Ce travail de thèse est consacré à l'étude d'architectures de fonctions optiques à base d'amplificateurs optiques à semi-conducteurs pour la conversion de longueur d'onde et la régénération tout-optique à très haut débit.<br />Après une présentation générale des systèmes de transmission optique, et notamment des dégradations subies par le signal lors de son transport, les principes de la conversion de longueur d'onde et de la régénération tout-optique sont abordés. Les notions de portes optiques, de fonction caractéristique, de régénération 1R, 2R et 3R sont introduites et expliquées, puis la problématique de caractérisation des fonctions optiques pour la conversion de longueur d'onde et surtout la régénération est traitée. Enfin, un état de l'art des différentes techniques est présenté.<br />L'amplificateur à semi-conducteurs (SOA) présentant de nombreux attraits pour les applications de conversion de longueur d'onde et de régénération, celui-ci a constitué le coeur des fonctions optiques étudiées.<br />Ainsi, l'association de deux convertisseurs en longueur d'onde, un miroir à boucle optique non-linéaire (NOLM-SOA) et un double étage de SOA (DSSOA), a permis de réaliser un régénérateur 3R original. L'introduction de celui-ci dans une boucle à recirculation de 100 km a montré sa capacité régénérative puisqu'une transmission sans erreur à 10 Gbit/s et sur 100 000 km a ainsi pu être réalisée. De plus, ce dispositif a montré une très grande stabilité, notamment aux variations de polarisation du signal de données. Une étude approfondie a mis en évidence qu'un même SOA peut être plus ou moins sensible à la polarisation selon sa configuration d'utilisation (auto-saturation, saturation croisée, selon les longueurs d'onde des signaux, leurs polarisations ...). Nous avons ainsi établi que le phénomène à l'origine de cette modification de sensibilité est un mélange d'ondes entre la pompe et la sonde conduisant à une dissymétrie du spectre de gain dépendante des états de polarisation respectifs des deux ondes.<br />Enfin, la montée en débit a constitué la dernière étape de ces travaux. Les SOA étant limités par le temps de récupération du gain, la problématique du raccourcissement et de mesure de ce temps a été traitée. Puis de nouvelles architectures, à base de SOA, compatibles avec les très hauts débits ont été recherchées. Une technique à base de modulation de phase croisée dans un SOA convertie en modulation d'amplitude par un filtre décalé a été étudiée à différents débits et pour différentes conditions de filtrage. Une conversion de longueur d'onde sans erreur à 80 Gbit/s a été obtenue grâce à un filtrage décalé vers les courtes longueurs d'onde.

Nous présentons dans ce rapport de thèse plusieurs études relatives à l'amélioration des signaux optiques d'information numérique dans les systèmes de télécommunications à très haut débit. L'amélioration du taux d'extinction des sources impulsionnelles permet une meilleure stabilité des signaux multiplexés temporellement (OTDM), en réduisant l'interférence entre les symboles. L'utilisation de portes optiques non-linéaires permet de régénérer le signal dans les liaisons dites “ point à point ” ainsi qu'aux nœuds de commutation des futurs réseaux tout-optiques. Les principales réalisations de cette thèse portent sur : <br />- La remise en forme d'impulsions optiques améliorant le taux d'extinction, par mélange à quatre ondes dans les amplificateurs à semi-conducteurs (SOA) <br />- La réalisation et la caractérisation de deux fonctions optiques non-linéaires à base de semi-conducteurs pour la régénération des signaux supérieurs à 10 Gbit/s : le Double-Etage de SOA et le miroir optique non-linéaire à base de SOA (NOLM-SOA). Les résultats présentés dans la thèse sont obtenus à partir des simulations et de mesures expérimentales en environnement système.

Depuis l'avènement en Perse, il y a 2500 ans, du service postal, la capacité à transmettre un maximum d'information sur une longue distance et en un minimum de temps s'avère être une des quêtes de l'Homme. Aujourd'hui, les moyens de télécommunications modernes font parti de notre quotidien et nous permettent de partager quasi-instantanément de la voix, de l'image ou du texte avec un interlocuteur situé à des milliers de kilomètres. Le cadre général dans lequel s'insère ce manuscrit de thèse est celui de l'étude de la couche physique des télécommunications, mais de façon plus précise, celui de la recherche d'outils de traitement tout-optique de l'information destinés particulièrement aux futurs systèmes de transmission à à très haut débit. En effet, de nombreuses recherches ces dernières années ont montré la variété d'applications possibles à partir de l'amplification paramétrique, une nouvelle technique d'amplification sur fibre optique offrant une très grande bande passante. Nous présentons dans ce manuscrit une étude théorique des amplificateurs paramétriques utilisant deux lasers de pompe. Nous analyserons également le bruit et la distorsion des signaux de télécommunications apporté par la modulation de phase des pompes, requise pour supprimer la rétro-diffusion Brillouin stimulée dans toute fibre optique. Nous donnerons la démonstration théorique que deux ondes pompes modulées en opposition de phase annulent toute distorsion des signaux. Nous présenterons également une mise en oeuvre expérimentale d'un amplificateur paramétrique optique, intégrant un nouveau modulateur de phase double réalisé en partenariat avec la société Photline Technologies. Celui-ci nous a permis de démontrer une qualité d'amplification optique ainsi qu'une conversion de longueur d'onde quasi-transparente. La troisième partie présente ce qui constitue, à notre connaissance, la première mesure distribuée du gain paramétrique le long de la fibre optique servant de milieu amplificateur. Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec l'Ecole Fédérale Polytechnique de Lausanne (EPFL), en Suisse. Ils sont basés sur l'analyse Brillouin dans le domaine temporel. La quatrième et dernière partie de ce manuscrit relate une étude théorique et numérique d'une boucle à réplication d'impulsion laser intégrant un amplificateur paramétrique. Ces travaux ont été réalisés dans le cadre d'un contrat avec le Commissariat à l'Energie Atomique (CEA). L'originalité de cette étude réside dans l'exploitation des amplificateurs paramétriques dans la fenêtre de longueurs d'ondes autour de 1 μm en utilisant des fibres à cristal photonique.

L'augmentation de la capacité du réseau de transport optique se traduit par le besoin de fonctions de traitement tout-optique du signal. Dans cette thèse, trois fonctions fondamentales de traitement du signal, basées sur les effets non-linéaires dans les fibres optiques, sont démontrées à de très hauts débits. La régénération d'un signal à 160 Gbit/s a été démontrée théoriquement dans des fibres en silice à gestion dense de la dispersion pour la première fois. La conversion de longueur d'onde et de démultiplexage temporel de signaux optiques à des débits allant jusqu'à 170,8 Gbit/s ont également été démontrés expérimentalement pour la première fois à l'aide de fibres microstructurées en verres de chalcogénures. Ces résultats montrent la forte potentialité des fibres en verres de chalcogénures pour le traitement du signal tout-optique dans les futurs systèmes de transmission optique à très haut débit.

La croissance continue du trafic Internet implique une augmentation de la consommation d'énergie en raison des nombreuses conversions optique à électronique(OEO) requises par les routeurs et les commutateurs. L'utilisation de réseaux transparents pourraient freiner cette croissance incontrôlée, mais le maintien des données dans le domaine optique a deux conséquences néfastes: une accumulation du bruit et des non-linéarités de l'amplification qui dégrade fortement les performances au niveau de la couche physique. et la contrainte de continuité de longueur d'onde (WCC) reflétant la conservation de la longueur d'onde du signal optique dans les réseaux optiques multiplexés en longueur d'onde (WDM) qui dégradent les performances du réseau, notamment sa probabilité de blocage. Les convertisseurs de longueur d'onde (WC) peuvent pallier la contrainte WCC, mais les seuls dispositifs suffisamment matures disponibles dans le commerce sont les WC basés sur OEO (OEO-WC). Cependant, leur coût augmente avec les débits binaires. D'autre part, des convertisseurs de longueur d'onde tout optique (AO-WC) ont été démontrés dans des laboratoires de recherche, avec toutefois une plage de conversion limitée et une dégradation du signal converti.Dans cette thèse, nous concevons la couche de transmission en utilisant deux ensembles de formats de modulation différents avec des plages de débits différentes; et par conséquent différents modèles d'estimation de performance. Au niveau du réseau, nos analyses montrent que la contribution des WC dépend des demandes de trafic servant à l’ordre dans un scénario de planification du réseau; qu'en utilisant des algorithmes fixed-alternate-routing (FAR) ou least-loaded-routing (LLR) et un algorithme d'affectation de longueur d'onde first-fit (FF), les AO-WCs offrent les mêmes améliorations de performances que les OEO-WC. De plus, nous identifions une plage de conversion et une cascadabilité optimale d’AO-WC qui montre que le LLR nécessite un nombre de conversions par canal inférieur au FAR. / The continuous growth of Internet traffic implies an increased power consumption due to the many optical-to-electronic (OEO) conversions required by routers and switches. Transparent networks could curb this uncontrolled growth, but keeping the data in the optical domain has two adverse consequences: physical layer impairments accumulation which strongly degrades the performance due to amplication noise and non-linearities; and the wavelength continuity constraint (WCC) to keep the opticalsignal's wavelength unchanged in wavelength-division-multiplexed (WDM) optical networks which degrades network blocking performance. Wavelength converters (WCs) can alleviate the WCC constraint, but the only commercially available devices are the OEO-based WCs (OEO-WCs), however, their cost increases with bit-rates. On the other hand, all-optical wavelength converters (AO-WCs) have been demonstrated in research laboratories albeit with a limited conversion range and a performance that degrades converted signal's quality.In this thesis, we design the transmission layer using two different modulation formats sets with different bit-rates ranges; and consequently different performance estimation models. At the network level, our analyses show that WCs' contribution depends on traffic demands serving ordering in the online traffic assumption; that using xed-alternate routing (FAR) or least-loaded routing (LLR) algorithms and first-fit (FF) wavelength assignment algorithm, AO-WCs give the same performance enhancement as OEO-WCs. Moreover, we identify an optimum AO-WC conversion range and cascadability which shows that LLR requires lower number of conversions per channel compared to FAR.