Récemment, nombres d'alternatives à la traditionnelle modulation d'intensité ont été proposées dans le contexte des télécommunications optiques. Les systèmes dits cohérents, utilisant la phase de l'onde optique, présentent de nombreux avantages : meilleure sensibilité, resistance à divers effets non-linéaires. Ils montrent néanmoins un comportement différent vis à vis du bruit accumulé lors de la propagation. L'effet Kerr dans la fibre induit un bruit de phase non-linéaire qui limite les performances de ces systèmes.<br />Dans une première partie, l'estimation rapide, analytique ou semi-analytique, de ces fluctuations est proposée dans deux contextes différents. Les résultats alors obtenus par application de la méthode des moments et de la théorie des perturbations sont validés par des simulations numériques de la propagation. Nous menons également une étude expérimentale de l'influence de la carte de dispersion sur le bruit de phase.<br />Dans une deuxième partie, nous proposons et étudions un format de modulation basé sur la modulation de phase différentielle continue, dans le but d'améliorer l'efficacité spectrale. Ce format est obtenu en modulant la phase optique par un signal à trois niveaux de type duobinaire. Ses performances sont comparées à celles des formats standards au débit de 10 Gbit/s lors d'une expérience utilisant une boucle à recirculation.

La prochaine génération d'infrastructures de communication par fibre optique comprendra des systèmes de transmission longue distance avec du multiplexage en longueur d'onde (WDM) à 40 et 100 Gb / s, et sera très probablement basée sur la détection cohérente. Le travail de thèse décrit dans ce manuscrit étudie ces systèmes. Nous démontrons d'abord leur tolérance inégalée à des effets physiques linéaires de propagation, grâce au traitement numérique du signal réalisé dans le récepteur. Néanmoins, les systèmes optiques peuvent être limités aussi par des effets non-linéaires de propagation. Cette thèse explore le comportement non-linéaire des signaux détectés avec un récepteur cohérent, spécialement quand ils sont multiplexés en polarisation. Nous avons particulièrement étudié l'évolution de l'impact des non-linéarités quand le débit augmente de 40 à 100 Gb/s, en démontrant que l'augmentation du débit accroît la tolérance à certaines non-linéarités. Cette thèse examine également l'interaction entre la dispersion modale de polarisation (PMD) et les non-linéarités. Contrairement aux systèmes existants, nous avons prouvé que, lorsque la PDM est distribuée, elle s'avère souvent être bénéfique en réduisant les pénalités causées par les non-linéarités. Au contraire, quand la PMD est localisée, elle peut augmenter la dégradation causée par lesdites non-linéarités. Finalement, comme une preuve de l'intérêt porté par les opérateurs aux technologies à 100 Gb/s, ce manuscrit présente les résultats d'un essai de terrain que nous avons mené récemment sur le réseau de Telefónica en Espagne montrant le potentiel des technologies cohérente pour moderniser les réseaux existants.

La demande en capacité liée à la transmission de tout type d’information (voix, vidéos, données, etc.) ne cesse de croître. Afin de répondre à cette demande croissante, de nouvelles générations de systèmes de communication multiplexés en longueur d’onde transmettant des débits élevés d’information par canal (100 Gbit/s ou plus) doivent être conçues. En plus des fibres ayant de très faibles pertes, des amplificateurs à fibre dopée à l’Erbium et du multiplexage en longueur d’onde, des technologies sont mises en place, comme notamment le multiplexage en polarisation, la détection cohérente, les formats de modulation multi-niveaux et plus récemment le multiplexage spatial. Des interrogations résident sur l’impact du multiplexage en polarisation ainsi qu’un développement vers des formats de modulation plus évolués incluant modulation de phase et multiplexage en polarisation. Dans cette thèse, afin de contribuer à l’augmentation du produit capacité x distance dans les systèmes de transmission Nx100 Gbit/s par fibre optique également multiplexés en polarisation et utilisant la détection cohérente, nous avons étudié d’une part, la mise en forme spectrale des signaux à l’émission pour augmenter la densité spectrale d’information (ISD: Information Spectral density). Dans cette optique, nous avons étudié l’impact du filtrage étroit gaussien du second ordre et de la mise en forme spectrale en racine de cosinus surélevé (RRC: Root Raised Cosine) sur les signaux émis dans le cas de modulations en Polarization Division Multiplexed-Quaternary Phase Shift Keying (PDM-QPSK) et Polarization-Switched-Quaternary Phase Shift Keying (PS-QPSK). Ceci a été réalisé en simulation numérique en considérant un espacement spectral entre les différents canaux variable. Nous avons montré qu’en tenant compte à la fois du facteur de qualité maximal et de la densité spectrale d’information, l’application de la mise en forme RRC sur des signaux modulés en PS-QPSK, fournit de meilleures performances de transmission dans une configuration où toute la dispersion est compensée en fin de propagation, pour toutes les valeurs d’espacement spectral étudiées. D’autre part, nous nous sommes intéressés aux effets non-linéaires qui limitent la portée de ces systèmes en dégradant pendant la propagation, les symboles émis, par les interactions entre des symboles d’un même canal, entre canaux ou modes de polarisation. La compréhension et la réduction de l’impact des effets non-linéaires est indispensable lorsqu’on veut utiliser certaines technologies pour augmenter la densité spectrale d’information. L’utilisation du multiplexage en polarisation par exemple, se heurte aux dégradations causées par les effets non-linéaires car de nouvelles interactions entre symboles sont présentes pendant la propagation. Par conséquent le développement des futurs systèmes ayant des débits plus élevés de 400 Gbit/s et 1 Tbit/s par canal passe par une diminution de l’impact des effets non-linéaires. Nous avons établi dans ce travail de thèse, des règles de conception permettant de réduire l’impact des effets non-linéaires entre polarisation dans les systèmes de transmission optiques considérés / The ever-increasing demand of capacity in very high bit rate coherent optical transmission systems has paved the way towards the investigation of several techniques such as the use of ultra-low loss fibers, Erbium doped fiber amplifiers, polarization and wavelength division multiplexing (WDM), coherent detection, multi-level modulation formats, spatial division multiplexing, etc. However, there are questions concerning polarization division multiplexing and a development towards some advanced modulation formats including phase modulation and polarization division multiplexing. In this thesis, in order to increase the capacity-by-distance product of future optical coherent systems using wavelength and polarization division multiplexing, we first study spectral shaping of the transmitted signals to increase the information spectral density. For this purpose, we have numerically investigated the multi-channel transmission performance of Polarization Switched Quadrature Phase Shift Keying (PSQPSK) and we have compared it to the performance of Polarization-Division-Multiplexed QPSK (PDM-QPSK), using Root Raised Cosine (RRC) spectral shaping, in the context of a flexible channel grid. In addition we have presented the advantage of PS-QPSK against PDM-QPSK as a function of the system parameters, while we have also discussed the benefit of a RRC spectral shaping against a tight filtering at the transmitter side with a 2nd order super-Gaussian-shaped filter. Furthermore, we have focused on nonlinear effects that limit the transmission distance by degrading the transmitted symbols during propagation. Analyzing and reducing the impact of nonlinear effects is essential when using technologies that increase the information spectral density such as polarization division multiplexing which causes new nonlinear effects due to additional interactions between symbols during the propagation through the fiber. Therefore a reduction of the impact of nonlinear effects is necessary for the development of future systems with higher bit rates of 400 Gbit/s and 1 Tbit/s per channel. We have established in this thesis, design rules to reduce the impact of nonlinear effects in the optical WDM transmission systems at 100 Gbit/s per channel that use polarization multiplexing

La demande en bande passante des systèmes de communication optique ne cesse de croitre. Des débits de données de l’ordre de plusieurs centaines de TBit/s sont attendus dans un futur proche. La photonique silicium est une technologie majeure pour faire face à ces besoins croissants. Sa compatibilité avec les technologies CMOS permet naturellement une co-intégration photonique/électronique sur les mêmes circuits. A court terme, l’augmentation des débits de données dans les générations futures de système de communication optique passe par l’utilisation de formats de modulation avancés, et l’augmentation du nombre de bits par symbole transmis. A plus long terme, de nouvelles techniques de multiplexage sont nécessaires. Le multiplexage de modes est actuellement une solution attractive à l’étude dans ce but.Dans ce travail de thèse, différents moyens pour implémenter ces nouveaux systèmes de communication optiques sont étudiés au niveau de l’émetteur. Ces travaux incluent dans une première partie la modélisation, conception et caractérisation des modulateurs silicium. Dans une seconde partie, de nouveaux composants pour manipuler les modes sur circuits intégrés photoniques sont proposés, conçus et caractérisés, avec pour application le multiplexage de modes.Une nouvelle méthode a été proposée pour la modélisation des modulateurs optiques silicium. Cette méthode permet de réduire le temps de simulation de 2 ordres de grandeur, en maintenant un bon niveau de précision. En utilisant ce modèle, des modulateurs basés sur des diodes PN latérales et interdigitées ont été conçus pour fonctionner en bande O des communications optiques. Les résultats expérimentaux ont permis la mise en évidence de diagrammes de l’œil avec des taux d’extinction de 10 dB pour des modulations de type OOK (ON-OFF Keying) à 10Gbit/s. De plus des modulations de type BPSK (Binary Phase Shift Keying) ont également été démontrées à 10Gbit/s.De nouveaux convertisseurs de modes et multiplexeurs ont été proposés, conçus, fabriqués et caractérisés, pour être utilisés dans des systèmes de multiplexage modal. Les résultats expérimentaux ont permis de mettre en évidence des fonctionnements large bande passante avec de grands taux d’extinction. / Bandwidth demand in optical communication systems is continually growing. Data rate values in the order of several hundreds of TBps are expected in the near future. In order to cope with those expectations silicon based technologies are believed to be the best suited. Its naturally compatibility with CMOS easily enables the electronics and photonics co-integration. In the short-term the way increase data rates in next generation optical communication systems goes through using advanced modulation format and increase symbol rates. In the long-term view, new multiplexing techniques will be required. In this sense, mode division multiplexing is nowadays an attractive approach under consideration.In this Thesis work, the way to implement these new optical communication schemes is studied from the transmitter point of view. It includes, on a first part the modeling, design and characterization of silicon modulators. And in a second part, it includes the proposition, design and characterization of novel mode handling devices for mode division multiplexing.A new way of modeling silicon modulators has been developed. This new model permits to reduce the computation time of modulator analysis up to two orders of magnitude, while maintaining a good level of accuracy. Using the model, modulators based on lateral PN junctions and interdigitated PN junctions were designed to work in the O-Band of optical communications. Characterization work has been performed on these modulators with good results. Wide-open OOK (On Off Keying) eye diagrams with 10 dB extinction ratio were obtained at 10GBps. Furthermore, BPSK (Binary Phase Shift Keying) modulation was also demonstrated at 10GBps.New kind of mode converters and multiplexers, intended to work as mode division multiplexing subsystems have been proposed, designed, fabricated and characterized. Measured results show broad bandwidth operation with high extinction ratio.

La détection cohérente combinée avec le traitement du signal s’est imposée comme le standard pour les systèmes de communications optiques longue distance à 100 Gb/s (mono-porteuse) et au-delà. Avec l'avènement des convertisseurs numérique-analogique à haute vitesse et haute résolution, la génération de formats de modulation d'ordre supérieure avec filtrage numérique est devenue possible, favorisant l’émergence de transmissions à forte densité spectrale. En outre, la généralisation des liaisons non gérées en dispersion permet une modélisation analytique du canal optique et favorise l'utilisation d’outils puissants de la théorie de l'information et du traitement du signal. En se fondant sur ces outils, de nouveaux formats de modulation à entrelacement temporel dits hybrides et formats multidimensionnels sont étudiés et mise en oeuvre expérimentalement. Leur impact sur les algorithmes de traitement du signal et sur le débit d'information atteignable est analysé en détail. La conception de transpondeurs de prochaine génération à 400 Gb/ s et 1 Tb/s reposant sur des signaux à débit-symbole élevé est également étudiée. Ces systèmes sont intéressants pour réduire le coût par bit en augmentant la capacité émise par transpondeur. L'élaboration d'algorithmes de traitement du signal avancés associés à l’utilisation de composants optoélectroniques à l'état de l'art ont permis la démonstration d’expériences records: d’une part la première transmission mono-porteuse à 400 Gb/s sur une distance transatlantique (pour une efficacité spectrale de 6 b/s/Hz) d’autre part la première transmission à 1 Tb/s basée sur la synthèse en parallèle de plusieurs tranches spectrales (8 b/s/Hz) / Coherent detection in combination with digital signal processing is now the de facto standard for long-haul high capacity optical communications systems operating at 100 Gb/s per channel and beyond. With the advent of high-speed high-resolution digital-to-analog converters, generation of high order modulation formats with digital pulse shaping has become possible allowing the increase of system spectral efficiency. Furthermore, the widespread use of transmission links without in-line dispersion compensation enables elegant analytical optical channel modeling which facilitates the use of powerful tools from information theory and digital signal processing. Relying on these aforementioned tools, the introduction of time-interleaved hybrid modulation formats, multi-dimensional modulation formats, and alternative quadrature amplitude modulation formats is investigated in high-speed optical transmission systems. Their impact on signal processing algorithms and achievable information rate over optical links is studied in detail. Next, the design of next generation transponders based on high symbol rate signals operating at 400 Gb/s and 1 Tb/s is investigated. These systems are attractive to reduce the cost per bit as more capacity can be integrated in a single transponder. Thanks to the development of advanced signal processing algorithms combined with state-of-the-art opto-electronic components, record high-capacity transmission experiments are demonstrated: the first single carrier 400 Gb/s transmission over transatlantic distance (at 6 b/s/Hz) and the first 1 Tb/s net data rate transmission based on the parallel synthesis of multiple spectral slices (at 8 b/s/Hz)

La consommation d'énergie des centres de données est un enjeu majeur. Leurs communications internes représentent près du quart de cette consommation. Les technologies de commutation optique ont en principe une meilleure efficacité énergétique que les solutions actuelles. Ce travail porte sur les réseaux optiques en mode paquet pour des centres de données de petite et moyenne taille. Il s'est déroulé dans le cadre du projet EPOC (Energy Proportional and Opportunistic Computing) qui s'intéresse à la réduction de la consommation d'énergie d'un centre de données alimenté partiellement par des sources renouvelables. Une hypothèse clé est l'absence d'un réseau de stockage dédié réduisant ainsi la consommation des interconnexions. Par contre, afin de pouvoir éteindre certains serveurs selon la charge de travail et l'énergie disponible, le débit doit être de l'ordre de 100 Gbit/s. Après un état de l'art des réseaux optiques pour centre de données nous choisissons une solution reposant sur une infrastructure entièrement passive et des émetteurs rapidement accordables en longueur d'onde, proposée récemment dans la littérature (POPI).Nous étudions les limitations dues aux composants (pertes d'insertion, plage d'accord et espacement des canaux). Nous proposons une extension (E-POPI) qui permet d'augmenter le nombre de serveurs connectés en utilisant plusieurs plages de longueurs d'onde. Pour les centres de données de plus grande taille nous proposons un réseau à deux étages (intra- et inter-racks) opérant respectivement dans les bandes C et L, POPI+. La connexion entre étages se fait via une passerelle transparente dans un sens et opaque dans l'autre. Différentes solutions de contrôle des deux étages sont détaillées.Un des éléments essentiels de faisabilité de ces architectures est de concilier la montée en débit avec les pertes du réseau passif d'interconnexion. Les techniques cohérentes des transmissions longue distance ne sont pas actuellement envisageables pour un centre de données. Nous avons donc étudié les formats PAM 4 et 8, par simulation avec différents débits (jusqu'à 112 Gbit/s et récepteurs (PIN, APD et SOA-PIN) et aussi, expérimentalement, à 12 et 18 Gbit/s. Nous avons développé une méthode de compensation des distorsions générées par les différents composants qui procure un compromis entre précision de correction et temps de calcul.Ces résultats nous permettent de déterminer les pertes d'insertion tolérables. Nous les combinons avec les limitations liées à la plage d'accord des émetteurs et à l'encombrement spectral des canaux occupant des fenêtres multiples de 12,5 GHz pour dimensionner les différentes architectures. Les réseaux POPI, E-POPI et POPI+ permettent respectivement la connexion de 48, 99 et 2352 entités à 112 Gbit/s. Nos évaluations tiennent compte d'une possible dispersion des caractéristiques des principaux composants. / Data-center energy consumption is nowadays a major issue. Intra-data-center networking accounts almost for a quarter of the data-center total power consumption. Optical switching technologies could provide higher power efficiency than current solutions based on electrical-packet switching. This work focuses on optical-packet-switched networks for small- and medium-size data centers. It takes part of the EPOC (Energy-Proportional and Opportunistic Computing) project, which main interest consists on reducing the overall power consumption of a data center partially powered by renewable sources. A key assumption is that our data center does not rely on a dedicated storage network, in order to reduce the consumption of those interconnections. In addition, with the aim of being able to turn off some servers according to the workload and the available energy, the bit rate must be close to 100 Gbit/s. We have chosen, after studying the state of the art of data-center interconnects, a purely passive network architecture based on fast-wavelength-tunable transmitters under the name of POPI.We study POPI's limitations due to its components (insertion loss, tuning range and channel spacing). We then propose an extension called E-POPI that allows to increase the number of connected servers by using several transmission bands. For larger data centers, we propose POPI+, a two-stage infrastructure for intra- and inter-rack communications operating in the C and L bands, respectively. The connection between both stages is done via a transparent gateway in one direction and an opaque one in the other. We discuss different control solutions for both stages.The feasibility of these architectures depends on, among other factors, dealing with bit-rate increasing and power losses of a passive interconnect. Coherent long-distance-transmission techniques are not currently suited to data centers. We therefore studied PAM 4 and 8 modulation formats with direct detection. On one hand, by simulation, with different bit rates (up to 112 Gbit/s) and receivers (PIN, APD and SOA-PIN) and, on the other hand, experimentally, at 12 and 18 Gbit/s. We have developed a method for compensating the distortions generated by the different network components. Our method takes into account a good tradeoff between correction accuracy and computation time.Simulation results allow us to determine the amount of insertion loss that may be supported. We then combine these results with the limitations of transmitters-tuning range and channel spacing using multiple of 12.5 GHz slots for dimensioning the proposed architectures. POPI, E-POPI and POPI+ interconnects allow the connection of 48, 99 and 2352 entities, respectively, at 112 Gbit/s. Our assessments take into account a potential dispersion of the characteristics of the main architecture components.

Les formats de modulation bidimensionnels (i.e. basés sur l’amplitude et la phase de l’onde porteuse) ont gagné depuis peu le domaine des transmissions par fibre optique grâce aux progrès conjoints de l’électronique rapide et du traitement du signal, indispensables pour réaliser les récepteurs opto-électroniques utilisant la détection cohérente des signaux optiques. Pour pallier les limites actuelles en rapidité de commutation des circuits intégrés électroniques, une voie de recherche a été ouverte il y a quelques années, consistant à utiliser des technologies optiques pour faciliter la parallélisation du traitement du signal, notamment dans l’étape d’échantillonnage ultra-rapide du signal rendu possible par des horloges optiques très performantes. Le thème principal de cette thèse concerne l’étude théorique et expérimentale de la fonction de conversion analogique-numérique (ADC) de signaux optiques par un récepteur opto-électronique cohérent, associant les étapes d’échantillonnage optique linéaire, de conversion analogique-numérique et de traitement du signal. Un prototype, utilisant une solution originale pour la source d’échantillonnage, est modélisé, réalisé et caractérisé, permettant la reconstruction temporelle de signaux optiques modulés selon divers formats : NRZ, QPSK, 16-QAM. Les limitations optiques et électroniques du système sont analysées, notamment l’impact sur la reconstruction des signaux de divers paramètres : le taux d’extinction de la source optique, les paramètres de l’ADC (bande passante BW, temps d’intégration et nombre effectif de bits ENOB). Par ailleurs, de nouveaux algorithmes de traitement du signal sont proposés dans le cadre de la transmission optique cohérente à haut débit utilisant des formats de modulation bidimensionnels (amplitude et phase) : deux solutions sont proposées pour la compensation du déséquilibre de quadrature IQ dans les transmissions mono-porteuses: une méthode originale de l’estimation du maximum du rapport signal sur bruit ainsi qu’une nouvelle structure de compensation et d’égalisation conjointes; ces deux méthodes sont validées expérimentalement et numériquement avec un signal 16-QAM. Par ailleurs, une solution améliorée de récupération de porteuse (décalage de fréquence et estimation de la phase), basée sur une décomposition harmonique circulaire de la fonction de maximum de vraisemblance logarithmique, est validée numériquement pour la première fois dans le contexte des transmissions optiques (jusqu’à une modulation de 128-QAM). Enfin les outils développés dans ce travail ont finalement permis la démonstration d’une transmission sur 100 km d’un signal QPSK à 10 Gbaud fortement limité par un bruit de phase non linéaire et régénéré optiquement à l’aide d’un limiteur de puissance préservant la phase basé sur une nanocavité de cristal photonique. / Bi-dimensional modulation formats based on amplitude and phase signal modulation, are now commonly used in optical communications thanks to breakthroughs in the field of electronic and digital signal processing (DSP) required in coherent optical receivers. Photonic solutions could compensate for nowadays limitations of electrical circuits bandwidth by facilitating the signal processing parallelization. Photonic is particularly interesting for signal sampling thanks to available stable optical clocks. The heart of the present work concerns analog-to-digital conversion (ADC) as a key element in coherent detection. A prototype of linear optical sampling using an original solution for the optical sampling source, is built and validated with the successful equivalent time reconstruction of NRZ, QPSK and 16-QAM signals. Some optical and electrical limitations of the system are experimentally and numerically analyzed, notably the extinction ratio of the optical source or the ADC parameters (bandwidth, integration time, effective number of bits ENOB). Moreover, some new DSPs tools are developed for optical transmission using bi-dimensional modulation formats (amplitude and phase). Two solutions are proposed for IQ quadrature imbalance compensation in single carrier optical coherent transmission: an original method of maximum signal-to-noise ratio estimation (MSEM) and a new structure for joint compensation and equalization; these methods are experimentally and numerically validated with 16-QAM signals. Moreover, an improved solution for carrier recovery (frequency offset and phase estimation) based on a circular harmonic expansion of a maximum loglikelihood function is studied for the first time in the context of optical telecommunications. This solution which can operate with any kind of bi-dimensional modulation format signal is numerically validated up to 128-QAM. All the DSP tools developed in this work are finally used in a demonstration of a 10 Gbaud QPSK 100 km transmission experiment, featuring a strong non-linear phase noise limitation and regenerated using a phase preserving and power limiting function based on a photonic crystal nanocavity.