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.

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

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.

RESUME Parmi les divers processus permettant l'amplification optique indispensable aux systèmes de télécommunications par fibre, l'effet Raman, basé sur l'échange de puissance entre un signal et un laser de pompe de fréquence supérieure à travers un couplage avec les vibrations moléculaires de la silice, permet d'amplifier à n'importe quelle longueur d'onde avec une grande bande passante. Un des inconvénients majeurs de cette technique est la forte puissance optique nécessaire à sa réalisation qui génère l'apparition de nombreux effets non linéaires potentiellement dommageables pour la bonne transmission du signal. L'interaction des effets Kerr ou de la diffusion Brillouin avec les autres caractéristiques de la propagation dans les fibres peut entraîner une diminution des performances. Dans la première partie de cette thèse, nous décrivons un nouveau processus d'élargissement spectral induit par l'effet Kerr dans les amplificateurs Raman fibrés. Nous avons également mis à jour ce même processus dans les lasers Raman. L'application de ce phénomène à la suppression de la diffusion Brillouin est ensuite démontrée avec succès. La deuxième partie de ce travail démontre comment tirer avantage des effets non linéaires afin de générer des impulsions optiques de haute puissance dans un laser Raman fibré. Enfin, dans la troisième partie, nous proposons et démontrons l'application de deux nouvelles méthodes de caractérisation à la mesure de la distribution des effets Raman et Kerr le long des fibres optiques grâce à une technique de réflectométrie optique cohérente. SUMMARY Among the various processes that allow optical amplification that is required for fiber telecommunication systems, the Raman effect, based on the power exchange between a signal and a pump laser with higher frequency through a coupling with molecular vibrations of silica, enables to amplify at any wavelength with a large bandwidth. One of the major drawbacks of this technique is the high power required to realize it, generating the appearance of numerous nonlinear effects, potentially harmful for the quality transmission. The interplay between Kerr effects or Brillouin scattering and other propagation characteristics of optical fibers can lead to a decrease of the performances. In the first part of this thesis we describe a new broadening mechanism induced by the Kerr effect in Raman fiber amplifiers. This effect was also discovered in Raman fiber lasers. An application of this phenomenon as an efficient way to suppress Brillouin scattering is then successfully demonstrated. The second part of this work demonstrated how to take advantage of optical nonlinearities to generate high peak power pulses with a Raman fiber laser. Finally, in the third part, we propose and demonstrate the application of two new methods to measure the spatial distribution of Raman and Kerr effects along optical fibers thanks to a coherent optical reflectometry technique.

Thèse de doctorat--Électronique et communications--Paris--ENST, 2007. / Bibliogr. p. 171-204. Glossaire. Résumés en anglais et en français.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2004. / Cédérom en pochette. Bibliogr.: f. 94-96. Publié aussi en version électronique.

In order to generate high harmonics (multi-keV regime) from which a coherent X-ray source can be made, ultrashort mid-infrared laser pulses are necessary. This document presents the basics of the generation of IR pulses using Nd:YAG and Ti:Sapphire systems currently in use in Prof. Bernd Witzel’s laboratory. A first section explains the process by which the original pump laser (Nd:YAG, 1064 nm, 10 ns) is converted into a secondary pump at 2 µm, which is a mandatory step in order to interact with the amplifying medium due to the molecular structure of CO2. This conversion is realized by using an optical parametric oscillator (OPO) and an optical parametric amplifier (OPA). More precisely, the selection of the non-linear medium to use for the OPO and OPA (KTP) is explained. In addition, which mirrors are best-suited for the OPO and the relevant non-linear physical equations (amplitude-coupled equations) are described. Next, a second section aims to expose the theory that makes it possible to use a 2 µm nanosecond pump to amplify the 10 µm, femtosecond radiation derived from a femtosecond Ti:Sapphire laser. The limits and conditions for this process are explained; in short, we find that the CO2 gas pressure must reach 40 atm. In order to do so, an aluminum gas cell with two thick ZnSe windows must be used. Finally, the last part of this thesis describes and explains the design of the aforementioned CO2 cell necessary to the amplifying process. The optimal length of the cell, its geometry and its windows (made from ZnSe, with a 5.1 mm thickness) are the subject of a detailed analysis

Les réseaux de télécommunications optiques métropolitains pourraient bénéficier de l'utilisation de sources optiques incohérentes à large bande, car elles sont peu coûteuses. Par contre, leur bruit d'intensité limite les performances des systèmes. Il a été démontré que l'utilisation d'un amplificateur optique à semi-conducteur (SOA) pour effectuer un traitement du signal optique à la détection diminue le taux d'erreur. C'est dans ce contexte que la modélisation des sources optiques incohérentes est étudiée. La distribution de son bruit d'intensité est comparée aux données expérimentales. Par la suite, des modèles de simulation des SOAs de différents niveaux de complexité sont présentés. En prenant comme référence un modèle détaillé, vin nouveau modèle simplifié est développé. Des approximations permettent de réduire le système d'équations différentielles partielles du modèle détaillé à une seule équation différentielle ordinaire (ODE) basée sur une quantité globale, le réservoir. Cette quantité est proportionnelle au nombre total de porteurs de charge dans l'amplificateur. Les résultats de simulation des quatre modèles basés sur l'ODE du réservoir sont alors comparés à ceux provenant du modèle détaillé ainsi qu'à des mesures expérimentales. Le modèle du réservoir permet de diminuer le temps de calcul du modèle détaillé par un facteur 20, tout en conservant une très bonne correspondance avec les mesures expérimentales. / Optical access networks could benefit from the use of inexpensive broadband incoherent light sources. However, their high level of intensity noise reduces the achievable level of performance. It was demonstrated that the use of semiconductor optical amplifier (SOA) for signal processing on the receiver side can greatly reduce the bit error rate (BER). In this context, the modeling of incoherent light sources was studied and their intensity distribution was compared with experimental data. In addition, various SOA models of different complexity levels are presented. Taking a detailed space-resolved model as a reference, a new model was developed. Different approximations are used to reduce the System of coupled partial differential equations of the detailed model to a single ordinary differential equation (ODE) describing a global variable called the reservoir. This quantity is proportional to the total number of useful carriers in the amplifier. Simulation results from four versions of the reservoir model are compared to the results obtained with the detailed model and with experimental data. While providing a good match with experimental data, the vise of the reservoir model can reduce computation time by a factor of 20.

Le présent projet de recherche porte sur l’étude d’un amplificateur à fibre à double gaine codopée à l’erbium et l’ytterbium de haute puissance. Le but premier du projet est de concevoir un outil de simulation capable de prédire adéquatement les performances expérimentales de tels amplificateurs en régime continu. Tout d’abord, un outil de simulation permettant de modéliser l’amplification de la lumière dans une fibre optique est développé et implémenté numériquement avec le langage de programmation C++. Ce modèle est conçu de façon générale et s’applique à tout type d’amplificateur et de laser à fibre où la structure énergétique du dopant est connue. Ensuite, la caractérisation expérimentale complète d’une fibre optique dopée est effectuée. Ces mesures sont nécessaires pour déterminer les paramètres d’entrée des simulations. Des mesures expérimentales sont également effectuées pour caractériser les performances d'un amplificateur et de lasers à fibre erbium/ytterbium. Dans la dernière partie du travail, nous comparons l’outil de simulation aux mesures expérimentales d’amplification. Avant de considérer une fibre codopée à l’erbium et l’ytterbium, nous avons préalablement validé notre modèle avec la littérature et avec le cas simple d’un laser à fibre à double gaine dopée seulement à l’ytterbium. Notre modèle a ensuite été développé précisément pour le système erbium/ytterbium suivant une structure énergétique simple éliminant le nombre de paramètres à corréler. Ensuite, tel que justifié dans notre mémoire, nous avons ajusté le taux de transfert entre l’ytterbium et l’erbium pour obtenir une excellente corrélation entre les simulations et les résultats expérimentaux d’amplificateur erbium/ytterbium de haute puissance. Nous avons constaté que la section efficace d’émission de l’ytterbium prédite par la relation de McCumber est largement surestimée dans l’erbium/ytterbium. Nous avons aussi vérifié que notre modèle ainsi ajusté permet de prédire adéquatement les performances d’amplificateurs erbium/ytterbium dans des configurations variées. / The main purpose of this project is to predict the behaviour of a high power double cladding erbium/ytterbium fibre amplifier in continuous wave operation using a simulation tool. A software simulating the amplification of light in a doped optical fibre has been developed and implemented numerically using the C++ computer language. This general model is suitable for any amplifier or laser scheme with a given active ion. The doped fibres used in the project have been characterized experimentally to determine the input parameters for the simulation. Experiments have also been conducted to measure the performance of such doped fibres in laser and amplifier configurations. We subsequently focus on comparing experiments and simulations. We first validate our software with results from scientific papers and with experimental data for the simple case of an ytterbium doped fibre laser. A simulation model is then developed for an erbium/ytterbium system using a simple energy level scheme reducing the number of parameters to adjust. The transfer rate between ytterbium and erbium atoms is fitted using experiments, which results in an excellent agreement between simulations and experiments. The resulting simulation software is then able to predict experimentally the performance of a high power double clad erbium/ytterbium amplifier in different configuration schemes. A new fact arises from our investigation: the emission cross-section of ytterbium in an erbium/ytterbium codoped fibre happens to be much smaller than that predicted by the McCumber theory.

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.