Face à l'augmentation constante du trafic lié notamment à Internet, la demande de capacité dans les réseaux cœur ne cesse de croitre : le débit par canal des systèmes WDM a atteint 40 Gbit/s et va bientôt atteindre 100 Gbit/s. A partir de 40 Gbit/s, le traitement tout optique du signal peut offrir une solution intéressante pour réduire la consommation ainsi que le coût des systèmes optiques du futur. L'objectif de cette thèse est de développer des portes optiques non linéaires et d'explorer des méthodes de récupération d'horloge optiques, toutes à base des semiconducteurs, pour la régénération tout optique de signaux à un débit égal ou supérieur à 40 Gbit/. La dynamique ultrarapide du gain des amplificateurs optiques à semiconducteur (SOA) est étudiée afin de l'exploiter pour développer des fonctions simples et compactes permettant la remise en forme du signal. Concernant la fonction de resynchronisation, différentes récupérations d'horloge tout optiques ont été étudiées dans cette thèse. La première partie des travaux a été consacrée entièrement aux portes optiques non linéaires à base des SOA pour des applications à la régénération 2R. L'expérience pompe sonde permettant mesurer le temps de récupération du gain a été réalisée pour étudier la dynamique des SOA. Dans cette thèse, il a été démontré que le SOA massif à fort confinement et le SOA ultra-long à boîtes quantiques sont les plus adaptés pour un fonctionnement à 40 Gbit/s avec des temps de récupération du gain respectivement de 20 ps et 10 ps. Les études expérimentales ainsi que numériques ont mis en évidence la contribution importante des effets intrabandes à la dynamique du gain lorsque des SOA sont saturés par des impulsions courtes (quelques picosecondes). Le SOA massif de fort confinement a été associé avec un absorbant saturable (SA) pour constituer une fonction de régénération 2R complète. L'efficacité du régénérateur SOA SA pour la remis en forme du signal à 40 Gbit/s a été démontrée expérimentalement and numériquement. La deuxième partie des travaux a été dédiée à la récupération d'horloge à base de lasers auto pulsants en vue d'une application à la régénération 3R à 40 Gbit/s. Nous avons proposé une technique originale pour évaluer la performance des fonctions de récupération d'horloge, qui consiste à remoduler l'horloge récupérée. Une nouvelle configuration a été élaborée pour améliorer la qualité de l'horloge récupérée par le laser auto pulsant à base de matériau massif. Elle consiste à introduire un pré filtrage passif devant le laser. La sensibilité à la polarisation des récupérations d'horloge a été également étudiée. La récupération d'horloge utilisant le laser massif suivi par le laser à boîtes quantiques a montré son insensibilité à la polarisation du signal injecté par la mesure du taux d'erreur binaire. Enfin, une étude préliminaire sur la tolérance des récupérations d'horloge à la dispersion modale de polarisation a été menée.

Le présent mémoire vise le domaine des télécommunications optiques et de la radio sur fibre (RoF). Il a pour objectif de proposer une technique de réutilisation de longueur d’onde optique afin de transmettre un signal sans-fil 802.11a en amont et un signal numérique OOK en aval dans la même bande passante. Cette technique se base sur les amplificateurs à semiconducteur réfléchissant (RSOA). Ce composant permet l’effacement du signal numérique arrivant par la saturation de son amplificateur qui sera ensuite réutilisé comme modulateur de fréquence radio (RF) pour retourner un signal sans-fil 802.11a dans une bande pouvant chevaucher le signal effacé. Par l’entremise des articles qui sont publiés et relatés dans ce mémoire, une étude exhaustive de la technique de saturation du RSOA aux fins de re-modulation ainsi que des performances obtenues en laboratoire y est présentée. Trois formats de modulations QPSK, 16QAM et 64QAM y seront testés. L’évaluation des performances sera réalisée à l’aide des paramètres suivants : le taux d’erreur binaire (BER), le facteur de qualité (Q), la norme du vecteur d’erreur (EVM), la distance de propagation atteinte dans la fibre, la vitesse de transmission et l’indice de modulation (MI). Cette technique peut être utilisée pour un signal sans-fil 802.11a d’une antenne jusqu’à une centrale par fibre optique, et ce, jusqu’à 80 km avec un format de modulation QPSK. Il est également possible de transmettre du 64QAM jusqu’à 40 km tout en gardant une bonne performance en sens opposé. Il a été également possible de conclure expérimentalement qu’il est possible de multiplexer plusieurs signaux sans-fil sur 20 km dans la bande RF du RSOA en coexistence avec un signal numérique en sens opposé. Cela ouvre des portes sur de nouvelles recherches d’architectures où les coûts, la consommation de puissance et le traitement de signaux sont plus centralisés et à bas prix.

Les fibres dopées aux terres rares (REDFs) représentent un composant clef dans la fabrication de sources laser et d’amplificateurs optiques (REDFAs). Leurs hautes performances rendent cette technologie particulièrement attractive pour les applications spatiales en tant que partie active des gyroscopes à fibres optiques, pour le transfert de données et les applications LIDARS. Cependant, la grande sensibilité de ces fibres actives limite l’intégration des REDFAs au sein des missions spatiales. De nombreuses études ont été menées pour dépasser ces limitations et différentes techniques de mitigation ont été identifiées telles que le co-dopage au Cérium ou le chargement en hydrogène de ces fibres optiques. Toutes ces solutions interviennent au niveau du composant sensible et sont classées parmi les stratégies de durcissement par composant permettant la fabrication de fibres dopées aux terres rares résistantes aux radiations adaptées aux besoins des missions spatiales actuelles associées à de faibles doses d’irradiation. Cependant, l’avènement de nouveaux programmes, de nouvelles missions invitent à considérer des doses d’irradiation plus importantes, nécessitant des REDFs et des RDFAs encore plus tolérants aux radiations. A cette fin, une optimisation de l’amplificateur optique au niveau système est étudiée dans le cadre de ce doctorat en exploitant une approche couplant simulation et expériences dont les avancées pourront venir en appui des techniques de durcissement plus conventionnelles. Après la présentation du contexte, des objectifs de ce travail (Chapitre I), les mécanismes fondamentaux de l’amplification et des effets des radiations sont brièvement décrits dans le Chapitre II. Les outils de simulation basés sur l’enrichissement d’un code à l’état de l’art et ses nouvelles fonctionnalités, décrites au Chapitre III, permettent non seulement l’évaluation des performances optiques du REDFA mais aussi de prédire leurs évolutions sous irradiation. De nombreuses études expérimentales ont été réalisées sur différents REDFAs développés durant la thèse et présentés dans le chapitre IV, leurs résultats comparés à ceux issus de la simulation afin de valider nos outils de simulation. Une fois validé, le code a été utilisé pour montrer comment l’optimisation de l’architecture du REDFA permet de mitiger les effets des radiations sur ses performances (Chapitre V). Finalement, le Chapitre VI présente l’étude de l’implémentation dans le code de nouveaux effets, tels que les effets thermiques, le multiplexage du signal d’entrée à travers un couplage théorie/expérience / Rare earth doped fibers (REDFs) are a key component in optical laser sources and amplifiers (REDFAs). Their high performances render them very attractive for space applications as the active part of gyroscopes, high data transfer links and LIDARs. However, the high sensitivity of these active fibers to space radiations limits the REDFA integration in actual and future missions. To overcome these issues various studies were carried out and some mitigation techniques were identified such as the Cerium co-doping or the hydrogen loading of the REDFs. All these solutions occur at the component level and are classified as a hardening by component strategy allowing the manufacturing of radiation hardened REDFAs with adapted performances for low doses space mission. However, with the new space research programs, more challenging space missions are targeted with higher radiations doses requiring even more tolerant REDFs and REDFAs. To this aim, an optimization of the REDFA at the system level is investigated in this PhD thesis exploiting an approach coupling simulations and experiments offering the opportunity to benefit from the outputs of this hardening by system strategy in addition to other state-of-the-art approaches. After presenting the context, objectives of this work, the basic mechanisms about amplification and radiation effects as well as the architectures of REDFAs are described in chapters I and II. After that, we update a state of art REDFAs simulation code described in Chapter III, to consider not only the REDFA optical performances but also their evolutions when exposed to radiations. Several experiments on dedicated home-made REDFA have been performed using accelerated irradiation tests (Chapter IV) and the comparison between these data and those obtained through the new code validated the simulation tools. Thereafter, we exploit the validated code to highlight how the optimization of the REDFA architecture can participate to the mitigation of the radiation effects on the amplifier performances (Chapter V). Finally, in chapter VI the implementation in the code of several other effects, such as thermal effects, input signal multiplexing was investigated both from experimental and calculation point of views

Le futur système de transmission multicanaux (WDM) pourrait mettre à profit l'utilisation d'amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA), pour bénéficier notamment de leur grande bande passante optique pour l'amplification du signal. Dans ce travail, nous étudions l'influence des SOA sur la transmission cohérente de signaux OFDM optiques (CO OFDM). Cette technique, récemment proposée, permet à la fois d'augmenter l'efficacité spectrale de la transmission et de compenser les imperfections linéaires du canal optique. Nous avons développé, dans ce travail, une chaîne expérimentale de transmission de signaux à formats de modulation complexes tout-optiques et une plateforme de simulation au niveau système. Les résultats obtenus par simulation, au niveau composant et au niveau système, sont en très bon accord avec ceux obtenus par les mesures expérimentales à la fois pour des formats de modulation QPSK et QPSK CO-OFDM. À travers différentes mesures et simulations, l'étude a permis de cerner clairement l'influence des paramètres du SOA sur la qualité de transmission des données. Les non-linéarités induites par le SOA, telles que le couplage phase amplitude, l'auto modulation du gain et de la phase (SGM et SPM), la modulation croisée du gain et de la phase (XGM et XPM) et le mélange à quatre ondes (FWM), jouent de façon importante sur les performances de ce format de modulation multi-porteuses ; leur influence a donc été analysée avec précision. Les connaissances acquises permettront à l'avenir d'une part de mieux définir les conditions d'utilisation des SOA dans les réseaux de transmission et d'autre part aideront à l'optimisation de nouvelles structures de SOA conçues pour la transmission de données à très haut débit utilisant des formats de modulation complexes.

Le traitement de signal optique est une pierre angulaire de la prochaine génération de systèmes de communications optiques avancées. En raison de son comportement non-linéaire, l'amplificateur optique à semi-conducteur (SOA) constitue un élément essentiel du traitement de signal optique. Afin de concevoir et d'optimiser de tels systèmes, des outils d'analyses ultra performants sont nécessaires. Dans la présente thèse, un simulateur basé sur l'algorithme de Monte Carlo Multi Canonique (MMC) a été développé et utilisé afin d'analyser une importante fonctionnalité du traitement de signaux optiques, à savoir la suppression du bruit d'intensité du SOA dans les spectrum-sliced wavelength division multiplexed passive optical networks (SS-WDM PON). L'algorithme de MMC a été introduit au début des années 90 en physique statistique. Depuis 2003, il est utilisé par les chercheurs dans la communauté des communications optiques. Dans le premier chapitre de cette thèse, une brève introduction de la suppression du bruit d'intensité du SOA dans les SS-WDM, ainsi que l'algorithme MMC et la modélisation du SOA seront présentés. Dans le second chapitre, l'algorithme MMC a été utilisé pour la première fois, afin d'estimer les fonctions de densités de probabilités conditionnelles (PDF) des "0" et des "1" logiques au niveau du récepteur d'un lien SS-WDM, avec un utilisateur, assisté par un SOA. En exploitant les PDF, le taux d'erreur binaire (BER) a été estimé à la fois pour les systèmes SS-WDM classiques, les systèmes SS-WDM avec suppression de bruit d'intensité d'un SOA, et finalement les systèmes SS-WDM assisté par SOA, et ce, en tenant compte de l'effet des filtres sélecteurs de canaux. Une nouvelle technique de pattern warping est aussi introduite, et ce, afin de traiter l'interférence inter-symboles (ISI) dû a la mémoire du canal de communication. Les estimations des PDF et des BER sont validées par des mesures expérimentales. Résumé v Le chapitre trois est entièrement consacré à la question de l'ISI, en particulier l'effet dû à la dynamique du SOA, qui est aussi appelé l'effet de patterning. Pour ce faire, un lien avec une source laser à 10 Gb/s est considéré. L'objectif principal est de montrer la fiabilité du simulateur pour l'estimation des PDF conditionnelles des "0" et des "1" logiques reçus en présence de l'effet de patterning. De plus, une nouvelle méthode pour mesurer directement les PDF est proposée. Les PDF conditionnelles et les BER simulées sont comparés avec les mesures expérimentales. Le chapitre 4 porte sur les systèmes SS-WDM, toujours avec des SOA, comprenant plusieurs canaux. L'objectif est d'étudier l'impact des filtres optiques sur la performance du système et de montrer comment choisir leurs caractéristiques (bande passante, forme et espacement inter-canal) afin de maximiser l'efficacité spectrale. Dans cette étude, la suppression du bruit d'intensité du SOA et les codes correcteur d'erreurs sont considérés. Ces deux problèmes sont abordés pour la première fois dans cette thèse. On montre aussi pour la première fois que la parallélisasion de l'algorithme MMC peut facilement être utilisé, et ce, contrairement aux affirmations précédentes dans la littérature. Le prix à payer est la perte d'une petite fraction d'échantillons par cycle MMC par noeud de calcul. Les résultats de simulation des BER sont validés à l'aide de résultats publié par d'autres groupes de recherche. Dans le dernier chapitre, les performances des spectral amplitude coded optical division multiple access (SAC-OCDMA), avec et sans la suppression de bruit d'intensité du SOA, sont analysées pour la première fois. Les résultats simulés pour le cas de 2 et 3 utilisateurs actifs sont validés par rapport aux mesures déjà réalisées et publiés par notre groupe de recherche.

Le futur système de transmission multicanaux (WDM) pourrait mettre à profit l'utilisation d'amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA), pour bénéficier notamment de leur grande bande passante optique pour l'amplification du signal. Dans ce travail, nous étudions l’influence des SOA sur la transmission cohérente de signaux OFDM optiques (CO OFDM). Cette technique, récemment proposée, permet à la fois d’augmenter l'efficacité spectrale de la transmission et de compenser les imperfections linéaires du canal optique. Nous avons développé, dans ce travail, une chaîne expérimentale de transmission de signaux à formats de modulation complexes tout-optiques et une plateforme de simulation au niveau système. Les résultats obtenus par simulation, au niveau composant et au niveau système, sont en très bon accord avec ceux obtenus par les mesures expérimentales à la fois pour des formats de modulation QPSK et QPSK CO-OFDM. À travers différentes mesures et simulations, l’étude a permis de cerner clairement l’influence des paramètres du SOA sur la qualité de transmission des données. Les non-linéarités induites par le SOA, telles que le couplage phase amplitude, l’auto modulation du gain et de la phase (SGM et SPM), la modulation croisée du gain et de la phase (XGM et XPM) et le mélange à quatre ondes (FWM), jouent de façon importante sur les performances de ce format de modulation multi-porteuses ; leur influence a donc été analysée avec précision. Les connaissances acquises permettront à l’avenir d’une part de mieux définir les conditions d’utilisation des SOA dans les réseaux de transmission et d’autre part aideront à l’optimisation de nouvelles structures de SOA conçues pour la transmission de données à très haut débit utilisant des formats de modulation complexes. / Future wavelength division multiplexing (WDM) systems might take advantage from the use of semiconductor optical amplifiers (SOA), especially to benefit from their large optical bandwidth for signal amplification. In this work, we study the influence of SOAs on the coherent optical-OFDM (CO OFDM) transmission system. This recently proposed technique allows both to increase the spectral efficiency of the transmission and to compensate the linear imperfections of the optical channel. In this work, we have developed an experimental setup for signal transmission operating with advanced optical modulation formats and a system level simulation platform. Simulation results, both at the component level and at the system level, are in very good agreement with those obtained from experimental measurements in the case of both QPSK and QPSK CO-OFDM signals. The study has clearly identified, through various measurements and simulations, the influence of SOA parameters on the quality of data transmission. Nonlinearities induced by the SOA, such as phase-amplitude coupling, self gain and phase modulation (SGM and SPM), cross gain and phase modulation (XGM and XPM) and the four-wave mixing (FWM) affect the performances of this multicarrier modulation format. Their influence is studied very precisely in this work. This acquired knowledge will allow, on the one hand, better defining the conditions of use of SOAs in the transmission networks and, on the other hand, helping to optimize new structures of SOA designed for very high bit rate data transmissions using complex modulation formats.

Les techniques permettant de maitriser la vitesse de la lumière, au-delà de l'intérêt scientifique qu'elles suscitent, peuvent être appliquées au domaine radar. Elles permettent, ainsi, de remplacer avantageusement les retards optiques, jusqu'alors réalisés par des modifications géométriques du chemin optique. L’objectif de la thèse est d’étudier la lumière lente et rapide créée par oscillations cohérentes de population dans les amplificateurs à semi-conducteurs.Nous avons évalué théoriquement et expérimentalement les performances d’une ligne à retards accordables, en termes d’amplitude des retards et déphasages accordables, et de bandes passantes. Nous avons aussi étudié l’impact des oscillations cohérentes de population sur les facteurs de mérite de la liaison opto-électronique. La compréhension des mécanismes physiques mis en jeu nous a amenés à proposer des solutions pour contourner les limites identifiées du composant. Nous avons montré qu’il était possible d’utiliser les lignes à retards accordables au delà de l’inverse du temps de vie des porteurs (500 MHz) en utilisant la montée en fréquence des oscillations cohérentes de population par modulation croisée de gain. Nous avons ainsi obtenu des retards accordables de 389 ps à 16 GHz, sur une bande passante instantanée de 360 MHz. Enfin nous avons proposé une architecture permettant d’obtenir des déphasages accordables proches de 180 degrés à haute fréquence, en substituant l’effet du couplage gain-indice, révélé par l’utilisation d’un filtre optique, par l’excitation paramétrique des oscillations cohérentes de population. Nous avons utilisé ce principe, qui permet par exemple d’atteindre un déphasage accordable de 162 degrés à 2,2 GHz, pour concevoir un oscillateur optoélectronique fonctionnant à 2,2 GHz. La fréquence de ce dernier est rapidement accordable sur 6 MHz à l’aide du courant d’injection de l’amplificateur à semi-conducteur. / Slow and fast light is becoming a wide research field driven by an extensive effort to implement this new technology in real applications. Coherent population oscillations in semiconductor optical amplifiers constitute one of the most promising approaches, in particular for the processing of optically carried microwave signals, which includes the control of tunable true time delays and RF phase shifts.We studied theoretically and experimentally the available tunable delays and phase shifts and the associated bandwidths for a microwave photonics link including a semiconductor optical amplifier. We analyzed the influence of the coherent population oscillations on the dynamic range of the link.The understanding of the underlying physical mechanisms led us to propose new architectures in order to overcome the identified limitations of the components. We show how up-converted coherent population oscillations enable to get rid of the intrinsic limitation of the carrier lifetime (500 MHz), leading to the generation of true time delays at any high frequencies in a single semiconductor device. We demonstrated tunable delays up to 389 ps at 16 GHz, with an instantaneous bandwidth of 360 MHz.Lastly we demonstrate how to conceive a RF phase shifter up to 180 degrees at high frequency by forced coherent population oscillations. This effect replaces the enhancement of the coherent population oscillations by gain-index coupling effect, revealed by an optical filter. We used this principle, which enables to achieve a tunable phase shift up to 162 degrees at 2,2 GHz, in order to conceive an optoelectronic oscillator at 2,2 GHz. The frequency of this oscillator is fast tunable over 6 MHz by changing the current of the semiconductor amplifier.