Titre de l'écran-titre (visionné le 11 janvier 2024) / Le multiplexage par répartition spatiale (SDM) est une solution intéressante à la demande insatiable en capacité de transfert de données des réseaux de communications par fibres optiques. Ce type de multiplexage peut se diviser en deux approches majeures qui sont l'utilisation de fibres multicœurs et l'utilisation de fibres multimodes. Nous adressons des signaux multimodes. Une composante nécessaire au fonctionnement des réseaux de communications par fibres optiques est l'amplificateur optique qui sert à combattre les pertes de transmission du signal. Dans ce mémoire, on présente le développement de fibres optiques multimodes dopées à l'erbium pour des amplificateurs optiques pompés par la gaine. Dans le premier chapitre, la théorie derrière les amplificateurs optiques à fibre dopée à l'erbium (EDFAs) est abordée afin de présenter ultérieurement un simulateur construit sur MATLAB permettant d'émuler le comportement d'un EDFA à quelques modes (FM-EDFA). Dans le second chapitre, on explore le développement de telles fibres en utilisant un algorithme d'optimisation par essaims particulaires (PSO). Le PSO est utilisé afin d'optimiser la distribution d'erbium dans le cœur de la fibre pour minimiser la différence de gain modal (DMG) tout en maximisant le gain, et ce, en nécessitant moins de puissance de calcul par rapport aux modèles traditionnels. Dans le troisième chapitre, on présente le développement de fibres à l'aide de deux nouveaux critères d'optimisation basés sur la physique d'un FM-EDFA. Ces critères permettent de rapidement optimiser un profil d'erbium pour avoir une faible DMG. Dans le quatrième chapitre, on effectue un retour vers le PSO justifié par l'intégration des critères de design du troisième chapitre. On compare l'utilisation du PSO avec les nouveaux critères et l'utilisation du PSO avec les modèles traditionnels. Dans le cinquième chapitre, on documente le travail réalisé pour fabriquer avec succès une fibre optique développée au cours de ce projet. Au total, 6 préformes ont été fabriquées. Par contrainte de temps, aucun test n'a été effectué sur ces fibres dans le cadre de ce mémoire. / Spatial division multiplexing (SDM) is an interesting solution to the ever-growing demand in terms of data transfer capacity in optical fiber networks. This type of multiplexing can be described by two strategies which are using multicore fibers or using multimode fibers; we focus on multimode signals. Optical amplifiers are a critical component to the operation of SDM networks due to their ability to offset the propagation losses of the transmitted signals. In this master's thesis, we present the development of multimode erbium-doped optical fibers for cladding-pumped optical amplifiers. In the first chapter, we present the theory and modelling of erbium-doped fiber amplifiers (EDFAs) as well as a simulator built in MATLAB which permits us to emulate a few-mode EDFA (FM-EDFA). In the second chapter, we showcase the design of such fibers with a particle swarm optimization algorithm (PSO). We used the PSO to optimize the erbium doping profile in the core of the fiber to minimize the differential modal gain (DMG) while maximizing the gain and; our solution is more computationally efficient than traditional simulation methods. In the third chapter, we develop fibers for FM-EDFAs using two novel physics-based optimization criteria. These criteria allow us to rapidly optimize erbium doping profiles to achieve low DMG. In the fourth chapter, we use the knowledge acquired in the previous two chapters to integrate the novel optimization criteria into the PSO, and we compare the effectiveness of the PSO utilizing the two criteria of chapter three, versus the PSO with traditional simulation methods. In the final and fifth chapter, we document our work done on the fabrication of the optical fibers developed in this project. During this project, a total of 6 preforms were fabricated, but they were not tested due to time constraints.

Thèse de doctorat--Électronique et communications--Paris--ENST, 2006. / Notes bibliogr. Résumé.

Th. doct.--Electronique et communications--Paris--ENST, 1996. / Bibliogr. p. 8-21. Notes bibliogr.

Ces travaux concernent le développement d’un amplificateur à fibre optique souple, microstructurée, double-gaine, dopée ytterbium (Yb), et monomode à large coeur, dans la gamme d’impulsion nanoseconde, multi-kiloHertz et milliJoule, pour l’injection de chaînes lasers de puissance. L’architecture amplificatrice est mise en oeuvre dans une configuration MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) à plusieurs étages. Un modèle numérique de l’amplification sur fibre double-gaine dopée Yb, incluant l’émission spontanée amplifiée, a été développé pour étudier le comportement de ce type d’amplificateur fibré et procéder au dimensionnement du dispositif expérimental. Afin de s’affranchir du processus de saturation par le gain, un algorithme de contre-réaction permettant de déterminer numériquement la forme temporelle optimale a été associé au modèle. Nous avons obtenu des résultats expérimentaux en bon accord avec les simulations numériques, et avec les performances suivantes : une énergie de 0.5 mJ par impulsion à une fréquence de répétition dans la gamme de 1 kHz à 10 kHz, sur des impulsions à spectre étroit centré à la longueur d’onde 1053 nm, à profil temporel super-gaussien d’ordre 20 de durée 10 ns, avec un rapport signal-sur-bruit optique supérieur à 50 dB et un taux de maintien de la polarisation à 20 dB. Le profil spatial en sortie de système est monomode (M²=1.1). Ce dispositif peut également délivrer des énergies jusqu’à 1.5 mJ. Nous avons ensuite mis à profit ces performances pour l’amplification d’impulsions à dérive de fréquence, et avons obtenu une énergie par impulsion de 0.7 mJ sur une durée de 570 fs, à une fréquence de répétition de 10 kHz. / This work concerns the development of a double-clad ytterbium-doped single-mode microstructured flexible fiber-based amplifier, in the nanosecond, multi-kiloHertz and milliJoule regime, for large-scale laser facilities seeding. We have used a multi-stage master oscillator power amplifier fibered architecture. A numerical model of ytterbium-doped double-clad fiber-based amplification, including amplified spontaneous emission, was developed in order to study the behaviour of such amplifier and to correctly design the experimental set-up. This model was completed by a feed-back algorithm to numerically predict the optimal temporal shape to compensate the gain saturation process. We demonstrated experimental results in good agreement with numerical simulations, with the following performances: 0.5 mJ pulse energy, at a frequency repetition from 1 kHz to 10 kHz, with a narrow bandwidth spectrum centred at 1053 nm wavelength, with 10 ns pulse duration on a perfect super-Gaussian temporal profile, an optical signal-to-noise ratio better than 50 dB and a polarization extinction ratio of 20 dB. We checked that the beam quality was diffraction limited, with an M² measurement of 1.1. Moreover, the system can deliver energies up to 1.5 mJ. Then, we took the advantage of such results to amplify chirped pulses. We demonstrated 0.7 mJ pulse energy, with 570 fs duration at 10 kHz repetition frequency.

Résumé / Abstract

Les systèmes de gestion de l'énergie exigent des convertisseurs de puissance pour fournir une conversion de puissance adaptée à diverses utilisations. Il existe différents types de convertisseurs de puissance, tel que les amplificateurs de puissance de classe D, les demi-ponts, les ponts complets, les amplificateurs de puissance de classe E, les convertisseurs buck et dernièrement les convertisseurs boost. Prenons par exemple les dispositifs implantables, lorsque l'énergie est prélevée de la source principale, des convertisseurs de puissance buck ou boost sont nécessaires pour traiter l'énergie de l'entrée et fournir une énergie propre et adaptée aux différentes parties du système. D'autre part, dans les stations de charge des voitures électriques, les nouveaux téléphones portables, les stimulateurs neuronaux, etc., l'énergie sans fil a été utilisée pour assurer une alimentation à distance, et des amplificateurs de puissance de classe E sont développés pour accomplir cette tâche. Les amplificateurs de puissance de classe D sont un excellent choix pour les casques d'écoute ou les haut-parleurs en raison de leur grande efficacité. Dans le cas des interfaces de capteurs, les demi-ponts et les ponts complets sont les interfaces appropriées entre les systèmes à faible et à forte puissance. Dans les applications automobiles, l'interface du capteur reçoit le signal du côté puissance réduite et le transmet à un réseau du côté puissance élevée. En outre, l'interface du capteur doit recevoir un signal du côté haute puissance et le convertir vers la côté basse puissance. Tous les systèmes mentionnés ci-dessus nécessitent l'inclusion d'un pilote de porte spécifique dans les circuits, selon les applications. Les commandes de porte comprennent généralement un décalage du niveau de commande niveau supérieur, le levier de changement de niveau inférieur, une chaîne de tampon, un circuit de verrouillage sous tension, un circuit de temps mort, des portes logiques, un inverseur de Schmitt et un mécanisme de démarrage. Ces circuits sont nécessaires pour assurer le bon fonctionnement des systèmes de conversion de puissance. Un circuit d'attaque de porte reconfigurable prendrait en charge une vaste gamme de convertisseurs de puissance ayant une tension d'entrée V[indice IN] et un courant de sortie I[indice Load] variables. L'objectif de ce projet est d'étudier intensivement les causes de différentes pertes dans les convertisseurs de puissance et de proposer ensuite de nouveaux circuits et méthodologies dans les différents circuits des conducteurs de porte pour atteindre une conversion de puissance avec une haute efficacité et densité de puissance. Nous proposons dans cette thèse de nouveaux circuits de gestion des temps mort, un Shapeshifter de niveau plus élevé et un Shapeshifter de niveau inférieur avec de nouvelles topologies qui ont été pleinement caractérisées expérimentalement. De plus, l'équation mathématique du temps mort optimal pour les faces haute et basse d'un convertisseur buck est dérivée et expérimentalement prouvée. Les circuits intégrés personnalisés et les méthodologies proposées sont validés avec différents convertisseurs de puissance, tels que les convertisseurs semi-pont et en boucle ouverte, en utilisant des composants standard pour démontrer leur supériorité sur les solutions traditionnelles. Les principales contributions de cette recherche ont été présentées à sept conférences prestigieuses, trois articles évalués par des pairs, qui ont été publiés ou présentés, et une divulgation d'invention. Une contribution importante de ce travail recherche est la proposition d'un nouveau générateur actif CMOS intégré dédié de signaux sans chevauchement. Ce générateur a été fabriqué à l'aide de la technologie AMS de 0.35µm et consomme 16.8mW à partir d'une tension d'alimentation de 3.3V pour commander de manière appropriée les côtés bas et haut d'un demi-pont afin d'éliminer la propagation. La puce fabriquée est validée de façon expérimentale avec un demi-pont, qui a été mis en œuvre avec des composants disponibles sur le marché et qui contrôle une charge R-L. Les résultats des mesures montrent une réduction de 40% de la perte totale d'un demi-pont de 45V d'entrée à 1MHz par rapport au fonctionnement du demi-pont sans notre circuit intégré dédié. Le circuit principal du circuit d'attaque de grille côté haut est le décaleur de niveau, qui fournit un signal de grande amplitude pour le commutateur de puissance côté haut. Une nouvelle structure de décalage de niveau avec un délai de propagation minimal doit être présentée. Nous proposons une nouvelle topologie de décalage de niveau pour le côté haut des drivers de porte afin de produire des convertisseurs de puissance efficaces. Le SL présente des délais de propagation mesurés de 7.6ns. Les résultats mesurés montrent le fonctionnement du circuit présenté sur la plage de fréquence de 1MHz à 130MHz. Le circuit fabriqué consomme 31.5pW de puissance statique et 3.4pJ d'énergie par transition à 1kHz, V[indice DDL] = 0.8V , V[indice DDH] = 3.0V, et une charge capacitive C[indice L] = 0.1pF. La consommation énergétique totale mesurée par rapport à la charge capacitive de 0.1 à 100nF est indiquée. Un autre nouveau décalage vers le bas est proposé pour être utilisé sur le côté bas des pilotes de portes. Ce circuit est également nécessaire dans la partie Rₓ du réseau de bus de données pour recevoir le signal haute tension du réseau et délivrer un signal de faible amplitude à la partie basse tension. L'une des principales contributions de ces travaux est la proposition d'un modèle de référence pour l'abaissement de niveau à puissance unique reconfigurable. Le circuit proposé pilote avec succès une gamme de charges capacitives allant de 10fF à 350pF. Le circuit présenté consomme des puissances statiques et dynamiques de 62.37pW et 108.9µW, respectivement, à partir d'une alimentation de 3.3V lorsqu'il fonctionne à 1MHz et pilote une charge capacitive de 10pF. Les résultats de la simulation post-layout montrent que les délais de propagation de chute et de montée dans les trois configurations sont respectivement de l'ordre de 0.54 à 26.5ns et de 11.2 à 117.2ns. La puce occupe une surface de 80µm × 100µm. En effet, les temps morts des côtés hauts et bas varient en raison de la différence de fonctionnement des commutateurs de puissance côté haut et côté bas, qui sont respectivement en commutation dure et douce. Par conséquent, un générateur de temps mort reconfigurable asymétrique doit être ajouté aux pilotes de portes traditionnelles pour obtenir une conversion efficace. Notamment, le temps mort asymétrique optimal pour les côtés hauts et bas des convertisseurs de puissance à base de Gan doit être fourni par un circuit de commande de grille reconfigurable pour obtenir une conception efficace. Le temps mort optimal pour les convertisseurs de puissance dépend de la topologie. Une autre contribution importante de ce travail est la dérivation d'une équation précise du temps mort optimal pour un convertisseur buck. Le générateur de temps mort asymétrique reconfigurable fabriqué sur mesure est connecté à un convertisseur buck pour valider le fonctionnement du circuit proposé et l'équation dérivée. De plus le rendement d'un convertisseur buck typique avec T[indice DLH] minimum et T[indice DHL] optimal (basé sur l'équation dérivée) à I[indice Load] = 25mA est amélioré de 12% par rapport à un convertisseur avec un temps mort fixe de T[indice DLH] = T[indice DHL] = 12ns. / Power management systems require power converters to provide appropriate power conversion for various purposes. Class D power amplifiers, half and full bridges, class E power amplifiers, buck converters, and boost converters are different types of power converters. Power efficiency and density are two prominent specifications for designing a power converter. For example, in implantable devices, when power is harvested from the main source, buck or boost power converters are required to receive the power from the input and deliver clean power to different parts of the system. In charge stations of electric cars, new cell phones, neural stimulators, and so on, power is transmitted wirelessly, and Class E power amplifiers are developed to accomplish this task. In headphone or speaker driver applications, Class D power amplifiers are an excellent choice due to their great efficiency. In sensor interfaces, half and full bridges are the appropriate interfaces between the low- and high-power sides of systems. In automotive applications, the sensor interface receives the signal from the low-power side and transmits it to a network on the high-power side. In addition, the sensor interface must receive a signal from the high-power side and convert it down to the low-power side. All the above-summarized systems require a particular gate driver to be included in the circuits depending on the applications. The gate drivers generally consist of the level-up shifter, the level-down shifter, a buffer chain, an under-voltage lock-out circuit, a deadtime circuit, logic gates, the Schmitt trigger, and a bootstrap mechanism. These circuits are necessary to achieve the proper functionality of the power converter systems. A reconfigurable gate driver would support a wide range of power converters with variable input voltage V[subscript IN] and output current I[subscript Load]. The goal of this project is to intensively investigate the causes of different losses in power converters and then propose novel circuits and methodologies in the different circuits of gate drivers to achieve power conversion with high-power efficiency and density. We propose novel deadtime circuits, level-up shifter, and level-down shifter with new topologies that were fully characterized experimentally. Furthermore, the mathematical equation for optimum deadtimes for the high and low sides of a buck converter is derived and proven experimentally. The proposed custom integrated circuits and methodologies are validated with different power converters, such as half bridge and open loop buck converters, using off-the-shelf components to demonstrate their superiority over traditional solutions. The main contributions of this research have been presented in seven high prestigious conferences, three peer-reviewed articles, which have been published or submitted, and one invention disclosure. An important contribution of this research work is the proposal of a novel custom integrated CMOS active non-overlapping signal generator, which was fabricated using the 0.35−µm AMS technology and consumes 16.8mW from a 3.3−V supply voltage to appropriately drive the low and high sides of the half bridge to remove the shoot-through. The fabricated chip is validated experimentally with a half bridge, which was implemented with off-the-shelf components and driving a R-L load. Measurement results show a 40% reduction in the total loss of a 45 − V input 1 − MHz half bridge compared with the half bridge operation without our custom integrated circuit. The main circuit of high-side gate driver is the level-up shifter, which provides a signal with a large amplitude for the high-side power switch. A new level shifter structure with minimal propagation delay must be presented. We propose a novel level shifter topology for the high side of gate drivers to produce efficient power converters. The LS shows measured propagation delays of 7.6ns. The measured results demonstrate the operation of the presented circuit over the frequency range of 1MHz to 130MHz. The fabricated circuit consumes 31.5pW of static power and 3.4pJ of energy per transition at 1kHz, V[subscript DDL] = 0.8V , V[subscript DDH] = 3.0V , and capacitive load C[subscript L] = 0.1pF. The measured total power consumption versus the capacitive load from 0.1pF to 100nF is reported. Another new level-down shifter is proposed to be used on the low side of gate drivers. Another new level-down shifter is proposed to be used on the low side of gate drivers. This circuit is also required in the Rₓ part of the data bus network to receive the high-voltage signal from the network and deliver a signal with a low amplitude to the low-voltage part. An essential contribution of this work is the proposal of a single supply reconfigurable level-down shifter. The proposed circuit successfully drives a range of capacitive load from 10fF to 350pF. The presented circuit consumes static and dynamic powers of 62.37pW and 108.9µW, respectively, from a 3.3 − V supply when working at 1MHz and drives a 10pF capacitive load. The post-layout simulation results show that the fall and rise propagation delays in the three configurations are in the range of 0.54 − 26.5ns and 11.2 − 117.2ns, respectively. Its core occupies an area of 80µm × 100µm. Indeed, the deadtimes for the high and low sides vary due to the difference in the operation of the high- and low-side power switches, which are under hard and soft switching, respectively. Therefore, an asymmetric reconfigurable deadtime generator must be added to the traditional gate drivers to achieve efficient conversion. Notably, the optimal asymmetric deadtime for the high and low sides of GaN-based power converters must be provided by a reconfigurable gate driver to achieve efficient design. The optimum deadtime for power converters depends on the topology. Another important contribution of this work is the derivation of an accurate equation of optimum deadtime for a buck converter. The custom fabricated reconfigurable asymmetric deadtime generator is connected to a buck converter to validate the operation of the proposed circuit and the derived equation. The efficiency of a typical buck converter with minimum T[subscript DLH] and optimal T[subscript DHL] (based on the derived equation) at I[subscript Load] = 25mA is improved by 12% compared to a converter with a fixed deadtime of T[subscript DLH] = T[subscript DHL] = 12ns.

Le silicium est le fondement de la microélectronique, pour laquelle des milliards de dollars et des décennies de recherche ont été consacrés au développement de l'industrie de la fabrication. Après avoir surmonté un certain nombre d'obstacles techniques difficiles, cette technologie a atteint une maturité, une rentabilité et un processus robuste. La photonique à base de silicium a récemment fait l'objet d'une grande attention en raison de la demande mondiale croissante de données issues des télécommunications. Le silicium, matériau transparent dans les spectres du proche et du moyen infrarouge, permet de concevoir des circuits optiques basés sur cette plate-forme. Tirant parti de l'infrastructure et de l'expertise de la fabrication microélectronique moderne, la photonique de silicium offre de nombreux avantages attrayants en réduisant la taille, la consommation d'énergie et le coût de fabrication, ainsi qu'un grand potentiel de production de masse. Les progrès récents de la photonique de silicium ont permis aux concepteurs d'avoir accès à des librairies de blocs de construction passifs et actifs tels que des multiplexeurs, des résonateurs en anneau, des modulateurs, des photodétecteurs, etc. Ces avancées ont incité les chercheurs à exploiter cette plateforme dans divers domaines allant de la détection à la médecine. L'un des défis de la recherche sur la photonique du silicium est de développer une source de lumière et un amplificateur compatible avec le silicium en raison des bandes interdites indirectes du silicium et du germanium. Plusieurs solutions sont actuellement à l'étude pour fournir des sources de lumière sur puce, qui sont réalisées comme suit : lasers à commande électrique par manipulation de la bande interdite et méthodes de co-intégration ou lasers à commande optique par co-intégration de matériaux de gain, dopage d'un matériau de revêtement avec des ions de terres rares, ou utilisation d'effets non linéaires pour convertir la fréquence. La manipulation de la bande interdite implique l'ingénierie de la bande interdite des matériaux du groupe IV avec des souches ou des alliages pour améliorer l'émission directe de la bande interdite. Les techniques de co-intégration comprennent la croissance épitaxiale hétérogène ou le collage de matériaux du groupe III-V sur le guide d'ondes en silicium pour concevoir un laser ou tirer parti de caractéristiques à gain élevé. Le dopage d'une gaine de verre avec des éléments de terres rares comme le thulium, l'holmium, l'erbium avec des guides d'ondes spécialement conçus pour former une cavité laser a également été proposé comme solution. La conversion de fréquence par des effets non linéaires dans les guides d'ondes en silicium est une autre approche de la génération de lumière sur puce qui peut être réalisée sans aucun post-traitement des puces en silicium sur isolant (SOI). Par exemple, dans le silicium, la non-linéarité du troisième ordre permet la génération de peignes, la génération de supercontinuum, l'oscillation paramétrique optique et l'émission Raman. Parmi celles-ci, la diffusion Raman-Stokes stimulée (SRSS) peut être avantageusement utilisée pour la conversion et l'amplification des longueurs d'onde, car elle ne nécessite pas d'ingénierie de dispersion. Le gain Raman du silicium a donc été exploité dans la conception de divers lasers et amplificateurs sur puce. Les lasers et amplificateurs Raman sur puce utilisent des conceptions simples et ont jusqu'à présent été réalisés principalement avec des tranches de silicium relativement épaisses. Dans ce travail, nous profitons du gain Raman pour étudier, modéliser, concevoir et démontrer expérimentalement un laser et un amplificateur Raman. Nos recherches s'appuient sur une fonderie à accès libre offrant des plaquettes SOI standard avec une épaisseur de silicium de 220 nm. Dans notre première contribution, nous présentons un modèle complet pour un laser Raman CW dans une plateforme SOI. Nous concevons ensuite un laser Raman de 2,232 μm avec une cavité résonante en anneau sur puce. Les valeurs optimisées pour la longueur de la cavité et les rapports de couplage de puissance sont déterminés par la simulation numérique des performances du laser en tenant compte des variations de fabrication. Enfin, en concevant un coupleur directionnel (DC) accordable pour la cavité laser, une conception robuste du laser Raman est présentée. Nous montrons que la réduction des pertes de propagation et l'élimination des porteurs libres, par l'utilisation d'une jonction p-i-n, amélioreront de manière significative les performances du laser Raman en termes de réduction de la puissance de seuil et d'augmentation de l'efficacité de la pente. Dans notre deuxième contribution, nous démontrons un laser Raman accordable de haute performance qui convertit la gamme de longueur d'onde de pompe de 1530 nm - 1600 nm à la gamme de signal de 1662 nm- 1745 nm avec une puissance de sortie moyenne de 3 mW à ~50 mW de puissance de pompe avec un seul dispositif. La caractéristique principale de ce laser est l'utilisation d'un mécanisme de couplage accordable pour ajuster les coefficients de couplage de la pompe et du signal dans la cavité en anneau et compenser les erreurs de fabrication. Nos résultats sont très prometteurs pour l'augmentation substantielle des ressources spectrales optiques disponibles sur une puce de silicium. Nous démontrons également, pour la première fois, un laser Raman dans l'infrarouge moyen générant un signal à 2,231 μm avec une pompe à 2 μm et étudions les défis d'obtenir une émission cette bande. Notre dernière contribution est dédiée à l'amplificateur Raman, nous discutons et validons expérimentalement l'importance de considérer le gain Raman non-réciproque en utilisant une pompe et une sonde contre-propagatives ou co-propagatives, différentes longueurs d'amplificateur, puissances de pompe d'entrée et valeurs de perte non-linéaire. Nous démontrons un circuit optique sans perte assisté par Raman dans un guide d'ondes de 1,2 cm de longueur qui atteint un gain net nul avec seulement 60 mW de pompage en puissance continue. Nous examinons les pertes non linéaires des guides d'ondes en silicium pour estimer la durée de vie des porteurs libres (FCL), puis nous extrayons le coefficient de gain Raman du guide d'ondes photonique en silicium. Nous utilisons ensuite ces paramètres clés comme entrée d'un modèle d'amplificateur Raman photonique au silicium pour trouver la performance optimale en fonction de l'encombrement et de la puissance de pompage disponibles. / Silicon is the foundation of microelectronics in which billions of dollars and decades of research have been devoted in development of fabrication industry. After overcoming number of difficult technical obstacles, this technology has reached a mature, cost effective and a robust process. Silicon-based photonics have recently witnessed a great deal of attention sparked by a global-growing demand of data from telecommunication. Silicon as transparent material in near- and mid-infrared spectra enables designing optical circuits based on this platform. Leveraging the modern microelectronics manufacturing infrastructure and expertise, silicon photonics offers many appealing advantages in lowering the size, power consumption and fabrication cost beside a great potential to be mass-produced. Recent advances in silicon photonics have enabled designers to have access to libraries of passive and active building blocks such as multiplexers, ring resonators, modulators, photodetectors and etc. Such breakthroughs have attracted researchers to exploit this platform in various fields spanning from sensing to medicine. A challenging aspect in silicon photonics research is to develop a silicon-compatible light source and amplifier due to the indirect band gaps of silicon and germanium. Several solutions are currently proposed to design the on-chip light sources: electrically-driven lasers by band gap manipulation and co-integration methods or optically-driven lasers by gain material co-integration, doping a cladding material with rare earth ions, or using nonlinear effects to convert frequency. Band-gap manipulation implies engineering the group IV materials band gap with strain or alloys to improve the direct band gap emission. Co-integration techniques include heterogeneous epitaxial growth or bonding the group III-V materials on the silicon waveguide to design a laser or take advantage of high-gain features. Doping of a glass cladding with rare earth elements like thulium, holmium, erbium with specially designed waveguides to form a laser cavity has also been proposed as a solution. Frequency conversion through nonlinear effects in silicon waveguides is another approach to on-chip light generation that is possible to achieve without any post processing of silicon on insulator (SOI) chips. For example, in silicon, the third-order nonlinearity enables comb generation, supercontinuum generation, optical parametric oscillation, and Raman emission. Among them, stimulated Raman-Stokes scattering (SRSS) can be advantageously used for wavelength conversion and amplification with ease since it does not require dispersion engineering. The silicon Raman gain has therefore been exploited in designing various on-chip lasers and amplifiers. On-chip Raman lasers and amplifiers use simple designs and have so far been achieved mostly with relatively thick silicon wafers. In this work, we take advantage of Raman gain to comprehensively study, model, design and experimentally demonstrate Raman laser and amplifier. Our investigations rely on open-access foundry offering the standard SOI wafers with silicon thickness of 220 nm. In our first contribution, we present a comprehensive model for a CW Raman laser in SOI platform. We then design a 2.232 µm Raman laser with an on-chip ring resonator cavity. The optimized values for the cavity length and power coupling ratios are determined by numerical simulation of laser performance taking into account fabrication variations. Finally, by designing a tunable directional coupler (DC) for the laser cavity, a robust design of Raman laser is presented. We show the reduction of propagation loss and free carriers removal, by the use of a p-i-n junction, will significantly improve the Raman laser performance in terms of threshold power reduction and increasing the slope efficiency. In our second contribution, we demonstrate a high-performance tunable Raman laser which converts the pump wavelength range of 1530 nm - 1600 nm to the signal range of 1662 nm- 1745 nm with an average output power of 3 mW at ~50 mW pump power with only a single device. The key feature to this laser is the use of a tunable coupling mechanism to adjust both pump and signal coupling coefficients in the ring cavity and compensate the fabrication errors. Our results indicate great promise for substantially increasing the optical spectral resources available on a silicon chip. We also, for the first time, demonstrate a MIR Raman laser generating signal at 2.231 µm with a pump at 2 µm and study the challenges of working in this band. Our last contribution is dedicated to Raman amplifier. We discuss and experimentally validate the importance of considering the non-reciprocal Raman-gain by using counter-propagating or co-propagating pumps and probes, different amplifier lengths, input pump powers and nonlinear loss values. We demonstrate a Raman-assisted loss-less optical circuit in a 1.2-cm-length waveguide that reaches zero net-gain with only 60 mW continuous-wave pumping. We examine the nonlinear loss of silicon waveguides to estimate free carrier lifetime (FCL) then extract the Raman gain coefficient of silicon photonic waveguide. Then, we use these key parameters as input to a silicon photonic Raman amplifier model to find the optimum performance based on the available footprint and pump power.

Les systèmes de gestion de l'énergie exigent des convertisseurs de puissance pour fournir une conversion de puissance adaptée à diverses utilisations. Il existe différents types de convertisseurs de puissance, tel que les amplificateurs de puissance de classe D, les demi-ponts, les ponts complets, les amplificateurs de puissance de classe E, les convertisseurs buck et dernièrement les convertisseurs boost. Prenons par exemple les dispositifs implantables, lorsque l'énergie est prélevée de la source principale, des convertisseurs de puissance buck ou boost sont nécessaires pour traiter l'énergie de l'entrée et fournir une énergie propre et adaptée aux différentes parties du système. D'autre part, dans les stations de charge des voitures électriques, les nouveaux téléphones portables, les stimulateurs neuronaux, etc., l'énergie sans fil a été utilisée pour assurer une alimentation à distance, et des amplificateurs de puissance de classe E sont développés pour accomplir cette tâche. Les amplificateurs de puissance de classe D sont un excellent choix pour les casques d'écoute ou les haut-parleurs en raison de leur grande efficacité. Dans le cas des interfaces de capteurs, les demi-ponts et les ponts complets sont les interfaces appropriées entre les systèmes à faible et à forte puissance. Dans les applications automobiles, l'interface du capteur reçoit le signal du côté puissance réduite et le transmet à un réseau du côté puissance élevée. En outre, l'interface du capteur doit recevoir un signal du côté haute puissance et le convertir vers la côté basse puissance. Tous les systèmes mentionnés ci-dessus nécessitent l'inclusion d'un pilote de porte spécifique dans les circuits, selon les applications. Les commandes de porte comprennent généralement un décalage du niveau de commande niveau supérieur, le levier de changement de niveau inférieur, une chaîne de tampon, un circuit de verrouillage sous tension, un circuit de temps mort, des portes logiques, un inverseur de Schmitt et un mécanisme de démarrage. Ces circuits sont nécessaires pour assurer le bon fonctionnement des systèmes de conversion de puissance. Un circuit d'attaque de porte reconfigurable prendrait en charge une vaste gamme de convertisseurs de puissance ayant une tension d'entrée V[indice IN] et un courant de sortie I[indice Load] variables. L'objectif de ce projet est d'étudier intensivement les causes de différentes pertes dans les convertisseurs de puissance et de proposer ensuite de nouveaux circuits et méthodologies dans les différents circuits des conducteurs de porte pour atteindre une conversion de puissance avec une haute efficacité et densité de puissance. Nous proposons dans cette thèse de nouveaux circuits de gestion des temps mort, un Shapeshifter de niveau plus élevé et un Shapeshifter de niveau inférieur avec de nouvelles topologies qui ont été pleinement caractérisées expérimentalement. De plus, l'équation mathématique du temps mort optimal pour les faces haute et basse d'un convertisseur buck est dérivée et expérimentalement prouvée. Les circuits intégrés personnalisés et les méthodologies proposées sont validés avec différents convertisseurs de puissance, tels que les convertisseurs semi-pont et en boucle ouverte, en utilisant des composants standard pour démontrer leur supériorité sur les solutions traditionnelles. Les principales contributions de cette recherche ont été présentées à sept conférences prestigieuses, trois articles évalués par des pairs, qui ont été publiés ou présentés, et une divulgation d'invention. Une contribution importante de ce travail recherche est la proposition d'un nouveau générateur actif CMOS intégré dédié de signaux sans chevauchement. Ce générateur a été fabriqué à l'aide de la technologie AMS de 0.35µm et consomme 16.8mW à partir d'une tension d'alimentation de 3.3V pour commander de manière appropriée les côtés bas et haut d'un demi-pont afin d'éliminer la propagation. La puce fabriquée est validée de façon expérimentale avec un demi-pont, qui a été mis en œuvre avec des composants disponibles sur le marché et qui contrôle une charge R-L. Les résultats des mesures montrent une réduction de 40% de la perte totale d'un demi-pont de 45V d'entrée à 1MHz par rapport au fonctionnement du demi-pont sans notre circuit intégré dédié. Le circuit principal du circuit d'attaque de grille côté haut est le décaleur de niveau, qui fournit un signal de grande amplitude pour le commutateur de puissance côté haut. Une nouvelle structure de décalage de niveau avec un délai de propagation minimal doit être présentée. Nous proposons une nouvelle topologie de décalage de niveau pour le côté haut des drivers de porte afin de produire des convertisseurs de puissance efficaces. Le SL présente des délais de propagation mesurés de 7.6ns. Les résultats mesurés montrent le fonctionnement du circuit présenté sur la plage de fréquence de 1MHz à 130MHz. Le circuit fabriqué consomme 31.5pW de puissance statique et 3.4pJ d'énergie par transition à 1kHz, V[indice DDL] = 0.8V , V[indice DDH] = 3.0V, et une charge capacitive C[indice L] = 0.1pF. La consommation énergétique totale mesurée par rapport à la charge capacitive de 0.1 à 100nF est indiquée. Un autre nouveau décalage vers le bas est proposé pour être utilisé sur le côté bas des pilotes de portes. Ce circuit est également nécessaire dans la partie Rₓ du réseau de bus de données pour recevoir le signal haute tension du réseau et délivrer un signal de faible amplitude à la partie basse tension. L'une des principales contributions de ces travaux est la proposition d'un modèle de référence pour l'abaissement de niveau à puissance unique reconfigurable. Le circuit proposé pilote avec succès une gamme de charges capacitives allant de 10fF à 350pF. Le circuit présenté consomme des puissances statiques et dynamiques de 62.37pW et 108.9µW, respectivement, à partir d'une alimentation de 3.3V lorsqu'il fonctionne à 1MHz et pilote une charge capacitive de 10pF. Les résultats de la simulation post-layout montrent que les délais de propagation de chute et de montée dans les trois configurations sont respectivement de l'ordre de 0.54 à 26.5ns et de 11.2 à 117.2ns. La puce occupe une surface de 80µm × 100µm. En effet, les temps morts des côtés hauts et bas varient en raison de la différence de fonctionnement des commutateurs de puissance côté haut et côté bas, qui sont respectivement en commutation dure et douce. Par conséquent, un générateur de temps mort reconfigurable asymétrique doit être ajouté aux pilotes de portes traditionnelles pour obtenir une conversion efficace. Notamment, le temps mort asymétrique optimal pour les côtés hauts et bas des convertisseurs de puissance à base de Gan doit être fourni par un circuit de commande de grille reconfigurable pour obtenir une conception efficace. Le temps mort optimal pour les convertisseurs de puissance dépend de la topologie. Une autre contribution importante de ce travail est la dérivation d'une équation précise du temps mort optimal pour un convertisseur buck. Le générateur de temps mort asymétrique reconfigurable fabriqué sur mesure est connecté à un convertisseur buck pour valider le fonctionnement du circuit proposé et l'équation dérivée. De plus le rendement d'un convertisseur buck typique avec T[indice DLH] minimum et T[indice DHL] optimal (basé sur l'équation dérivée) à I[indice Load] = 25mA est amélioré de 12% par rapport à un convertisseur avec un temps mort fixe de T[indice DLH] = T[indice DHL] = 12ns. / Power management systems require power converters to provide appropriate power conversion for various purposes. Class D power amplifiers, half and full bridges, class E power amplifiers, buck converters, and boost converters are different types of power converters. Power efficiency and density are two prominent specifications for designing a power converter. For example, in implantable devices, when power is harvested from the main source, buck or boost power converters are required to receive the power from the input and deliver clean power to different parts of the system. In charge stations of electric cars, new cell phones, neural stimulators, and so on, power is transmitted wirelessly, and Class E power amplifiers are developed to accomplish this task. In headphone or speaker driver applications, Class D power amplifiers are an excellent choice due to their great efficiency. In sensor interfaces, half and full bridges are the appropriate interfaces between the low- and high-power sides of systems. In automotive applications, the sensor interface receives the signal from the low-power side and transmits it to a network on the high-power side. In addition, the sensor interface must receive a signal from the high-power side and convert it down to the low-power side. All the above-summarized systems require a particular gate driver to be included in the circuits depending on the applications. The gate drivers generally consist of the level-up shifter, the level-down shifter, a buffer chain, an under-voltage lock-out circuit, a deadtime circuit, logic gates, the Schmitt trigger, and a bootstrap mechanism. These circuits are necessary to achieve the proper functionality of the power converter systems. A reconfigurable gate driver would support a wide range of power converters with variable input voltage V[subscript IN] and output current I[subscript Load]. The goal of this project is to intensively investigate the causes of different losses in power converters and then propose novel circuits and methodologies in the different circuits of gate drivers to achieve power conversion with high-power efficiency and density. We propose novel deadtime circuits, level-up shifter, and level-down shifter with new topologies that were fully characterized experimentally. Furthermore, the mathematical equation for optimum deadtimes for the high and low sides of a buck converter is derived and proven experimentally. The proposed custom integrated circuits and methodologies are validated with different power converters, such as half bridge and open loop buck converters, using off-the-shelf components to demonstrate their superiority over traditional solutions. The main contributions of this research have been presented in seven high prestigious conferences, three peer-reviewed articles, which have been published or submitted, and one invention disclosure. An important contribution of this research work is the proposal of a novel custom integrated CMOS active non-overlapping signal generator, which was fabricated using the 0.35−µm AMS technology and consumes 16.8mW from a 3.3−V supply voltage to appropriately drive the low and high sides of the half bridge to remove the shoot-through. The fabricated chip is validated experimentally with a half bridge, which was implemented with off-the-shelf components and driving a R-L load. Measurement results show a 40% reduction in the total loss of a 45 − V input 1 − MHz half bridge compared with the half bridge operation without our custom integrated circuit. The main circuit of high-side gate driver is the level-up shifter, which provides a signal with a large amplitude for the high-side power switch. A new level shifter structure with minimal propagation delay must be presented. We propose a novel level shifter topology for the high side of gate drivers to produce efficient power converters. The LS shows measured propagation delays of 7.6ns. The measured results demonstrate the operation of the presented circuit over the frequency range of 1MHz to 130MHz. The fabricated circuit consumes 31.5pW of static power and 3.4pJ of energy per transition at 1kHz, V[subscript DDL] = 0.8V , V[subscript DDH] = 3.0V , and capacitive load C[subscript L] = 0.1pF. The measured total power consumption versus the capacitive load from 0.1pF to 100nF is reported. Another new level-down shifter is proposed to be used on the low side of gate drivers. Another new level-down shifter is proposed to be used on the low side of gate drivers. This circuit is also required in the Rₓ part of the data bus network to receive the high-voltage signal from the network and deliver a signal with a low amplitude to the low-voltage part. An essential contribution of this work is the proposal of a single supply reconfigurable level-down shifter. The proposed circuit successfully drives a range of capacitive load from 10fF to 350pF. The presented circuit consumes static and dynamic powers of 62.37pW and 108.9µW, respectively, from a 3.3 − V supply when working at 1MHz and drives a 10pF capacitive load. The post-layout simulation results show that the fall and rise propagation delays in the three configurations are in the range of 0.54 − 26.5ns and 11.2 − 117.2ns, respectively. Its core occupies an area of 80µm × 100µm. Indeed, the deadtimes for the high and low sides vary due to the difference in the operation of the high- and low-side power switches, which are under hard and soft switching, respectively. Therefore, an asymmetric reconfigurable deadtime generator must be added to the traditional gate drivers to achieve efficient conversion. Notably, the optimal asymmetric deadtime for the high and low sides of GaN-based power converters must be provided by a reconfigurable gate driver to achieve efficient design. The optimum deadtime for power converters depends on the topology. Another important contribution of this work is the derivation of an accurate equation of optimum deadtime for a buck converter. The custom fabricated reconfigurable asymmetric deadtime generator is connected to a buck converter to validate the operation of the proposed circuit and the derived equation. The efficiency of a typical buck converter with minimum T[subscript DLH] and optimal T[subscript DHL] (based on the derived equation) at I[subscript Load] = 25mA is improved by 12% compared to a converter with a fixed deadtime of T[subscript DLH] = T[subscript DHL] = 12ns.

Motivé par le fort potentiel scientifique et technologique de l'infrarouge moyen (3-20 µm), le développement de sources lumineuses intenses dans cette région du spectre électromagnétique a subi un essor considérable depuis le début des années 2000. On retrouve maintenant une grande variété de lasers et autres sources pouvant émettre au-delà de 3 µm (lasers à fibres, lasers à cascade quantique, systèmes de conversion paramétrique, lasers à l'état solide, etc). Toutefois, malgré la panoplie d'options ayant émergées pour tester les nouvelles possibilités offertes par l'infrarouge moyen, plusieurs défis restent encore à relever au niveau des sources. Notamment, les enjeux de couverture spectrale, d'efficacité et de simplicité d'utilisation et de fabrication des sources sont encore omniprésents. À titre d'exemple, peu de lasers peuvent produire des impulsions courtes (sub-picosecondes) dans l'infrarouge moyen, et seuls les plus complexes et coûteux d'entre eux peuvent accorder ces impulsions sur une grande plage spectrale, s'accompagnant d'une efficacité énergétique globale très faible. D'autre part, ces problèmes de couverture spectrale, de simplicité et d'efficacité se retrouvent également chez les sources supercontinuum utilisées pour les applications requérant un spectre large couvrant en totalité ou en partie la région de 3 à 5 µm, qui contient de nombreuses résonances moléculaires utiles en spectroscopie (hydrocarbones et oxydes simples). Bien que ces sources produisent un spectre très large à partir d'un système tout fibre et des puissances moyennes pouvant atteindre plusieurs Watts, elles ont le désavantage de générer une grande proportion de leur énergie en-deçà de 3 µm (habituellement entre 40 et 90%), de produire un spectre peu uniforme, et ont beaucoup de difficulté à couvrir la totalité de la fenêtre de 3 à 5 µm. Constatant ces défis, l'objectif global de cette thèse était de faciliter et d'améliorer la conversion et la génération de spectre dans la région de 3 à 5 µm. Comme première contribution de cette thèse, une nouvelle méthode de génération de supercontinuum a été démontrée, permettant la création d'un spectre plat allant de 2.6 à 4.1 µm à partir d'un système simple et produisant jusqu'à 82% de l'énergie spectrale au-delà de 3 µm (Chapitre 2). En poursuivant avec cette approche, il a été possible d'établir un record pour le supercontinuum le plus large généré dans une fibre de fluoroindate (InF₃), allant de 2.4 à 5.4 µm (Chapitre 3). Les chapitres 4 et 5 avaient pour objectif d'approfondir notre connaissance et d'optimiser les paramètres expérimentaux de cette technique. Finalement, la contribution présentée dans le chapitre 6 a permis de s'attaquer au problème de la disponibilité d'impulsions brèves et accordables dans l'infrarouge moyen à partir de sources plus abordables et pratiques à utiliser que les chaînes lasers à conversion paramétrique. Pour ce faire, nous avons utilisé les phénomènes de fission solitonique et d'autodécalage Raman afin de décaler spectralement et de manière contrôlée des impulsions femtosecondes entre 2.8 µm et 4.8 µm, le tout à partir d'un système fibré. / Motivated by the strong scientific and technological potential of the mid-infrared (3-20 µm), the development of intense light sources in this spectral region experienced considerable growth since the early 2000's. We now have access to a large variety of lasers and other sources emitting beyond 3 µm (fiber lasers, quantum cascade lasers, parametric sources, solid-state lasers, etc). Nonetheless, numerous challenges on the source development side still remain despite the wide array of options that emerged to test the new possibilities offered by the mid-infrared. Notably, the issues of spectral coverage, energy efficiency and ease of use and fabrication are still omnipresent. As an example, few lasers can produce short pulses (sub-picosecond) in the mid-infrared, and only the most complex and costly systems are able to tune those pulses over a significant spectral range, often at the cost of poor energy efficiency. On the other hand, the problems of spectral coverage, simplicity and efficiency are also found in supercontinuum sources used in applications requiring a large spectrum covering all or in part the 3 to 5 µm spectral region, which hosts numerous molecular resonances useful in spectroscopy (such as in hydrocarbons and simple oxides). While these sources can produce a very large spectrum from an all-fiber configuration and reach multiple Watts of average output power, they have the disadvantage of generating a large part of their energy below 3 µm (usually around 40 to 90%), of producing irregular spectral shapes, and have difficulties covering the whole 3 to 5 µm window. Aware of these issues, the general goal of this thesis was to facilitate and improve the conversion and creation of spectral components in the 3 to 5 µm region. As the first contribution of this thesis, a novel supercontinuum generation technique was demonstrated, allowing the creation of a flat spectrum spanning 2.6 to 4.1 µm from a simple system and producing up to 82% of the spectral power beyond 3 µm (Chapter 2). By using a similar approach, we were able to set a new record for the largest supercontinuum in an indium fluoride fiber (InF₃), going from 2.4 to 5.4 µm (Chapter 3). Chapters 4 and 5 aimed to improve our understanding and optimize the experimental parameters of the technique. Finally, the contribution presented in Chapter 6 adressed the lack of short and tunable pulses in the mid-infrared produced by affordable and easy to use sources, as opposed to nonlinear parametric conversion laser systems. To do so, we relied on the solitonic fission and soliton self-frequency shift phenomena to spectrally shift femtosecond pulses between 2.8 µm and 4.8 µm in a controlled manner from a fiberized system.

L'apparition des lasers femtosecondes produisant des impulsions ultra-brèves très puissantes a permis d'observer plusieurs effets non linéaires. L'absorption à deux photons a particulièrement été étudiée au cours des dernières années et cet effet a déjà été mis à profit dans des applications de microscopie et de spectroscopie afin d'augmenter la résolution des mesures. En vertu de la symétrie des coefficients d 'Einstein, on peut également poser l'existence d'une émission stimulée à deux photons où deux photons rapprochés interagissent avec un atome excité pour stimuler l'émission de deux nouveaux photons. Un tel mode d'émission possède des propriétés très intéressantes du fait de sa nature non linéaire. Le mémoire qui suit présente les résultats des recherches effectuées dans le but de démontrer l'opération d'un amplificateur à fibre basé sur le phénomène d'émission stimulée multiphotonique. Nous présentons d'abord un modèle mathématique théorique qui décrit le fonctionnement dynamique d'un tel amplificateur. Nous démontrons ainsi certains comportements intéressants d'un tel amplificateur, notamment, un gain plus fort et une saturation beaucoup plus rapide que pour un amplificateur conventionnel. On démontre également que le gain non linéaire n'est appréciable que sur une plage d'intensité s'étendant sur environ deux ordres de grandeur de part et d'autre de l'intensité de saturation. Ce comportement permettrait d'intégrer un tel n1ilieu non linéaire à un laser conventionnel pour l'amener aux conditions de synchronisation modale. Par ailleurs, un amplificateur à deux photons possède théoriquement une bande de gain très large puisque toute combinaison de deux photons dont la somme des énergies correspond à l'excitation des atomes peux être amplifiée. Ceci pourrait avoir des applications pour l'amplification d'impulsions ultrabrèves où la largeur de gain des milieux amplificateurs peut devenir insuffisante par rapport au contenu spectral de l'impulsion. Dans ce domaine, un amplificateur non linéaire a également l'avantage de raccourcir intrinsèquement les impulsions puisque son gain est proportionnel à l'intensité de l'impulsion, ce qui donne un gain plus fort au pic central de l'impulsion par rapport aux ailes. Au point de vue de l'expérimentation, nous avons tenté de démontrer l'amplification à deux photons dans de la fibre optique dopée Yb autour de 2 microns. Nous avons utilisé un laser à fibre dopée Er pour générer un supercontinuum s'étendant jusqu'à 2 microns que nous avons injecté dans une section de 10m de fibre dopée Yb pompée par une diode laser. Nous n'avons pas pu noter d'amplification mais nous avons toutefois mesuré de la fluorescence en provenance de la fibre dopée lorsque la fibre n'était pas pompée. Cette fluorescence indique qu' il y a bien une interaction entre le supercontinuum injecté et les atomes d'ytterbium.