La fibre optique constitue une alternative sérieuse au câblage coaxial classique pour de nombreuses applications analogiques. En effet, outre son diamètre et sa masse beaucoup plus faible, elle ne perturbe pas les dispositifs électriques et elle assure une excellente isolation du signal véhiculé. Dans le cadre de notre étude, l'application principalement visée est la distribution par fibre optique de signaux de référence de fréquence dans les différents sous systèmes d'un satellite de télécommunications. D'autres applications possibles sont l'alimentation et le contrôle d'une antenne sol et l'accès aux divers éléments d'une antenne active. Toutefois, la liaison optique doit respecter certaines contraintes vis à vis de la qualité du signal véhiculé, en particulier en termes de bruit. Le travail présenté dans ce mémoire traite de l'optimisation en bruit de phase de liaisons optiques destinées à la diffusion d'un signal de référence de fréquence. Le problème de l'émetteur (le laser) est présenté, mais c'est surtout au niveau du récepteur que des concepts originaux ont été développés. En particulier l'approche photo-oscillateur, c'est à dire un oscillateur synchronisé par l'onde optique modulée, a été utilisée pour réaliser différents récepteurs à des fréquences de 10 MHz, 874.2 MHz et 3.5 GHz. L'intérêt de cette approche réside dans le filtrage naturel du bruit de phase loin de la porteuse et dans la puissance de sortie constante délivrée par le photo-oscillateur. Dans le cas de l'application à 10 MHz il s'agissait de transmettre des signaux d'oscillateurs ultra-stables en conservant au mieux leurs caractéristiques spectrales. Les autres applications (à 874.2 MHz et 3.5 GHz) étaient moins critiques vis à vis de la pureté spectrale. Elles ont permis de tester les approches, et les composants les plus appropriés pour leur mise en Suvre.

Cette thèse porte sur la conception, la réalisation et la caractérisation de diodes lasers de puissance, faible bruit à 1.5 µm sur InP pour des applications d'optique hyperfréquence, notamment pour des liaisons optiques analogiques de grande dynamique pour les systèmes radar. La première partie du travail a consisté à modéliser et concevoir des structures laser DFB ayant de faibles pertes internes. Ces structures, appelées lasers à semelle, incorporent une couche épaisse de matériaux entre la zone active et le substrat pour agrandir et délocaliser le mode propre optique des zones dopées p. La complexité de la conception résidait dans le bon compromis à trouver entre les performances statiques et dynamiques. Nous avons réalisé des diodes-lasers DFB avec une puissance > 150 mW, un rendement de 0.4 W/A, un niveau de bruit de 160 dB/Hz et une bande passante de modulation à 3 dB de 7.5 GHz. Les composants ont ensuite été caractérisés puis évalués dans des liaisons analogiques. Nous avons démontré des performances de gain de liaison, de dynamique et de point de compression à l'état de l'art mondial. En bande L (1-2 GHz) par exemple, nous avons montré des liaisons avec 0.5 dB de gain, un point de compression de 21 dBm et une dynamique (SFDR) de 122 dB.Hz2/3.En utilisant la même méthodologie de conception, la dernière partie du travail de thèse a été consacrée à la réalisation et à la caractérisation de lasers de puissance à verrouillage de modes pour la génération de train d'impulsions ultra-courts et la génération de peignes de fréquences. Ces structures présentent de très faibles largeurs de raie RF (550 Hz) et de très fortes puissances optiques (> 18 W en puissance crête).

Nous proposons des liaisons optiques en Silicium à faible coût utilisant des longueurs d'onde de propagation de 650 à 850 nm. La création de circuits intégrés optoélectroniques à grande échelle et de bus de données optiques au sein même des circuits intégrés, utilisant des composés Silicium CMOS, ont été envisagées présentant une voie prometteuse [1] - [3]. Dans les dernières tentatives de réalisation de systèmes optoélectroniques en CMOS, les technologies était principalement orientée sur l'utilisation des longueurs d'onde à 1550 nm [4] - [6], principalement en raison de la facilité de conception et de fabrication des guides d'ondes dans ce régime de longueur d'onde. Cependant, aucune source optique rapide efficace et aucun photo-détecteur Si ne sont disponibles à cette longueur d'onde de 1550 nm. Aujourd'hui, les solutions pour surmonter le problème sont principalement axées sur l'intégration de sources optiques basées sur des éléments du groupe IIIV reportés sur Silicium par liaison moléculaire [7a] - [7b].Si la source optique, le détecteur, les guides d'ondes et les capteurs pouvaient être réalisés sur la même puce CMOS Silicium, par exemple à une longueur d'onde de 750 nm, divers systèmes micro-photoniques sur puces, légers et miniaturisés, pourraient être conçus et réalisés. Alors que les sources optiques au Silicium ne sont peut-être pas encore au niveau de performance requis pour les communications à très haut débit, les systèmes optoélectroniques "tout-Silicium" à faible coût restent encore un excellent point de départ. Ces sources pourraient également conduire à un nouveau champ qui pourrait s'appeler «microsystèmes photoniques Si» ouvrant la voie à de nouvelles applications et produits notamment pour l'optique médicale, biomédicale, les interconnexions optiques et la biophotonique. Ces systèmes ne nécessitent de bande passante à très haute fréquence pour émettre, et les puissances d'émission de nos diodes électroluminescentes (LED) à avalanche peuvent être suffisantes pour assurer le fonctionnement de tels systèmes. Ce travail de thèse de doctorat traite donc des liaisons optiques SiGe / Si à faible coût en utilisant des dispositifs Photonique-Microondes tels que une source à Diode Electro-Luminescente (DEL) à avalanche en Silicium (SiAvLED) et Silicium-Germanium intégrée en technologie bipolaire, des guides d'ondes optiques en Nitrure de Silicium et en Oxyde de Silicium, des phototransistors bipolaires à hétérojonction (HPT) SiGe. Ce travail se concentre sur l'intégration combinée de sources optiques à l'échelle micrométrique, de guides d'ondes optiques et de détecteurs sur une même puce pour former une liaison de communication complète pour diverses applications iv impliquant des liaisons de courte longueur d'onde (750 nm à 950 nm). Les progrès fournis par ce travail par rapport aux travaux antérieurs pourraient être synthétisés comme suit:• La source optique, le guide d'ondes et le détecteur ont tous été intégrés et alignés sur la même puce, dans une technologie industrielle RF bipolaire SiGe 0,35μm, pour former une liaison optique ou optique micro-onde complète sur puce à la longueur d'onde de 750 nm.• Une série de liaisons de communication optique de deuxième génération de 50μm de longueur, utilisant des longueurs d'onde de propagation de 650 à 850 nm, a été conçue et réalisée en technologie SiGe bipolaire également. Des sources optiques, des guides d'ondes et des détecteurs de dimensions micrométriques ont tous été intégrés sur la même puce pour former une communication complète sur les liaisons micro-optiques. Des LED Si à base d'avalanche (Si Av LED), des contacts Schottky, des stratégies de densification TEOS, des guides d'ondes à base de Nitrure de Silicium et des technologies de détection bipolaire SiGe de pointe ont été utilisées comme stratégies de conception clés.• Le logiciel de simulation R-soft (Beam Prop) a été utilisé comme outil de simulation / We propose a low cost full-silicon optical links utilizing 650 – 850 nm propagation wavelengths. The creation of large-scale opto-electronic integrated circuits and optical data “highways” inCMOS integrated circuitry, utilizing Si CMOS compounds, have been envisioned and hold much promise [1] - [3] The latest attempts for realizing optoelectronic systems in CMOS technology have until now mainly been focused on utilizing wavelengths at 1550 nm [4] - [6], mainly because of the ease of design and fabrication of waveguides in this wavelength regime. However, no effective high-speed optical sources and Si detectors are available at this 1550nmwavelength. Today solutions to overcome the problem are mostly focused on the integration of group III-V elements based optical sources on Silicon through molecular bonding [7a] – [7b]. If optical sources, detectors, waveguides, and sensors could be realized on the same Si CMOS chip at, say, 750 nm wavelength, various low power consuming, light and miniature on-chip-based micro-photonic systems can be designed and realized. While Silicon optical sources may not yet be at the required performance level for very-high speed communications, the low cost “all silicon”opto-electronic systems still remain a great grail. These sources could lead as well to new field that could be appropriately named “Si photonic microsystems” opening the route to new sensing applications and products especially for the medical, biomedical optics, optical interconnect and bio-photonics field. These systems also do not require ultrahigh frequency bandwidths to transmit, and the emission powers of our avalanche Si light-emitting diodes(LEDs) may be sufficient to sustain the operation of such systems. This PhD thus deals with low cost SiGe/Si optical links using Microwave-Photonics devices such as, Bipolar integrated SiAvLED, Silicon Nitride and Silicon Oxide optical waveguides, SiGeHPTs, Si and SiGe/Si LEDs. It focuses on the combined integration of micron-scale optical sources, optical waveguides and detectors on the same chip to form a complete communication link for various applications involving short wavelength links (750nm to 950nm). The progress provided by this PhD to previous works could be synthesized as below:• Optical source, waveguide and the detector were all integrated and aligned on the same chip, in an industrial based technology, to form complete on-chip micro-optical links at750nm wavelength, with a SiGe radio frequency (RF) 0.35µm bipolar process.• A series of second generation of on-chip optical communication links of 50µm length, utilizing 650 – 850 nm propagation wavelengths, have been designed and realized inSiGe. Micron dimensioned optical sources, waveguides and detectors were all integrated ion the same chip to form a complete communication on-chip micro-optical links. Avalanche based Si LEDs (Si Av LEDs), Schottky contacting, TEOS densification strategies, Silicon-Nitride based waveguides, and state of the art SiGe bipolar detector technologies were used as key design strategies.• R-soft simulation software (Beam Prop) was used as a mathematical capable simulation tool to model various Silicon-Nitride optical waveguide structures, before the designing, the fabrication, characterization and testing of the device. Various device structures were modeled, simulation iterations were performed on several optical waveguide designed structures before the device design, and the devices were tested experimentally.• Best performances of the designed on-chip optical links show a conversion loss as low as30dB from source to detector with up to 500MHz in cut off frequency. The good alignment and the good efficiency of each device are then clearly achieved. Higher frequency performances are also envisaged from preliminary measurements

La présente étude concerne le domaine des systèmes de transmission par fibres optiques et plus particulièrement l’impact des différentes techniques de filtrage (optiques) sur les performances des systèmes de transmission optiques (métro, accès). En réception, ces systèmes présentent un filtre étroit, qui permet de filtrer le signal sans avoir à traiter le bruit dans la liaison. On considère généralement que l'étroitesse du filtre de réception est indispensable au bon fonctionnement d'une liaison sans répéteurs, et que la sensibilité de la liaison est d'autant plus grande que la largeur du filtre est proche de la limite théorique que constitue la largeur du spectre du signal émis. L'utilisation de tels filtres présente des contraintes. D'une part, les filtres présentent des pentes raides, et sont coûteux. D'autre part, un décalage de la longueur d'onde de l'émetteur est toujours possible, de sorte que la plupart des récepteurs comprennent des filtres de réception dont la longueur d'onde est asservie sur la longueur d'onde de l'émetteur. Pour un système de transmission à multiplexage en longueurs d'onde WDM, dans lequel plusieurs longueurs d'ondes distinctes peuvent être utilisées, ceci permet d’augmenter la capacité d’information transmise, mais pose cependant de réelles contraintes telle que la diaphonie entre voies. Les canaux sont multiplexés dans la même fibre puis filtrés à la réception par un filtre optique qui sert à la fois au démultiplexage des canaux et à un éventuel filtrage optique dans le spectre du canal étudié. Le filtre optique aura des paramètres variables : forme, bande passante, et longueur d’onde centrale, ensuite le canal ainsi filtré sera analysé par le récepteur. Ce dernier comprend une photodiode suivie d’un filtre électrique de la forme de la fonction de filtrage de type de Bessel d’ordre 5. La qualité de l’information sera évaluée, par le taux d’erreur binaire TEB. Dans ce travail de thèse nous proposons une analyse de l’impact des paramètres fondamentaux des filtres sur les performances d’une liaison par la simulation système. / This study relates to the field of optical transmission systems fibers and more particularly the impact of different filtering techniques (optical) on the performance of optical transmission systems (metro access). Reception, these systems have a narrow filter, which filters the signal without having to deal with the noise in the link. It is generally considered that the narrowness of the receiving filter is indispensable for the proper functioning of a link without repeaters, and the sensitivity of the link is even greater than the width of the filter is close to the theoretical limit that is the spectrum width of the transmitted signal. The use of such filters has constraints. Firstly, the filters have steep slopes, and are expensive. On the other hand, a shift of the wavelength of the emitter length is always possible, so that most of the receivers comprise receiving filters whose wavelength is locked to the wavelength of the transmitter. For a transmission system with wavelength multiplexing, wherein plural different wavelengths may be used, this allows to increase the capacity of information transmitted, but however poses real constraints such that crosstalk between channels. The channels are multiplexed in the same fiber and filtered upon receipt by an optical filter which is used both in the channels and demultiplexing a possible optical filter in the spectrum of the considered channel. The optical filter has variable parameters: shape, bandwidth, and center wavelength, then the channel will be filtered and analyzed by the receiver. It includes a photodiode followed by an electrical filter of the form of the filter function of order Bessel type 5. Quality information will be evaluated by the bit error rate BER.In this thesis we propose to analyze the impact of the fundamental parameters of the filters on the performance of an optical system.

Cette thèse porte sur la conception, la réalisation et la caractérisation de diodes lasers de puissance, faible bruit à 1.5 µm sur InP pour des applications d’optique hyperfréquence, notamment pour des liaisons optiques analogiques de grande dynamique pour les systèmes radar. La première partie du travail a consisté à modéliser et concevoir des structures laser DFB ayant de faibles pertes internes. Ces structures, appelées lasers à semelle, incorporent une couche épaisse de matériaux entre la zone active et le substrat pour agrandir et délocaliser le mode propre optique des zones dopées p. La complexité de la conception résidait dans le bon compromis à trouver entre les performances statiques et dynamiques. Nous avons réalisé des diodes-lasers DFB avec une puissance > 150 mW, un rendement de 0.4 W/A, un niveau de bruit de 160 dB/Hz et une bande passante de modulation à 3 dB de 7.5 GHz. Les composants ont ensuite été caractérisés puis évalués dans des liaisons analogiques. Nous avons démontré des performances de gain de liaison, de dynamique et de point de compression à l’état de l’art mondial. En bande L (1-2 GHz) par exemple, nous avons montré des liaisons avec 0.5 dB de gain, un point de compression de 21 dBm et une dynamique (SFDR) de 122 dB.Hz2/3.En utilisant la même méthodologie de conception, la dernière partie du travail de thèse a été consacrée à la réalisation et à la caractérisation de lasers de puissance à verrouillage de modes pour la génération de train d’impulsions ultra-courts et la génération de peignes de fréquences. Ces structures présentent de très faibles largeurs de raie RF (550 Hz) et de très fortes puissances optiques (> 18 W en puissance crête). / This work focuses on the design, realization and characterization of high power, low noise 1.5 µm diode lasers for microwave applications and more particularly for high dynamic optical analog link for radar systems. The first part of this study deals with modeling and design of low internal losses DFB laser structures. These specific structures are called slab-coupled optical waveguide lasers, and are composed of a thick layer between the active layer and the substrate. The aim of this waveguide is to enlarge the optical eigenmode and to move the optical mode away from p-doped layers. The main difficulty was to find the good trade-off between laser static performances (optical power, efficiency) and dynamic performances (RIN and modulation bandwidth). We have succeeded in developing high efficiency (0.4 W/A), low noise (RIN ≈ 160 dB/Hz) DFB lasers with more than 150 mW and a 3 dB modulation bandwidth up to 7.5 GHz. We have then characterized our components on wide band and narrow band analog links. We have demonstrated state of the art gain links, dynamic and 1 dB compression power. In the L band (1-2 GHz) for example, we have obtained an optical link with a gain of 0.5 dB, a compression power of 21 dBm and a dynamic (SFDR) of 122 dB.Hz2/3.Finally we have applied the methodology and the design of slab-coupled optical waveguide structures to develop high power mode-locked lasers for ultra-short pulses generation and for optical and electrical comb generation. We have demonstrated narrow RF linewidth (550 Hz) lasers with very high power (continuous power > 400 mW and peak power > 18 W).