Le développement des télécommunications optiques à haute capacité fait des multiplexeurs en longueur d'onde un sujet brûlant des récentes recherches. Dans cette thèse, nous proposons et démontrons des réseaux sélectifs planaires ou (Arrayed Waveguide Grating, AWG) basés sur une plateforme de Nitrure de silicium (SiN) comme multiplexeur ou démultiplexeur. Dans le premier chapitre, nous comparons les guides d'onde en silicium et en nitrure de silicium et confirmons que le SiN sera considéré comme la plateforme principale de ce travail. Nous présentons des simulations des guides d'onde de SiN qui forme les AWGs, incluant les guides d'onde planaires, les guides d'onde à bande, les guides d'onde courbés et les guides d'onde fuselée utilisant FDTD solution et Mode solution d'Ansys Lumerical. L'influence des paramètres de conceptions des AWGs en SiN tels que la longueur focale, la distance séparant les guides d'onde, l'espacement entre les ouvertures adjacentes et les pertes de propagation liées à la fabrication sur les performances est aussi étudié en utilisant sur un modèle semi-analytique. Les AWGs communs sont typiquement conçus pour les modes électriques transverses (TE). Pour améliorer la capacité de transmission des réseaux WDM, dans le second chapitre, nous présentons un AWG insensible à la polarisation conçus avec des guides d'onde en SiN. L'insensibilité à la polarisation des AWGs est obtenue lorsque l'espace intercanal et la longueur d'onde centrale des deux modes sont alignés pour un même AWG. L'alignement de l'espace intercanal entre les deux états de polarisations est obtenu en optimisant la géométrie du réseau de guide d'onde, alors que l'insensibilité de la longueur d'onde centrale est obtenue en séparant les deux états de polarisations et en ajustant leur angle d'incidence à l'entrée du coupleur en étoile pour compenser la dispersion entre les modes dans l'AWG. Un multiplexeur de longueur d'onde 1 × 8 avec un espacement entre les canaux de 100 GHz et une diaphonie de −16 dB est démontré expérimentalement. Dans la conception d'un AWGs en SiN, un espacement d'une largeur supérieur à 10 µm entre des guides d'ondes identiques minimise le couplage parasite augmentant ainsi leur empreinte. Dans le troisième chapitre, nous présentons un AWG ultra-compact 1×8 ayant une séparation de 100 GHz entre les canax rendu possible grâce à des guides d'onde en super-réseaux supprimant le couplage entre les guides d'onde. Bénéficiant de la haute densité du super-réseau, cet AWG possède une empreinte compacte de 4.3mm × 0.6mm, ce qui est plus que 2 fois plus petit qu'un AWG conventionnel ayant des performances similaires à celui présenté dans le second chapitre. Le SL-AWG montre aussi une faible perte d'insertion de 3.4 dB et une faible diaphonie de −18 dB. À part le couplage entre les guides d'onde discuté dans le troisième chapitre, l'erreur de phase produite par les variations de fabrication a l'impact le plus important sur les performances de l'AWG. Il a été étudié que leurs performances sont liées à la longueur du réseau de guide d'onde déterminant l'erreur de phase. Toutefois, il existe encore un écart de quantification de l'impact de la longueur du réseau et les variations de fabrication sur les performances de l'AWG. Dans le quatrième chapitre, nous présentons une analyse statistique de l'AWG en présence d'erreurs de phase dans les guides d'onde. Des figures de mérites importantes pour la performance incluant les pertes d'insertion, la diaphonie et la non-uniformité sont paramétrées en fonction de la longueur de cohérence, un paramètre physique qui caractérise l'accumulation d'erreur de phase dans les guides d'ondes optique. Une longueur de cohérence de 23.7 mm au niveau de la matrice pour les guides d'onde de SiN peut être extraite en mesurant les variations dans la longueur d'onde de résonnance d'un interféromètre de Mach-Zhender. Au travers de simulations Monte-Carlo, nous examinons l'impact de l'erreur de phase sur les performances de l'AWG avec une espace entre les canaux de 100 GHz et 200 GHz. / The development of optical communications with high transmission capacity makes wavelength division multiplexing (WDM) systems a hot topic of recent research. In this thesis, we propose and demonstrate arrayed waveguide gratings (AWGs) based on a SiN platform as the multiplexers or demultiplexers. In the first chapter, we compare the material and waveguides between silicon and silicon nitride. We present numerical simulations of the SiN waveguides, including slab waveguides, strip waveguides, bent waveguides and tapered waveguides, using FDTD solutions and MODE solutions from Ansys Lumerical. These waveguides are used to form an AWG in this thesis. The influences of SiN AWGs designed parameters including focal length, separation of arrayed waveguides, gaps between adjacent apertures and propagation loss on the performances are studied based on a semi-analytical model. Common AWGs are typically designed in TE mode. In order to improve the transmission capacity in WDM system, in the second chapter, we present a polarization insensitive AWG built with SiN waveguides. The polarization insensitive AWGs are obtained when both the channel spacing and the center wavelength are aligned for TE and TM modes in a single AWG. The channel spacing polarization insensitivity is obtained by optimizing the geometry of the arrayed waveguides whereas the central wavelength polarization insensitivity is obtained by splitting the two polarization states and adjusting their angle of incidence at the input star coupler. A 100 GHz 1×8 AWG with crosstalk below −16 dB is demonstrated experimentally. In the design of SiN AWGs, the gaps of wider than 10 µm between adjacent identical waveguides are designed to minimize parasitic coupling. However, these gaps suppress further shrinking the footprint of AWGs. In the third chapter, we present an ultra-compact 100 GHz 1 × 8 SiN AWG enabled by a novel concept of the waveguide superlattice suppressing coupling between waveguides. Benefiting from the densely arrayed waveguides patterning with waveguide superlattice, this superlattice AWG has a compact footprint of 4.3 mm × 0.6 mm, which is more than two times smaller than a conventional AWG with similar performance. The SL-AWG also shows a low insertion loss of 3.4 dB and a low crosstalk level of −18 dB. Beside the coupling between waveguides discussed in the third chapter, the phase errors due to fabrication variations have a considerable impact on the performance of AWGs. It is shown that their performances are related to the length of arrayed waveguides determining the phase errors. However, there lacked a practical way to quantify the impact of arrayed waveguide length and fabrication variations on the performances of AWGs. In the fourth chapter, we present a statistical analysis of AWGs in presence of phase errors of arrayed waveguides. The important figures of merits including insertion loss, crosstalk and non-uniformity, are parameterized by the coherence length, a physical parameter that characterizes the accumulated phase errors in an optical waveguide. A die-level coherence length of 23.7 mm for the SiN waveguides is extracted by measuring variation of resonant wavelength of Mach-Zehnder interferometers. Through Monte Carlo simulations, we present the impacts of phase errors on performance of 1 × 4 AWGs with 200 GHz and 100 GHz channel spacings.

Thèse de doctorat : Electronique : Lille 1 : 2000. / Résumé en français et en anglais. Bibliogr.

Reproduction de : Thèse de doctorat : chimie et physico-chimie des polymères : Le Mans : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 209-210.

Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. 140-144. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

L'augmentation du trafic de données met énormément de pression sur les systèmes de communications par fibre optique qui doivent répondre à la demande tout en maintenant les coûts d'opération et la consommation énergétique les plus faibles possibles. Pour palier à ce problème, une solution intéressante consiste à utiliser des interconnections optiques reconfigurables ne nécessitant peu ou pas de conversion électro-optique intermédiaire, notamment dans les centres de données. On parle ici de transparence dans les réseaux optiques. Pour concevoir ces dispositifs photoniques, la plateforme intégrée silicon-on-insulator (SOI) est très prometteuse. En effet, elle offre la possibilité de concevoir des composants intégrés qui sont compacts, polyvalents, évolutifs et sophistiqués, le tout en réduisant les coûts de production. Ce mémoire porte sur l'étude, sur la conception et sur la fabrication de filtres à micro-cavités en anneau d'ordre élevé sur SOI et à leur utilisation dans des systèmes de multiplexage en longueur d'onde reconfigurables, transparents et insensibles à la polarisation. L'objectif de ce travail est plus particulièrement d'adresser le défi complexe qui consiste à développer un système de ce type, possédant toutes les caractéristiques visées par les équipements qui sont déployés à grande échelle. La première partie de ce travail a comme objectif de présenter les systèmes de communications optiques et le problème qui est adressé dans son contexte. C'est aussi à ce moment que sera introduite en détails la plateforme SOI qui offre des outils pour répondre au problème. Ensuite, en seconde partie, il sera question des filtres à micro-cavité en anneau et des méthodes de design permettant de les modéliser afin de les intégrer dans des systèmes complexes. Ces filtres sont cependant très sensibles au processus de fabrication et il est donc nécessaire de présenter un méthodologie permettant de corriger leur réponse en post-fabrication, chose qui sera faite en troisième partie. Enfin, la dernière section de ce travail de recherche porte sur l'intégration des concepts développés dans les sections précédentes afin de bâtir un système complet de multiplexage en longueur d'onde reconfigurable, transparent et insensible en polarisation. Enfin, même s'il reste beaucoup de travail d'analyse et de conception devant nous, cette recherche montre de manière non-exhaustive les avantages et les limitations fondamentales que peuvent avoir les filtres à micro-résonateurs en anneau implémentés dans les réseaux transparents reconfigurables. / Increase in data traffic puts a lot of pressure on optical communication systems which must provide for its users while maintaining operation costs and energy consumption as low as possible. A solution to overcome those problems consists in using reconfigurable optical inter-connects which do not require any electro-optical conversion, especially in data centers. This is known as optical network transparency. In order to build the optical components required to implement optical network transparency, the silicon-on-insulator (SOI) platform provides very promising solutions. It offers the possibility to design highly-scalable integrated devices with a small footprint and low fabrication costs. This memoir aims to study the design and fabrication of high-order microring resonator filters on the SOI platform and their usage in reconfigurable, transparent and polarization insensitive wavelength division multiplexing (WDM) optical communications systems. The main goal of this work is to address the complex challenges of designing such components for widespread usage, having all the specifications that are required for their implementation. In the first part of this work, optical communications systems and the problem that will be addressed will be discussed in its context. At this point, the silicon-on-insulator platform which offers helpful tools for responding to the issue will be introduced. Then, in the second part, high-order microring filters will be introduced as a solution and their principles and applications will be discussed. Those filters are unfortunately very sensitive to the fabrication process and it is thus necessary to discuss the methodology required in order to mitigate those effects at the post-fabrication level. This methodology will be discussed in the third part of this work. Then, in the final part of this memoir, all the concepts previously introduced will be consolidated in order to build a complete reconfigurable and transparent WDM system that is insensitive to polarization. There is still a lot of work ahead of us and even though this research is not exhaustive, it shows the advantages as well as fundamental limitations of high-order microring filters when implemented in transparent and reconfigurable optical networks.

Titre de l'écran-titre (visionné le 29 juin 2023) / Le polydiméthylsiloxane (PDMS) est un matériau polyvalent en raison de sa biocompatibilité, de son inertie, de sa durabilité, de son élasticité, de sa transparence, de son faible coût, de sa grande disponibilité et de sa facilité de fabrication. Ce matériau a prouvé son importance dans de nombreux domaines en agissant comme matériau hôte pour les nanoparticules et le milieu de gain pour produire un système laser aléatoire largement ajustable. La photosensibilité des matériaux est un paramètre clé pour la fabrication de dispositifs pour une variété d'applications telles que les télécommunications, la détection et les lasers. Par conséquent, cette thèse porte sur une méthodologie expérimentale de fabrication de nouveaux matériaux photosensibles à base de PDMS ainsi que sur l'élaboration d'un laser aléatoire élastomère stable (SERL) composé en combinaison avec un matériau inorganique, Nd:YAB (NdxY1-xAl₃B₄O₁₂), les intégrer dans des guides d'ondes photoniques en silicone et explorer leurs applications. Tout d'abord, des stratégies ont été développées pour rendre le PDMS photosensible pour l'écriture femtoseconde (fs). Nous avons utilisé un laser femtoseconde pour écrire directement dans les PDMS, ainsi que de matériaux vitreux photosensibles sous la forme de PDMS chargés de nouveaux dérivés de germanium (Ge) et d'autres initiateurs pouvant agir en tant que photosensibilisateurs, afin d'obtenir le changement d'indice de réfraction le plus élevé sans compromettre de manière significative, conduisant à une écriture optimale de guides d'ondes ou de dispositifs photoniques dans un tel hôte souple. De plus, des réseaux de diffraction de Bragg hautement accordables ont été intégrés à l'intérieur des PDMS. Pour le développement de futurs dispositifs, nous avons exploré l'effet de l'écriture laser fs sur la structure du polymère ainsi que de leurs propriétés mécaniques et optiques. Ensuite, dans la deuxième approche de cette étude de doctorat, un système de laser aléatoire élastomère (SERL) très stable composé de deux matériaux stables : nanoparticules inorganiques Nd:YAB (NdₓY₁₋ₓ Al₃(BO₃)₄) et polydiméthylsiloxane (PDMS) a été fabriqué. Ce RL très stable est le premier système élastomère, donc accordable, qui permet l'étude systématique de la stabilité. Nous avons pu explorer les aspects d'adaptabilité du système RL en étirant le composite PDMS et en explorant l'aspect multidirectionnel du laser. En tant qu'application nécessitant un fonctionnement à long terme, un comportement statistique de type Lévy a également été démontré. / Polydimethylsiloxane (PDMS) is a versatile material due to its biocompatibility, inertness, durability, elasticity, transparency, low cost, wide availability, and ease of manufacture. This material has proved its importance in many fields by acting as a host material for nanoparticles and gain medium to produce a widely tunable random lasing system. Photosensitivity of materials has been shown to be a key parameter for the fabrication of devices for a variety of applications such as in telecommunications, sensing and lasers. Hence, this thesis involves the experimental methodology for fabricating novel photosensitive materials based on PDMS as well as the realization of a Stable Elastomeric Random Laser (SERL) composed in combination with an inorganic material, Nd:YAB (NdₓY₁₋ₓAl₃B₄O₁₂), for integration into silicone photonic waveguides and exploration of potential applications. Firstly, a strategy has been developed to render PDMS photosensitive for femtosecond (fs) writing. We then used a femtosecond laser to write directly into PDMS, as well as into a new photosensitive glassy material in the form of PDMS loaded with novel germanium (Ge)-derivatives and other initiators as photosensitizers. This combination yielded a higher refractive index material for optimal writing of waveguides or photonic devices in a very soft host. In addition, for the first time to the best of our knowledge, highly tunable Bragg diffraction gratings were embedded inside the bulk PDMS. For future device engineering, the effect of fs laser writing on the polymer structure, mechanical and optical properties has been explored. Then, in the second approach of a very stable elastomeric random laser (SERL) system composed of two stable materials: inorganic Nd:YAB (NdₓY₁₋ₓ Al₃(BO₃)₄)-nanoparticles and polydimethylsiloxane (PDMS) has been fabricated. This very stable RL is the first elastomeric system, hence tunable, which allows the systematic investigation of stability. The tunability aspects of the RL system has been investigated by stretching the PDMS composite and explored the multi-directionality of lasing. As an application which requires long term operation, Levy-like statistical behavior were also demonstrated.

Thèse doctorat : Électronique : Lille 1 : 2003. / N° d'ordre (Lille 1) : 3387. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

"Thèse en cotutelle, Doctorat en physique; Université Laval, Québec, Canada et Université de Bordeaux, Talence, France" / L'inscription laser directe est un domaine de recherche en croissance depuis ces deux dernières décennies, fournissant un moyen efficace et robuste pour inscrire directement des structures en trois dimensions (3D) dans des matériaux transparents tels que des verres en utilisant des impulsions laser femtosecondes. Cette technique présente de nombreux avantages par rapport à la technique de lithographie, qui se limite à la structuration en deux dimensions (2D) et implique de nombreuses étapes de fabrication. Cela rend la technique d’inscription laser directe bien adaptée aux nouveaux procédés de fabrication. Généralement, l’inscription laser dans les verres induit des changements physiques tels qu'un changement permanent de l'indice de réfraction localisé. Ces modifications ont été classées en trois types distincts:(type I, type II et type III). Dans ce travail, nous présentons un nouveau type de changement d'indice de réfraction, appelé type A qui est basé sur la création d’agrégats d'argent photo-induits. En effet, dans des verres dans lesquels sont incorporés des ions argent Ag+, lors de leur synthèse, l’inscription laser directe induit la création d’agrégats d’argent fluorescents Agmx+ au voisinage du voxel d’interaction. Ces agrégats modifient localement les propriétés optiques comme la fluorescence, la non-linéarité et la réponse plasmonique du verre. Ainsi, différents guides d'ondes, un séparateur de faisceau 50-50, ainsi que des coupleurs optiques ont été inscrits en se basant sur ce nouveau type A et complétement caractérisés. D'autre part, une étude comparative entre les deux types de guides d'ondes (type A et type I) est présentée, tout en montrant qu’en ajustant les paramètres laser, il est possible de déclencher soit le type I soit le type A. Enfin, en se basant sur des guides d’ondes de type A inscrits proche de la surface du verre, un capteur d'indice de réfraction hautement sensible a été inscrit dans une lame de verre de 1 cm de long. Ce capteur miniaturisé peut présenter deux fenêtres de détection d’indice, ce qui constitue une première mondiale. Les propriétés des guides d'ondes inscrits dans ces verres massifs ont été transposées à des fibres en forme de ruban, du même matériau contenant de l'argent. Les résultats obtenus dans ce travail de thèse ouvrent la voie à la fabrication de circuits intégrés en 3D et de capteurs à fibre basés sur des propriétés optiques originales inaccessibles avec des guides d’onde de type I standard. / Direct Laser Writing (DLW) has been an exponentially growing research field during the last two decades, by providing an efficient and robust way to directly fabricate three dimensional (3D) structures in transparent materials such as glasses using femtosecond laser pulses. It exhibits many advantages over the lithography technique, which is mostly limited to two dimensional (2D) structuring and involves many fabrication steps. This competitive aspect makes the DLW technique suitable for future technological transfer to advanced industrial manufacturing. Generally, DLW in glasses induces physical changes such as permanent local refractive index modifications that have been classified under three distinct types: (Type I, Type II & Type III). In silver containing glasses with embedded silver ions Ag+, DLW induces the creation of fluorescent silver clusters Agmx+ at the vicinity of the interaction voxel. In this work, we present a new type of refractive index change, called type A occurring in the low pulse energy regime that is based on the creation of the photo-induced silver clusters allowing the creation of new linear and nonlinear optical waveguides in silver containing glasses. Various waveguides, a 50- 50 Y beam splitter, as well as optical couplers, were written based on type A modification inside bulk glasses and further characterized. In addition, a comparitive study between type A and type I waveguides is presented, showing that finely tuning the laser parameters allows the creation of either type A or type I modifications inside silver containing glasses. Finally, based on type A near-surface waveguides, a highly sensitive refractive index sensor is created in a 1 cm glass chip, which could exhibit a pioneer demonstration of double sensing refractive ranges. The waveguiding properties observed and reported in the bulk of such silver containing glasses were transposed to ribbon shaped fibers of the same material. Those results pave the way towards the fabrication of 3D integrated circuits and fiber sensors with original fluorescent, nonlinear and plasmonic properties that are not accessible using the standard type I modification.

Dans cette thèse, nous étudions les modifications optiques et structurales induites par des impulsions provenant d'un laser Ti:Saphir dans la silice et le ZBLAN. Nous avons réalisé une série d'expériences dans le but d'écrire des guides d'onde dans ces matériaux et d'en optimiser les conditions d'écriture. Les modifications induites via la focalisation d'impulsions femtosecondes à l'intérieur des matériaux ont ensuite été caractérisées. Dans la silice, les modifications observées sont, entre autres, le changement positif de l'indice de réfraction et la création de guides d'onde. Par contre, dans le ZBLAN, le changement de l'indice de réfraction peut être positif ou négatif selon la composition du verre. Nous avons ainsi étudié la création de guides d'onde et d'anti-guides d'onde dans ce matériau. Nos études nous ont permis d'établir les liens entre les phénomènes de fïlamentation, de claquage et de changement de l'indice de réfraction. Nous apportons aussi une meilleure compréhension aux mécanismes présents lors du changement d'indice de réfraction dans les verres, ce qui a permis d'optimiser le processus d'écriture des guides d'onde.

L'objectif de cette thèse est d'étudier l'impact des courbures sur les guides d'onde qui interviennent dans la confection des dispositifs optiques. Ces guides doivent être conçus pour minimiser la perte du signal causée par la courbure. Nous nous proposons, dans ce travail, de résoudre les équations de Maxwell vectorielles qui modélisent la propagation du champ électromagnétique, pour différents types de guide d'onde. Ainsi, nous développons une formulation en coordonnées curvilignes générales de ces équations basée sur l'approche modale. Pour discrétiser notre problème, nous utilisons une méthode numérique basée sur les éléments finis, ce qui requiert la troncature du domaine de calcul et la considération d'une frontière artificielle. Cette frontière fictive induit des réflexions numériques importantes dans le cas des guides courbés. Pour remédier à ce problème, des conditions de frontières absorbantes sont utilisées. Notre choix porte sur les PML (couches parfaitement adaptées) qui ont montré leur efficacité dans plusieurs cas de problèmes posés sur des domaines ouverts. Pour satisfaire l'exigence de précision requise pour la détermination des constantes de propagation de ces guides, des éléments finis mixtes d'ordre élevé ont été développés. Dans le cas des géométries rectangulaires, nous proposons une nouvelle famille d'éléments quadrangulaires d'ordre 1 et 2 pour discrétiser les équations écrites en coordonnées cylindriques. Pour les géométries circulaires, où une transformation en coordonnées toroïdales est considérée, nous utilisons une nouvelle famille d’éléments axisymétriques d'ordre 1 et 2. Des analyses comparatives montrent la robustesse des formulations et l'efficacité des éléments finis d'ordre élevé développés.