L'engouement récent pour l'Internet des Objets comme pour les communications satellites entraine des besoins forts en systèmes de communication radio-fréquence (RF) performants. Afin de répondre aux contraintes du marché de masse, ces systèmes doivent être toujours moins encombrants et permettre de maitriser leur consommation de puissance. Ils doivent également être capable d'adresser plusieurs standards de communications et d'ajuster leur performances aux besoins de leur environnement, toujours afin de réduire leur taille et leur consommation. Actuellement, beaucoup de travaux se concentrent sur le développement d'amplificateurs faible-bruits (LNA), le bloc le plus critique des récepteurs RF. L'objectif est donc de concevoir des récepteurs multi-mode et multi-standard. Pour cela, les LNA nécessitent des flots de conception capables de s'adapter aux différentes technologies et topologies afin de répondre à des cahiers des charges très diverses. Cette thèse a donc pour objectif le développement de méthodologies de conception simple et précise pour l'implémentation d'amplificateurs faible bruit.La première méthodologie présentée est dédiée à l'implémentation de LNA en technologie COTS pour des applications spatiales. Ce LNA présente une adaptation large-bande pour adresser plusieurs standards. Il a été conçu pour faire partie d'un récepteur RF dédié aux nano-satellites. Ce dernier a donc fait l'objet d'une étude préliminaire afin de déterminer le cahier des charges à partir des normes des standards visés.La seconde méthodologie est dédiée à l'implémentation de LNA en technologie CMOS pour n'importe quelle type d'applications. Cette méthodologie est d'abord présentée au travers de topologies simples, puis appliquée à un LNA sans inductances à forte linéarité. Cette méthodologie permet notamment de comparer les topologies mais également les technologies CMOS, même les plus avancées telle que la 28 nm FDSOI.Enfin le LNA sans inductances est rendu reconfigurable pour adresser plusieurs standards tout en gardant le dimensionnement optimum obtenu par la méthodologie présentée précédemment. En effet les tailles et polarisation de chaque transistor sont contrôlées numériquement afin d'adapter les performances du LNA à un standard donné. De plus, l'étude de filtres de type N-path combinés au LNA proposé permet d'étendre encore la linéarité du circuit / The recent enthusiasm for the Internet of Objects as well as for satellite communications leads to the need for high-performance radio-frequency (RF) communication systems. In order to meet the constraints of the mass market, these systems must be compact and be as low power as possible. Beside, they are expected to address multiple communication standards and to adjust their performance to the environment, still in order to reduce the size and the power consumption. Currently, many works focus on the development of low-noise amplifiers (LNA), the most critical block of RF receivers. To address this purpose, the goal is to design multi-mode and multi-standard receivers. Hence, LNAs require design flows that can adapt to the different technologies and topologies in order to meet any given set of specifications. This thesis aims at the development of simple and accurate design methodologies for the implementation of low-noise amplifiers.The first proposed methodology is dedicated to the implementation of a LNA in COTS technology for spatial applications. This LNA offers a broadband matching to address several standards. It is designed to be part of an RF receiver for nano-satellites. Thus, the latter is first studied in order to determine the specifications based on the standards of the targeted applications.The second methodology is dedicated to the implementation of LNAs in CMOS technology for any kind of applications. This methodology is first illustrated with basic topologies and then applied to an highly linear inductorless LNA. The design methodology also enables a fair comparison between the topologies and also CMOS technologies, even the most advanced ones such as the 28 nm FDSOI.Finally, reconfigurability is added to the inductorless LNA, to address several standards while retaining the optimum sizing given by the previously introduced methodology. Indeed, the size and polarization of each transistor are digitally controlled in order to adjust the LNA's performance to a given standard. Furthermore, the study of N-path filters combined with the proposed LNA is explored to improve the linearity of the circuit.

Cette thèse porte sur la conception d’amplificateurs de puissance reconfigurables en technologie CMOS avancée pour une application cellulaire de 4ème génération. Dans les systèmes de communication sans fil, le rendement énergétique est un critère primordial qui impacte la durée d’utilisation de la batterie. Principalement déterminé par la consommation d’énergie du transmetteur, il est plus particulièrement lié à celle de l’amplificateur de puissance (PA). Pour les terminaux mobiles de 4ème génération (4G), les techniques de transmission et les modulations utilisées pour atteindre les débits de données visés induisant une dynamique importante du signal à transmettre, l’implémentation de techniques d’amélioration du rendement autour du PA devient indispensable, afin de le reconfigurer en puissance.Nous avons mis au point dans ce travail de recherche des architectures innovantes utilisant les techniques d’amélioration du Power Cell Switching (PCS) et de l’Envelope Tracking (ET). Le double objectif visé étant d’améliorer significativement le rendement pour les faibles niveaux de puissance et d’apporter de la flexibilité par rapport à un PA utilisé seul. Une première architecture utilisant la technique du PCS totalement intégré en technologie CMOS 65nm de STMicroelectronics, mettant en œuvre des transformateurs comme combineurs de puissance, a été réalisée pour valider la fonctionnalité du concept proposé. Puis une deuxième architecture combinant les techniques du PCS et de l’ET a été conçue, afin d’évaluer les avantages qu’apporte la combinaison de ces deux techniques par rapport à un PA fonctionnant seul et à un PA développé utilisant la technique du PCS. / This thesis deals with the design of reconfigurable power amplifiers implemented in CMOS technology for 4G LTE application. For the next generation communication systems such as 4G LTE, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is employed for a wideband communication. Indeed, signal information is encoded both in amplitude and phase domains, which results in a higher peak to average power ratio than for 2G and 3G systems. Consequently, the overall power amplifier (PA) efficiency does not only depend on efficiency at maximum power, but also and mainly on efficiency at back-off level where the PA operates most of the time. Obviously, classical PA architectures do not address this problem, because it can only achieve maximum efficiency at a single power level, usually around the peak output power. Therefore, the overall efficiency of the PA is considerably low and efficiency improvement techniques are required to increase the battery life-time. This thesis exposes innovative architectures using Power Cell Switching (PCS) and Envelope Tracking (ET) techniques. The main objective of the proposed architectures is to significantly improve the average efficiency in comparison with a stand-alone power amplifier at power back-off. Consequently, a reconfigurable PA architecture using a 4-step PCS technique has been implemented in CMOS 65nm technology. A second architecture was designed to evaluate the improvement obtained with the combination of these two techniques.

Titre de l'écran-titre (visionné le 3 octobre 2023) / Cette thèse représente plusieurs années de travaux principalement expérimentaux dans les domaines de l'optique non-linéaire et la génération d'harmoniques ainsi que dans celui des transitions laser de la molécule de CO₂. Un historique des impulsions laser dans l'infrarouge est présenté en guise d'introduction. L'idée du pompage optique du CO₂ est également abordée ainsi que son utilisation potentielle dans l'amplification d'impulsions de 10 microns dans la perspective de générer des harmoniques d'ordre élevé dans le domaine extrême ultraviolet / rayons X. Le premier chapitre décrit le montage expérimental pour l'amplification d'impulsions laser de 10 microns en utilisant le CO₂ comme milieu de gain. Nous y présentons également la chaîne laser Ti:saphir stabilisée en phase du laboratoire du Professeur Witzel, avec son amplificateur paramétrique et son module de différence de fréquence, qui permet d'étendre le spectre dans l'infrarouge jusqu'à 20 microns. Ensuite nous décrivons le laser Nd:YAG utilisé comme pompe d'un l'oscillateur paramétrique de 2 microns, sujet principal de la thèse. Les trois chapitres suivants traitent de l'oscillateur paramétrique accordable hautement énergétique que nous avons développé durant de la thèse. Les principes de base de l'optique non-linéaire et du processus de génération de différence de fréquence sont d'abord présentés, ainsi que les paramètres de performances de l'oscillateur paramétrique avec différentes configurations. Nous poursuivons avec une caractérisation complète de l'OPO de 2 microns que nous avons développé, ce qui comprend les calculs effectués pour sa construction, la mesure de son énergie, de son accordabilité, de son facteur de qualité et la comparaison de deux configurations de miroirs différentes : simplement et doublement résonant. Finalement deux systèmes de mesure de longueurs d'onde dans l'infrarouge sont décrits, l'un basé sur l'automatisation d'un monochromateur de type Czerny-Turner et le second sur la détection des processus de somme de fréquence de l'OPO. Le chapitre qui suit aborde la conception et la fabrication de miroirs de couches minces. Une expertise dans la fabrication de miroirs et de revêtements anti-reflet à seuil de dommage élevé du visible jusqu'à 2.6 microns a été développée tout au long de la thèse. La plupart des optiques utilisées dans cette recherche ont été produites par nous-mêmes dans les installations du Centre d'optique, photonique et laser (COPL) de l'Université Laval. Finalement le dernier chapitre aborde l'amplification laser d'impulsions de 10 microns par pompage optique d'une cellule de CO₂ à haute pression. Nous y expliquons la différence entre le pompage classique par décharge électrique et le pompage optique que nous désirons utiliser. Ensuite une définition des concepts d'absorption, de section efficace d'absorption, et du principe d'élargissement des raies d'absorption y est présentée. Pour conclure nous montrons un calcul de l'élargissement des raies d'absorption par la pression avec des mesures d'absorption du CO₂ dans la zone de 2 microns. / This thesis is the result of several years of mostly experimental work and it covers the topics of non-linear optics and harmonic generation as well as the the CO₂ molecule laser transitions. A background on infrared laser pulses is presented as an introduction. The idea of CO₂ optical pumping is also discussed and its potential use in 10 micron pulse amplification in order to produce high harmonic generation in the extreme ultraviolet / x-ray range. The first chapter describes the experimental setup for 10 micron pulse laser amplification using a high pressure CO₂ cell as the gain medium. We also present the carrier-envelope phase stabilized Ti:sapphire laser system of Professor Witzel's laboratory, with its parametric amplifier and difference frequency generator blocks, which extend the output spectrum of the laser in the infrared up to 20 microns. We follow with the description of the Nd:YAG laser used as a pump source of a 2 micron OPO ("optical parametric oscillator") the main subject of the thesis. The next three chapters deal with the high energy tunable OPO developed during the thesis. The basic principles of non-linear optics and of the frequency difference generation process are first presented, as well as the performance parameters of the OPO with different configurations. A complete characterization of the 2 micron OPO follows, which includes the calculations performed for its design, the measurements of the OPO's energy, the tunability, the quality factor and the comparison of two different sets of mirrors: singly and doubly resonant OPO. Finally, two systems for measuring wavelengths in the infrared are described, the first one is based on the automation of a Czerny-Turner type monochromator and the second one on the detection of the sum frequency generation process which occurs in the OPO at the same time as the difference frequency generation process. The following chapter discusses the design and manufacture of thin film coatings mirrors. An expertise in the manufacture of mirrors and anti-reflective coatings with high damage threshold from visible up to 2.6 microns has been developed throughout the thesis. Most of the optics used in this research were produced by ourselves in the facilities of the Center for Optics, Photonics and Lasers (COPL)from Université Laval. Finally, the last chapter covers the topic of laser amplification of 10 micron pulses by optical pumping of a high-pressure CO₂ cell. We explain the difference between the conventional electric discharge pumping and optical pumping. A definition of the concepts of absorption, absorption cross-section, and the principle of broadening of the absorption lines follows. A calculation of pressure broadening of the absorption lines is presented along with CO₂ absorption measurements in the 2 micron region.

Titre de l'écran-titre (visionné le 3 octobre 2023) / Cette thèse traite de l'amplification d'un laser à une longueur d'onde de 10 µm par pompage optique à 2 µm en utilisant le CO₂ comme milieu actif. L'objectif est de réaliser une preuve de concept sur ce procédé physique afin d'amplifier ultérieurement des impulsions femtosecondes. Ces impulsions seront utilisées pour effectuer des ionisations dans le domaine de la physique atomique et des champs laser intenses. Ce travail comporte deux axes principaux : la génération d'une fréquence de pompe absorbée par le milieu actif et l'amplification d'une impulsion milliseconde à 10,6 µm. Dans le premier axe (Chapitre 2), nous comparons deux types de lasers non-linéaires permettant de générer une longueur d'onde de pompe à 2 µm utilisée pour l'amplification : un oscillateur paramétriques optiques (OPO) simple et très énergétique et un système composé d'un OPO puis d'amplificateur paramétrique optique (OPA) aussi appelé MOPA ("Master Oscillator/ Parametric Amplifier"). Nous visons à créer un système capable de supporter des impulsions très énergétique (une haute fluence) ; ainsi (dans le Chapitre 3) nous étudions comment augmenter le seuil de résistance aux dommages de traitements antireflets et des miroirs. Dans le second axe, nous analysons théoriquement l'amplification d'une impulsion de 10,6 µm pompée optiquement dans un milieu actif de CO₂ à l'aide des équations d'évolution (Chapitre 4). Ce modèle nous permet de comprendre l'impact des différents paramètres physiques (pression, température, longueur du milieu actif, etc) sur l'amplification. Nous réalisons ensuite l'amplification expérimentalement (Chapitre 5) en faisant la preuve de concept avec un laser milliseconde de 10,6 µm. Nous mettons en évidence la présence de gain à 10,6 µm et discutons des résultats inattendus obtenus. / The objective of this thesis is to amplify laser pulses with a wavelength of 10 µm using optical pumping at 2 µm and CO₂ as an active medium. The aim is to establish a proof of concept for the physical process that will enable the amplification of femtosecond pulses in the future. These pulses will be used for ionization in atomic physics and intense laser fields. This work is composed of two main parts: the generation of a pump frequency which will be absorbed by the active medium and the amplification of a 10.6 µm laser millisecond pulse. In the first part (Chapter 2), we compare two nonlinear lasers capable of generating a 2 µm pump wavelength which will be used for the amplification process: a simple, highly energetic optical parametric oscillator (OPO) and a system composed of an OPO and optical parametric amplifier (OPA), also referred to as MOPA (for Master Oscillator/ Parametric Amplifier). We seek a scalable system that can support high energetic pulses (high fluence); this is why (in Chapter 3) we investigate methods to enhance the laser-induced damage threshold (LIDT) of our anti-reflection coatings and mirrors. In the second part, we studied theoretically the amplification of a 10.6 µm pulse optically pump in a CO₂ active medium using the rate equations (Chapter 4). This model helped us to understand the effects of different physical parameters (pressure, temperature, active medium length, etc) on the amplification process. We subsequently amplify a millisecond laser pulse at 10.6 µm as the proof of concept and, demonstrating that some gain was achieved. Finally, we explore the unexpected results that were obtained (Chapter 5).

Les réseaux informatiques avec une grande capacité nécessitent des liaisons de transmission de données rapides et fiables pour prendre en charge les applications web en pleine croissance. Comme le nombre de serveurs interconnectés et la capacité de stockage des médias ne cessent daugmenter, les communications optiques et les technologies de routage sont devenues intéressantes grâce au taux binaire élevé et à lencombrement minimum offert par la fibre optique. Les réseaux optiques à commutation de paquets (OPSNs) offrent une flexibilité accrue dans la gestion de réseau. OPSNs exploitent les convertisseurs de longueur donde accordables (WC) pour minimiser la probabilité de blocage et fournir une allocation dynamique des longueurs donde. Les émetteurs optiques basés sur des sources multi-longueurs donde se présentent comme une solution intéressante en termes de coût, dencombrement et defficacité énergétique par rapport aux autres types de lasers. Les convertisseurs de longueurs donde doivent permettre des taux binaires élevés et une transparence à une grande variété de formats de modulation, tout en offrant une réponse rapide, des niveaux de puissance modérés et un rapport de signal à bruit optique (OSNR) acceptable à la sortie. Plusieurs technologies de conversion de longueur donde ont été proposées dans la littérature. Lutilisation du mélange à quatre ondes (FWM) dans les amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA) permet lutilisation de faibles niveaux de puissance dentrée et offre une bonne efficacité de conversion ainsi que la possibilité dintégration photonique. Les SOAs offrent donc un excellent compromis par rapport aux autres solutions. Pour couvrir une plus large bande de conversion, nous utilisons le schéma exploitant le FWM avec doubles pompes dans les SOAs. Pour la stabilité de phase, les pompes viennent d’un laser en mode bloqué (QDMLL) qui sert comme source multi-longueurs donde. Deux modes du QDMLL sont sélectionnés par un filtrage accordable et servent comme doubles pompes. Un filtre accordable placé à la sortie du SOA sert à sélectionner le produit du FWM pour le signal final. Nous étudions le convertisseur de longueur donde proposé et comparons sa performance pour différents formats de modulation (modulation dintensité et de phase) et à différents débits binaires (10 et 40 Gbit/s). Le taux derreur binaire, lefficacité de conversion et la mesure de lOSNR sont présentés. Nous démontrons aussi la possibilité de simultanément convertir en longueurs donde les données et l’étiquette. Les données à haut débit et l’étiquette à faible débit se retrouvent dans une seule bande de longueurs d’onde, et ils sont convertis ensemble avec une bonne efficacité. Notre démonstration se concentre sur les performances de conversion, donc les données et létiquette sont des signaux continus plutôt que de paquets optiques. Des mesures de taux derreur binaire ont été effectuées à la fois pour les données et pour létiquette. Nous proposons aussi lutilisation de QDMLL comme source de transmetteurs WDM pour deux applications différentes: unicast et multicast. Nous démontrons aussi sa compatibilité avec le format de transmission DQPSK à haut débit binaire. Nous évaluons la performance du DQPSK en terme de taux derreur binaire et comparons sa performance à celle dune source laser à cavité externe. / Large scale computer networks require fast and reliable data links in order to support growing web applications. As the number of interconnected servers and storage media increases, optical communications and routing technologies become interesting because of the high speed and small footprint of optical fiber links. Furthermore, optical packet switched networks (OPSN) provide increased flexibility in network management. Future networks are envisaged to be wavelength dependent routing, therefore OPSN will exploit tunable wavelength converters (WC) to enable contention resolution, reduce wavelength blocking in wavelength routing and switching, and provide dynamic wavelength assignment. Optical transmitters based on multi-wavelength sources are presented as an attrative solution compared to a set of single distributed feedback lasers in terms of cost, footprint and power consumption. Wavelength converters should support high bit rates and a variety of signal formats, have fast setup time, moderate input power levels and high optical signal-to-noise ratio at the output. Several wavelength conversion technologies have been demonstrated. The use of four wave mixing (FWM) in semiconductor optical amplifiers (SOAs) provides low input power levels, acceptable conversion efficiency and the possibility of photonic integration. SOAs therefore offer excellent trade-offs compared to other solutions. To achieve wide wavelength coverage and integrability, we use a dual pump scheme exploiting four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers. For phase stability, we use a quantum-dash mode-locked laser (QD-MLL) as a multi-wavelength source for the dual pumps, with tunability provided by the frequency selective filter. We investigate the proposed wavelength converter and compare its performance of wavelength conversion for different non-return-to-zero (NRZ) intensity and phase modulation formats at different bit rates (10 and 40 Gbit/s). Bit error rate, conversion efficiency and optical signal-to-noise ratio measurements are reported. We demonstrate the possibility of tightly packed payload and label wavelength conversion at very high data baud rate over wide tuning range with good conversion efficiency. Our demonstration concentrates on conversion performance, hence continuous payload and label signals were used without gating into packets. Bit error measurements for both payload and label were performed. We propose the use of QD-MLL as multi-wavelength source for WDM unicast and multicast applications and we investigated its compatibility with DQPSK transmission at high bit rate. We quantify DQPSK performance via bit error rate measurements and compare performance to that of an external cavity laser (ECL) source.

Les résultats expérimentaux qui ont conduit à cette thèse se résument à l'observation d'un régime d'opération laser qui favorise une émission impulsionnell de son intensité optique au détriment d'une intensité continue. Le laser de type Fabry-Perot (FP) qui permet ces observations est basé sur un amplificateur à semi-conducteurs (SOA) formé de multiples puits quantiques qui affichent un comportement laser suite aux rétroactions optiques provenant des miroirs externes. Le régime d'opération impulsionnelle est qualifié de régime auto-pulsé par l'absence d'un absorbant saturable explicitement introduit dans la cavité laser. Le régime d'auto-pulsation se caract érise par un train d'impulsions stables ayant une fréquence de pulsation variable entre 2 GHz et 11 GHz. La longueur totale de la cavité laser étudiée varie entre 4 cm et 44 cm de sorte que la fréquence de pulsation est généralement un multiple entier de l'inverse du t emps de parcours dans la cavité. La durée des impulsions, parfois asymétriques, varie entre 30 ps et 200 ps. L'auto-pulsation s'observe pour des courants d'injection entre 1.4 I th et 11.1 I th , où I th est le courant seuil. Le filtrage optique à l'intérieur de la cavité a peu d 'influence sur la dynamique temporelle des impulsions. Le courant d'injection, la qualité de l'alignement optique des miroirs externes et la variation locale (sur quelques centimètres) de la distance miroir-SOA sont les trois principaux paramètres qui dictent la dynamique laser. La modélisation numérique du SOA ainsi que du laser FP en cavité externe constit ue l'aut re centre d 'intérêt de cette thèse. Le modèle est fondé sur la résolut ion d'équations différentielles spatio-temporelles qui couplent les champs électriques aux porteurs du SOA. Outre les résultats de la modélisation du SOA, la modélisation du dispositif laser FP en cavité externe reçoit une attention particulière. Les résultats mont rent une opération laser en régime d'auto-pulsation pour une plage de courant étendue. Les impulsions qui composent le train d 'impulsions se caractérisent par des impulsions d'une durée approximative de 10 ps ayant une sous-structure formée d'impulsions rapides aux amplitudes crêtes variables.

Les avantages de la modulation de phase vis-à-vis la modulation d’intensité pour les réseaux optiques sont claires et accepté par la communauté scientifique des télécommunications optiques. Surtout, la modulation de phase montre une meilleure sensibilité au bruit, ainsi qu’une plus grande tolérance aux effets non-linéaires que la modulation d’intensité. Nous présentons dans cette thése un étude qui vise à développer les avantages de la modulation de phase. Nous attaquons d’abord la complexité du récepteur en détection directe, en proposant une nouvelle configuration dont la complexité est comparable à celle du récepteur pour la modulation d’intensité traditionnel, mais avec des meilleures performances. Cette solution pourrait convenir pour les réseaux métropolitains (et même d’accès) à haut débit binaire. Nous passons ensuite à l’examen de la possibilité d’utiliser des amplificateur à semi-conducteur (SOA) au lieu des amplificateurs à fibre dopée à l’erbium pour fournir amplification optique aux signaux modulés en phase. Les non-linéarité des SOA sont étudiées, et un compensateur simple et très efficace est proposé. Les avantages des amplificateurs à semi-conducteur par rapport à ceux à fibre sont bien connus. Surtout, la méthode que nous proposons permettrait l’integrabilité des SOA avec d’autres composants de réseau (par exemple, le récepteur nommé cidessus), menant à des solutions technologiques de petite taille et efficaces d’un point de vue énergétique. Il y a deux types de systèmes pour signaux modulés en phase: basé sur la détection directe, ou sur les récepteurs cohérents. Dans le dernière partie de ce travail, nous nous concentrons sur cette dernière catégorie, et nous comparons deux solutions possibles pour la mise à niveau des réseaux terrestres actuel. Nous comparons deux configurations dont les performances sont très comparables en termes de sensibilité au bruit, mais nous montrons comment la meilleure tolérance aux effets non linéaires (en particuliers dans les systèmes à débit mixte) fait que une solution soit bien plus efficace que l’autre. / The advantages of phase modulation (PM) vis-à-vis intensity modulation for optical networks are accepted by the optical telecommunication community. PM exhibits a higher noise sensitivity than intensity modulation, and it is more tolerant to the effects of fiber nonlinearity. In this thesis we examine the challenges and the benefits of working with different aspects of phase modulation. Our first contribution tackles the complexity of the direct detection noncoherent receiver for differentially encoded quadrature phase shift keying. We examine a novel configuration whose complexity is comparable to that of traditional receivers for intensity modulation, yet outperforming it. We show that under severe nonlinear impairments, our proposed receiver works almost as well as the conventional receiver, with the advantage of being much less complex. We also show that the proposed receiver is tolerant to chromatic dispersion, and to detuning of the carrier frequency. This solution might be suitable for high-bit rates metro (and even access) networks. Our second contribution deals with the challenges of using semiconductor optical amplifiers (SOAs) instead of typical erbium doped fiber amplifiers (EDFAs) to provide amplification to phase modulated signals. SOAs nonlinearities are investigated, and we propose a simple and very effective feed-forward compensator. Above all, the method we propose would permit the integrability of SOAs with other network components (for example, the aforementioned receiver) achieving small size, power efficient sub-systems. Phase modulation paves the way to high spectral efficiency, especially when paired with digital coherent receivers. With the digital coherent receiver, the degree of freedom offered by polarization can be exploited to increase the channel bit rate without increasing its spectral occupancy. In the last part of this work we focus on polarization multiplexed signaling paired with coherent reception and digital signal processing. Our third contribution provides insight on the strategies for upgrading current terrestrial core networks to high bit rates. This is a particularly challenging scenario, as phase modulation has to coexist with previously installed intensity modulated channels. We compare two configurations which have received much attention in the literature. These solutions show comparable performance in terms of back-to-back noise sensitivity, and yet are not equivalent. We show how the superior tolerance to nonlinear fiber propagation (and particularly to cross phase modulation induced by the presence of intensity modulated channels) makes one of them much more effective than the other.

Les fibres à cœurs multiples sont une avenue intéressante pour répondre à la demande croissante des taux de transferts de données via la fibre optique. Pour que cette approche soit réalisable, plusieurs composants multicœurs seront nécessaires dont des amplificateurs pour permettre la transmission sur de longues distances. Le but de ce mémoire est de concevoir, fabriquer et tester un amplificateur à cœurs multiples dopés à l’erbium (MC-EDFA). D’abord, la théorie de base reliée à l’opération des amplificateurs à fibre dopées à l’erbium (EDFA) sera présentée et expliquée. Avec ces notions théoriques, un outil de simulation permettant de simuler les performances d’un EDFA a été développé et implémenté dans MATLAB. Pour établir un protocole expérimental et se familiariser avec les fibres dopées à l’erbium, un amplificateur standard à un seul cœur, dont les paramètres ont été définis à l’aide du simulateur, a été fabriqué avant de procéder à la fabrication de l’amplificateur à cœurs multiples. Une caractérisation complète de cet amplificateur a été faite. Les résultats de cette caractérisation seront présentés et comparés à des simulations pour valider du même coup l’outil de simulation. Le mémoire se poursuivra par la présentation du design et de la fabrication d’un MC-EDFA à sept cœurs. Les paramètres des cœurs sont les mêmes que ceux de l’EDFA caractérisé auparavant. Donc, la caractérisation de l’EDFA aura aussi servi à définir les paramètres des cœurs du MC-EDFA. L’approche utilisée pour multiplexer les signaux dans la fibre, qui a été un obstacle majeur à la prise de données expérimentales, sera ensuite présentée. Pour finir, les mesures expérimentales prises sur les sept cœurs seront présentées pour évaluer les performances du MC-EDFA. Bien que le MC-EDFA possède une double gaine permettant d’injecter la pompe dans la gaine interne, toutes les données expérimentales ont été prises avec la pompe injectée directement dans chaque cœur. Des difficultés techniques, qui seront expliquées dans le dernier chapitre, ont rendu impossible la prise de mesures avec un schéma de pompage dans la gaine.

Les systèmes de communication optique avec des formats de modulation avancés sont actuellement l’un des sujets de recherche les plus importants dans le domaine de communication optique. Cette recherche est stimulée par les exigences pour des débits de transmission de donnée plus élevés. Dans cette thèse, on examinera les techniques efficaces pour la modulation avancée avec une détection cohérente, et multiplexage par répartition en fréquence orthogonale (OFDM) et multiples tonalités discrètes (DMT) pour la détection directe et la détection cohérente afin d’améliorer la performance de réseaux optiques. Dans la première partie, nous examinons la rétropropagation avec filtre numérique (DFBP) comme une simple technique d’atténuation de nonlinéarité d’amplificateur optique semiconducteur (SOA) dans le système de détection cohérente. Pour la première fois, nous démontrons expérimentalement l’efficacité de DFBP pour compenser les nonlinéarités générées par SOA dans un système de détection cohérente porteur unique 16-QAM. Nous comparons la performance de DFBP avec la méthode de Runge-Kutta quatrième ordre. Nous examinons la sensibilité de performance de DFBP par rapport à ses paramètres. Par la suite, nous proposons une nouvelle méthode d’estimation de paramètre pour DFBP. Finalement, nous démontrons la transmission de signaux de 16-QAM aux taux de 22 Gbaud sur 80km de fibre optique avec la technique d’estimation de paramètre proposée pour DFBP. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur les techniques afin d’améliorer la performance des systèmes OFDM optiques en examinent OFDM optiques cohérente (CO-OFDM) ainsi que OFDM optiques détection directe (DDO-OFDM). Premièrement, nous proposons une combinaison de coupure et prédistorsion pour compenser les distorsions nonlinéaires d’émetteur de CO-OFDM. Nous utilisons une interpolation linéaire par morceaux (PLI) pour charactériser la nonlinéarité d’émetteur. Dans l’émetteur nous utilisons l’inverse de l’estimation de PLI pour compenser les nonlinéarités induites à l’émetteur de CO-OFDM. Deuxièmement, nous concevons des constellations irrégulières optimisées pour les systèmes DDO-OFDM courte distance en considérant deux modèles de bruit de canal. Nous démontrons expérimentalement 100Gb/s+ OFDM/DMT avec la détection directe en utilisant les constellations QAM optimisées. Dans la troisième partie, nous proposons une architecture réseaux optiques passifs (PON) avec DDO-OFDM pour la liaison descendante et CO-OFDM pour la liaison montante. Nous examinons deux scénarios pour l’allocations de fréquence et le format de modulation des signaux. Nous identifions la détérioration limitante principale du PON bidirectionnelle et offrons des solutions pour minimiser ses effets. / Optical communication systems with advanced modulation formats are currently one of the major research focuses of the optical communication community. This research is driven by the ever-increasing demand for higher data transmission rates. In this thesis, we investigate efficient techniques for advanced modulation with coherent detection, and optical orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) and discrete multi-tone (DMT) for both direct detection and coherent detection to improve the performance of optical networks. In the first part, we investigate digital filter back-propagation (DFBP) as a simple semiconductor optical amplifier (SOA) nonlinearity mitigation technique in coherent detection systems. For the first time, we experimentally demonstrate effectiveness of DFBP in compensating for SOA-induced nonlinearities in a 16-ary quadrature amplitude modulation (16-QAM) singlecarrier coherent detection system. We compare performance of DFBP with Runge-Kutta fourth-order method. We examine sensitivity of DFBP performance to its parameters. Afterwards, we propose a novel parameter estimation method for DFBP. Finally, we demonstrate successful transmission of 22 Gbaud 16-QAM signals over 80 km fiber with the proposed parameter estimation technique for DFBP. In the second part, we concentrate on techniques to improve performance of optical OFDM systems, examining both coherent optical OFDM (CO-OFDM) and direct-detection optical OFDM (DDO-OFDM). First, we propose a combination of clipping and predistortion technique to compensate for CO-OFDM transmitter nonlinear distortions. We use piecewise linear interpolation (PLI) for characterizing the transmitter nonlinearity. At the transmitter, we use inverse of the PLI estimate to pre-compensate the nonlinearities induced at the COOFDM transmitter. Second, we design optimized non-square constellations for short-reach DDO-OFDM systems based on two channel noise models. We experimentally demonstrate 100 Gb/s+ OFDM/DMT with direct detection using the optimized QAM constellations. In the third part, we propose and experimentally demonstrate a passive optical network (PON) architecture with DDO-OFDM for the downlink and CO-OFDM for the uplink. We examine two scenarios for the occupied frequency and modulation format of the signals. We identify main limiting impairments of the bidirectional PON and provide solutions to minimize their effects.

Les convertisseurs de longueur d’onde sont essentiels pour la réalisation de réseaux de communications optiques à routage en longueur d’onde. Dans la littérature, les convertisseurs de longueur d’onde basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur constituent une solution extrêmement intéressante, et ce, en raison de leurs nombreuses caractéristiques nécessaires à l’implémentation de tels réseaux de communications. Avec l’émergence des systèmes commerciaux de détection cohérente, ainsi qu’avec les récentes avancées dans le domaine du traitement de signal numérique, il est impératif d’évaluer la performance des convertisseurs de longueur d’onde, et ce, dans le contexte des formats de modulation avancés. Les objectifs de cette thèse sont : 1) d’étudier la faisabilité des convertisseurs de longueur d’onde basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur pour les formats de modulation avancés et 2) de proposer une technique basée sur le traitement de signal numérique afin d’améliorer leur performance. En premier lieu, une étude expérimentale de la conversion de longueur d’onde de formats de modulation d’amplitude en quadrature (quadrature amplitude modulation - QAM) est réalisée. En particulier, la conversion de longueur d’onde de signaux 16-QAM à 16 Gbaud et 64-QAM à 5 Gbaud dans un amplificateur optique à semi-conducteur commercial est réalisée sur toute la bande C. Les résultats démontrent qu’en raison des distorsions non-linéaires induites sur le signal converti, le point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde est différent de celui obtenu lors de la conversion de longueur d’onde de formats de modulation en intensité. En effet, dans le contexte des formats de modulation avancés, c’est le compromis entre la puissance du signal converti et les non-linéarités induites qui détermine le point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde. Les récepteurs cohérents permettent l’utilisation de techniques de traitement de signal numérique afin de compenser la détérioration du signal transmis suite à sa détection. Afin de mettre à profit les nouvelles possibilités offertes par le traitement de signal numérique, une technique numérique de post-compensation des distorsions induites sur le signal converti, basée sur une analyse petit-signal des équations gouvernant la dynamique du gain à l’intérieur des amplificateurs optiques à semi-conducteur, est développée. L’efficacité de cette technique est démontrée à l’aide de simulations numériques et de mesures expérimentales de conversion de longueur d’onde de signaux 16-QAM à 10 Gbaud et 64-QAM à 5 Gbaud. Cette méthode permet d’améliorer de façon significative les performances du convertisseur de longueur d’onde, et ce, principalement pour les formats de modulation avancés d’ordre supérieur tel que 64-QAM. Finalement, une étude expérimentale exhaustive de la technique de post-compensation des distorsions induites sur le signal converti est effectuée pour des signaux 64-QAM. Les résultats démontrent que, même en présence d’un signal à bruité à l’entrée du convertisseur de longueur d’onde, la technique proposée améliore toujours la qualité du signal reçu. De plus, une étude du point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde est effectuée et démontre que celui-ci varie en fonction des pertes optiques suivant la conversion de longueur d’onde. Dans un réseau de communication optique à routage en longueur d’onde, le signal est susceptible de passer par plusieurs étages de conversion de longueur d’onde. Pour cette raison, l’efficacité de la technique de post-compensation est démontrée, et ce pour la première fois dans la littérature, pour deux étages successifs de conversion de longueur d’onde de signaux 64-QAM à 5 Gbaud. Les résultats de cette thèse montrent que les convertisseurs de longueur d’ondes basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur, utilisés en conjonction avec des techniques de traitement de signal numérique, constituent une technologie extrêmement prometteuse pour les réseaux de communications optiques modernes à routage en longueur d’onde. / Wavelength converters are essential building blocks of future all-optical wavelength-routed optical networks. Wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers have been proposed since they possess many of the features required for the implementation of such networks. In the literature, they have been extensively studied in the context of direct detection optical communication systems. With the recent emergence of commercial coherent systems together with the advances in digital signal processing, there is an imperative need to study the performance of wavelength converters for advanced modulation formats. The objective of this thesis is to investigate the feasibility of wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers for advanced modulation formats and subsequently propose a digital signal processing technique that aims to improve their performance. An experimental investigation of m-ary quadrature amplitude modulation (QAM) wavelength conversion is first performed. In particular, wideband wavelength conversion of 10 Gbaud 16-QAM and, for the first time, 5 Gbaud 64-QAM signals is successfully achieved over the whole C-band using a commercial semiconductor optical amplifier. The results show that the induced nonlinear distortions on the wavelength converted signal lead to a different optimal wavelength converter operating condition compared to wavelength conversion of intensity modulation formats. For wavelength conversion of advanced modulation formats, the tradeoff between the wavelength converted signal power and the nonlinearities dictates the optimal wavelength converters operating condition. The digital signal processing capabilities of coherent receivers renders possible the compensation of the signal impairments in the digital domain after detection. Making use of this, a digital post-compensation technique based on a small-signal analysis of the equations governing the gain dynamics of semiconductor optical amplifiers is developed in order to mitigate the nonlinear distortions imposed on the wavelength converted signal. The proof of concept is realized both via numerical simulations and experimental measurements of 10 Gbaud 16-QAM and 5 Gbaud 64-QAM: the post-compensation technique significantly improve the wavelength converter especially in the case of high-order advanced modulation formats such as 64-QAM. Finally, a thorough experimental investigation of the post-compensation technique performance for 5 Gbaud 64-QAM wavelength conversion is done. The results indicate that the signal quality is still improved even in the presence of a noisy signal at the wavelength converter input. Furthermore, it is shown that the optimal wavelength converter operating condition varies upon the amount of optical loss that follows. In a wavelength-routed optical network, the signal will likely pass through multiple wavelength conversion stages. The experimental investigation is extended to cascaded wavelength conversion stages and, for the first time, dual stage wavelength conversion of 5 Gbaud 64-QAM signal is performed. In this context, the proposed post-compensation technique still successfully improves the wavelength converter performance. The results of this thesis strongly suggest that wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers, together with the use of digital signal processing techniques, is a promising candidate for advanced modulation formats wavelength conversion in future wavelength routed optical networks.