une modulation du gain. Cette modulation de

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>**Figure 3.** En haut : génération de retards par lumière lente pour la commande de pointé d'une antenne réseau. Le retard est obtenu par oscillations cohérentes de population (CPO) dans un amplificateur optique à semiconducteur SOA. En bas : spectres du déphasage hyperfréquence pour trois modalités de CPO.</figcaption></figure>

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gain induit sur le signal amplifié un retard de groupe qui se manifeste par un déphasage hyperfréquence dont l'amplitude est ajustable en agissant sur le courant d'injection du SOA ou sur la puissance d'entrée moyenne de l'onde optique. Ces travaux ont permis d'obtenir de la lumière lente et rapide à des fréquences GHz, i.e. bien au-delà des fréquences de quelques kHz obtenues dans les premières démonstrations de principe [8]. De plus les limitations intrinsèques de l'effet CPO en termes d'excursion du déphasage et de fréquence de fonctionnement ont été franchies en démontrant deux nouveaux principes physiques : (i) le CPO exalté où l'on vient accompagner le CPO classique par un CPO induit au travers du courant d'injection du semiconducteur, et (ii) le CPO *up-converted* où l'on réalise dans le même SOA la fonction de CPO et la conversion de fréquence par modulation croisée de gain [9]. Cette dernière technique permet désormais d'envisager des systèmes basés sur la lumière lente et rapide opérant à n'importe quelle fréquence de modulation.

## Extension à l'optique millimétrique et THz

Par essence, l'optique-hyperfréquence crée un pont entre le spectre optique et le spectre micro-ondes. Les ondes millimétriques (mm) et THz (quelques dizaines de µm) étant situées entre ces deux régions spectrales, elles bénéficient naturellement des développements menés en optique hyperfréquence [10]. En effet, pour réaliser une modulation hyperfréquence sur porteuse optique, deux alternatives sont possibles : moduler rapidement une seule fréquence optique, ou bien faire battre deux fréquences optiques. La deuxième alternative est plus délicate à mettre en œuvre. Cependant, elle reste de loin la plus performante. En effet, dans ce cas, le signal de battement généré est parfaitement sinusoïdal avec un taux de modulation de 100 %. De plus, il n'a pas de limite en termes de bande passante. Les lassers bifréquences (DFL) sont à cet égard très intéressants car ils offrent

intrinsèquement un battement de bonne pureté spectrale, les deux oscillateurs optiques se partageant la même cavité laser. Il devient alors aisé de les verrouiller en phase de manière à conférer au battement la pureté spectrale d'un OL hyperfréquence [11].

Bien que cette technique ait fait ses preuves dans le domaine hyperfréquence, calquer la pureté spectrale d'un OL hyperfréquence dans les domaines mm et THz est resté jusqu'à récemment une gageure. La figure 4 illustre la façon dont on y parvient aujourd'hui à l'aide d'une OEPLL (*optoelectronic phase locked loop*). Le laser bifréquence mis en œuvre est un laser dont le battement est accordable continûment du GHz au THz. Le battement, qui a une largeur à mi-hauteur de 30 kHz, est affiné spectralement à moins du Hz. Pour cela, une partie du faisceau laser est prélevée puis modulée à l'aide d'un modulateur dont la fonction de transfert est très non-linéaire. On crée ainsi de part et d'autre des deux longueurs d'onde un peigne de fréquence dont l'entrelacement fournit un battement dans le domaine hyperfréquence. Ce battement, qui porte le bruit de phase du battement THz, est ensuite comparé à un OL hyperfréquence, puis

le signal d'erreur est réinjecté dans le laser bifréquence pour en contrôler une des deux fréquences. Ainsi, il est possible de stabiliser le battement THz sans avoir eu recours à la moindre électronique THz [12]. Une fois asservi, le laser constitue un OL THz sur porteuse optique, et utilisé à la fois à l'émission et à la réception THz (voir figure 4).

Outre la génération d'un battement THz spectralement pur et accordable, l'optique offre de nouveau un formidable levier puisqu'il devient possible d'imprimer n'importe quel signal sur une des deux longueurs d'onde du DFL avant de convertir l'ensemble dans un photomélangeur rayonnant dans le THz. Le photomélangeur est aussi utilisé à la réception. L'OL THz sur porteuse optique joue là encore un rôle essentiel puisqu'il permet de démoduler directement le signal THz incident (voir figure 4). Cette technique a été une véritable percée scientifique en optique-hyperfréquence. Elle est désormais exploitée en métrologie temps-fréquence [13]. Elle ouvre en outre la voie à la détection hétérodyne à température ambiante et à la spectroscopie haute résolution dans les domaines millimétrique et THz.

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>**Figure 4.** En haut : oscillateur local (OL) THz sur porteuse optique réalisé à partie d'un laser bifréquence DFL verrouillé en phase à l'aide d'une OEPLL. En bas à gauche : émission. L'OL THz sur porteuse optique sert à générer la porteuse THz et éventuellement y imprimer un signal d'intérêt avant photo-mélange. En bas à droite : réception. L'OL THz sur porteuse optique est utilisé pour démoduler directement le signal THz dans le photo-mélangeur.</figcaption></figure>
## Conclusion

Loin de fournir au lecteur une vision exhaustive des développements toughtant à l'optique hyperfréquence, cet article tente au travers de quelques exemples de donner un aperçu des enjeux et contraintes liés à l'introduction de l'optique dans les systèmes hyperfréquences. L'optique hyperfréquence s'alimente continuellement des progrès réalisés dans divers domaines de la physique avec des retombées indirectes en communications cohérentes, en manipulation d'atomes, en métrologie temps-fréquence, en analyse spectrale hyperfréquence et optique, en spectroscopie à double peigne (dual comb spectroscopy) et en lidar/radar. L'optique hyperfréquence, qui cherche perpétuellement à repousser les limites des composants, des fonctions et des sous-systèmes hyperfréquences, est ainsi devenue un formidable terrain de jeu scientifique et technologique pour des générations de chercheurs et d'ingénieurs de développement.

## POUR EN SAVOIR PLUS

[1] Microwave Photonics: Devices and Applications, edited by S. Iezekiel, John Wiley & Sons, 2009

[2] Optical data processing, Topics in Applied Physics vol. 23, edited by D. Casasent, Springer-Verlag, 1978

[3] RF Photonic Technology in Optical Fiber Links, edited by W.S.C. Chang, Cambridge University Press, 2007

[4] L. Maleki, The optoelectronic oscillator, Nature Photonics 5, 728 (2011)

[5] G. Baili et al., Ultra-low noise and high power VECSEL for high dynamic range and broadband RF/optical links, J. Lightwave Technol. 32, 3489 (2014)

[6] A. El Amili, G. Loas, L. Pouget, M. Alouini, Buffer reservoir approach for cancellation of laser resonant noises, Opt. Lett. 39, 5014 (2014)

[7] J. Capmany, D. Novak, Microwave photonics combines two worlds, Nature Photonics 1, 319 (2007)

[8] M.S. Bigelow, N.N. Lepeshkin, R.W. Boyd, Observation of ultraslow light propagation in a ruby crystal at room temperature, Phys. Rev. Lett. 90, 113903 (2003)

[9] P. Berger, J. Bourderionnet, D. Dolfi, F. Bretenaker, M. Alouini, Slow and Fast Light in Semiconductor Optical Amplifiers for Microwave Photonics Applications, in Advances in optical amplifiers, Chap. 9, Intech, 2011

[10] M. Alouini et al., Bridging the gap between THz and microwave photonics through optoelectronic generation of interleaved combs, Microwave Photonics, 350 (2014)

[11] M. Alouini, B. Benazet, M. Vallet, M. Brunel, P. Di Bin, F. Bretenaker, A. Le Floch, P. Thony, Offset phase locking of Er:Yb:Glass laser eigenstates for radio-frequency photonics applications, IEEE Photon. Technol. Lett. 13, 367 (2001)

[12] A. Rolland, G. Loas, M. Brunel, L. Frein, M. Vallet, M. Alouini, Non-linear optoelectronic phase-locked loop for stabilization of opto-millimeter waves: towards a narrow linewidth tunable THz source, Opt. Express 19, 17944 (2011)

[13] J. Li, X. Yi, H. Lee, S.A. Diddams, K.J. Vahala, Electro-optical frequency division and stable microwave synthesis, Science 345, 309 (2014)

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