Titre de l'écran-titre (visionné le 23 mai 2023) / La lumière bleue (ou visible à haute énergie) est de plus en plus présente dans notre environnement. Que l'on pense aux écrans, aux diiodes électroluminescentes et autres nouvelles technologies, nous passons énormément de temps exposés à la lumière bleue. La pandémie de COVID-19 n'a fait qu'exacerber ce constat. Nous proposons d'étudier l'interaction de la lumière bleue avec un déchet métabolique retrouvé dans la lipofuscine de la rétine humaine. Cette molécule est le N-rétinylidène-N-rétinyléthanolamine. Il s'agit d'un produit du cycle visuel qui s'accumule dans le temps dans les cellules de l'épithélium pigmenté rétinien. Actuellement, il existe peu de connaissances sur l'impact de l'exposition chronique à la lumière bleue à dose physiologique. Dans un premier temps, nous nous attarderons sur le développement d'un modèle pertinent pour l'étude de la lumière dans des cellules de l'épithélium pigmenté rétinien. Ainsi, dans le premier chapitre, nous présenterons le travail effectué pour développer un modèle cellulaire différencié, stable et mélanisé. Nous avons observé qu'en conservant les cellules à confluence durant plusieurs semaines elles se différenciaient et présentaient des caractéristiques intéressantes pour notre étude. Dans un second temps, nous nous attarderons sur l'état des connaissances sur la lipofuscine et la lumière bleue. Dans le second chapitre, nous présenterons l'utilisation de ce modèle afin d'étudier l'impact du N-rétinylidène-N-rétinyléthanolamine, un composé de la lipofuscine, et de la lumière visible à haute énergie sur des facteurs cellulaires tels que l'inflammation et l'oxydation. Pour finir, nous discuterons des résultats obtenus et conclurons sur le travail effectué dans cette thèse. / Blue (or high-energy visible) light is increasingly present in our environment. Whether we think of screens, light-emitting diodes and other new technologies, we spend a lot of time exposed to blue light. The COVID-19 pandemic has only exacerbated this finding. We propose to study the interaction of blue light with a metabolic waste found in the lipofuscin of the human retina. This molecule is N-retinylidene-N-retinylethanolamin. It is a product of the visual cycle that accumulates over time in the cells of the retinal pigmented epithelium. Currently, there is little knowledge about the impact of chronic exposure to blue light at physiological doses. First, we will focus on the development of a relevant model for the study of light in cells of the retinal pigmented epithelium. Thus, in the first chapter, we will present the work carried out to develop a differentiated, stable and melanized cell model. We observed that by keeping the cells at confluence for several weeks, they differentiated and presented interesting characteristics for our study. Secondly, we will focus on the state of knowledge on lipofuscin and blue light. In the second chapter, we will present the use of this model to study the impact of N-retinylidene-N-retinylethanolamin, a compound of lipofuscin, and high-energy visible light on cellular factors such as inflammation and oxidation. Finally, we will discuss the results obtained and conclude on the work done in this thesis.

L'évolution de la communication optique à haute vitesse pour répondre à une demande toujours croissante reste un défi. La photonique sur silicium (SiP) est reconnue comme la technologie la plus prometteuse pour une intégration massive afin de maintenir des coûts bas et des débits de transmission élevés. Dans cette thèse, nous examinons les performances du système des modulateurs en silicium et proposons plusieurs optimisations. Nous explorons des systèmes de détection cohérente et directe pour différentes applications cibles. Nous présentons une démonstration expérimentale de la transmission cohérente avec un modulateur Mach-Zehnder en silicium à segmentation binaire pondérée (BWS). Nous étudions la tolérance du décalage temporel RF entre les segments et résolvons ce problème avec une méthodologie de correction expérimentale. Nous améliorons les performances de transmission en optimisant les paramètres du système, y compris le biais, le DSP et l'accentuation optique. Nous atteignons une modulation 32QAM à 120 Gbaud avec un seuil FEC de 24% en polarisation unique. Nous explorons un autre design segmenté pour la cohérence à haute vitesse, celui avec une segmentation pondérée unaire (UWS). En utilisant deux segments de même longueur sur un modulateur Mach-Zehnder en silicium, nous atteignons un débit net de 1 Tbit/s avec polarisation double en transmission optique en face à face et sur fibre sur 80 km, avec l'aide du façonnage probabiliste de la constellation (PCS) et du traitement numérique du signal (DSP) non linéaire. Nous démontrons le rapport signal/bruit optique réalisable (OSNR) en fonction du nombre de segments de longueur égale et résumons l'amélioration avec la segmentation. Nous examinons également le compromis en utilisant la segmentation. Nous passons de la détection cohérente à la détection directe pour examiner la transmission à bande latérale unique (SSB) par multiplexage orthogonal par répartition en fréquence (OFDM) avec un micro-modulateur annulaire (MRM) en silicium. Nous utilisons un modèle numérique pour le chirp de fréquence des MRM afin d'identifier deux dégradations distinctes que le chirp induit dans la signalisation SSB. Nous validons expérimentalement les dégradations simulées et établissons les avantages d'une modulation à faible chirp. Nous quantifions l'amélioration du rapport signal/bruit (SNR) de la sous-porteuse. / Scaling high-speed optical communication to meet growing demand remains challenging, especially in data centers. Silicon photonics (SiP) is recognized as the most promising technology for massive integration to keep costs low and transmission rates high. In this thesis, we investigate the system performance of silicon modulators and propose several optimizations. We explore coherent and direct detection systems, for different target applications. We present an experimental demonstration of coherent transmission with a dual binary-weighted segmentation (BWS) silicon Mach-Zehnder modulator (MZM). We investigate the tolerance of RF time delay mismatch between segments and resolve this problem with an experimental correction methodology. We improve transmission performance by optimizing system parameters including bias, DSP, and optical emphasis. We achieve 120 Gbaud 32QAM under 24% FEC threshold with a single polarization. We explore another segmented design for high-speed coherent applications, one with unary-weighted segmentation (UWS). Using two segments of equal length on a silicon MZM, we achieve 1 Tb/s net rate with dual polarization in optical back-to-back and 80 km fiber transmission, aided by probabilistic constellation shaping (PCS) and nonlinear digital signal processing (DSP). We demonstrate achievable optical signal-to-noise ratio (OSNR) as a function of the number of segments of equal length and summarize the improvement with segmentation. We also examine the trade-off between power efficiency, bandwidth, and achievable signal-to-noise ratio (SNR) by using segmentation. We turn from coherent to direct detection to examine single sideband (SSB) orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) transmission with a silicon micro-ring modulator (MRM). We use a numerical model for the frequency chirp from MRMs to identify two distinct impairments introduced by chirp in SSB signaling. We contrast this performance with that of chirped modulation from a single ring MRM. We validate our simulated impairments experimentally and establish the benefits of low-chirp modulation. We quantify the subcarrier SNR improvement.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Afin de parvenir à des rendements élevés, les cellules solaires à couches minces de silicium doivent présenter une forte absorption de la lumière. Dans ce travail, nous proposons d'utiliser des nanoparticules et nanostructures métalliques comme nouvelle approche pour piéger la lumière au sein de cellules solaires à couches minces de silicium. Les propriétés optiques spécifiques des nanoparticules métalliques sont une conséquence de l'apparition d'un phénomène de résonance dans leur spectre d'absorption et de diffusion, connu sous le nom de résonance de «plasmon localisé de surface» (LSP : localized surface plasmons). Pour des particules suffisamment petites (<50nm), l'absorption LSP est accompagnée par une forte augmentation du champ électromagnétique à l'intérieur et au voisinage des nanoparticules, La première partie de ce travail est motivée par l'exploitation de ce renforcement du champ électromagnétique, Dans cette approche, l'objectif est de confiner la lumière dans la couche active des cellules solaires. La seconde approche est basée sur la diffusion de la lumière par des nanoparticules métalliques de diamètre supérieur à 50 nm ou par des nanostructures métalliques. La section efficace de diffusion d'une nanoparticule métallique augmente rapidement avec son diamètre et atteint un maximum à l'excitation LSP. Dans ce travail, des nanoparticules de diamètres supérieur à 50 nm et des nanostructures métalliques ont été incorporées dans la partie inférieure de cellules solaires en silicium amorphe ou microcristallin / In order to achieve high efficiencies, thin-film silicon solar cells need an efficient light absorption. In this thesis, we discuss new approaches based on metal nanoparticules and metal nanostructures for light trapping in thin-film silicon solar cells, The specific optical properties of metallic nanoparticles are a consequence of the appearence of a resonance in their absorption and scattering spectra, know as the localized surface plasmon( LSP) resonance. For sufficiently small particles (<50 nm), the LSP absorption is accompanied by a strong enhancement of the electromagnetic field inside and in the surrounding of the nanoparticles. The first part of this work is motivated by the utilization of this enhanced electromagnetic field. In this approach, we target to confine the light in the active layer of thin-film silicon solar cells, The second approach is based on the light scattering of large metal nanoparticles or nanostructures. The scateering cross section of metallic nanoparticules increases rapidly with their diameter and experiences a resonance at the LSP excitation. Therefore, large metal nanoparticules and metal nanostructures were integrated at the back side of thin-film silicon solar cells

Aujourd'hui, la nuit urbaine est un thème émergent de la géographie francophone et anglophone, ce qu’illustre une série de travaux qui ont ouvert de nouveaux fronts de recherche comme l’urbanisme temporel (Mallet, 2009) ou le processus de gentrification de certains quartiers concernés par la vie nocturne (Comelli, 2015). Parmi les nouveaux fronts de recherche qui se sont développés ces dernières années, un des plus dynamiques parait être celui des études sur l’illumination urbaine. Cependant cette littérature reste plutôt fragmentée en termes d’approches, de méthodologies et d’intérêts de recherche.Les sciences sociales francophones se sont concentrées principalement sur l’évolution des politiques d’éclairage, en particulier en relation à l’évolution des outils et concepts associés à l’urbanisme-lumière. Cette littérature s’est surtout focalisée sur les pratiques de mise en lumière architecturale (Mallet, 2009 ; Hernandez, 2010). D’autre part, les chercheurs de tradition anglophone ont développé un intérêt croissant pour les effets que la lumière a sur l’expérience nocturne. En particulier, cet intérêt s’est articulé autour des deux grandes lignes de recherche : la relation entre éclairage public et peur de la criminalité et, plus récemment, les expériences produites par les installations lumineuses événementielles.A travers le croisement d’observations menées autour de différents paysages lumières : l’illumination de l’espace public, la mise en lumière patrimoniale et l’illumination dans le cadre de Fêtes de lumières cette thèse propose une approche qui combine les perspectives théoriques et méthodologiques développées par ces deux littératures.L’intérêt scientifique et pratique de ce choix répond à plusieurs critères. D’un côté, il permet de prendre en considération les trois principaux contextes empiriques qui intéressent la littérature sur la lumière. En même temps, l’étude conjointe de ces trois types de paysages-lumière offre l’opportunité d’analyser un même objet à différentes échelles et dans des contextes spatiaux-temporels différents. Plus généralement, l’ensemble de la thèse vise à produire un croisement de regards à différents niveaux. D'un côté, on souhaite produire un dialogue horizontal entre l’étude de la construction d’un paysage-lumière et l’expérience qu’il produit au quotidien. D’un autre côté, on souhaite favoriser une comparaison transversale entre les différents types de politiques lumières et entre les différentes expériences produites par la lumière en ville.Cette thèse contribue ainsi d’un côté à l’étude des évolutions plus récentes des politiques d’éclairage urbain et de l’autre à l’analyse de l’influence de la lumière urbaine sur les pratiques spatiales et sociales qui caractérisent l’espace public. Elle montre comme la convergence de logiques techniques et conceptuelles a pour résultat de produire des types de paysages-lumières qui participent d’une évolution des politiques d’aménagement urbain vers une esthétisation croissante et la prise en compte de l’expérience des habitants et usagers de la ville. Plus généralement, ce travail contribue à l’étude des dimensions politiques de l’aménagement urbain, a celle des processus de construction des politiques urbaines et à celle des relations entre savoir-expert et intégration de l’expérience vécue et sensible des usagers dans la construction de l’espace public urbain. / The urban night is an emerging theme in both Francophone and Anglophone geography, as illustrated by a series of works that have opened up research areas including temporal urbanism (Mallet, 2009) or the gentrification process of certain neighbourhoods affected by nightlife (Comelli, 2015). One of the most dynamic of these new research areas is the study of urban illumination. However, this literature remains rather fragmented in terms of approaches, methodologies and research interests.Francophone social sciences have concentrated mainly on the evolution of lighting policies, in particular in relation to the evolution of tools and concepts associated with the so called “urbanisme-lumière”. This literature has focused mainly on practices of architectural lighting (Mallet, 2009; Hernandez, 2010). On the other hand, researchers of the English-speaking tradition have developed a growing interest in the effects that light has on the nocturnal experience. In particular, this interest has centered around two lines of research: the relationship between street lighting and fear of crime and, more recently, the experiences produced by temporary lighting installations.Through the crossing of observations on different lightscapes: the illumination of the public space, the illumination of heritage building and temporary forms of illumination within the framework of light festivals this thesis proposes an approach that combines the theoretical and methodological perspectives developed by these two literatures.The scientific and practical interest of this choice meets several criteria. On the one hand, it allows an account of the three main empirical contexts that have been explored in the existing literature on light. At the same time, the joint study of these three types of lightscapes offers the opportunity to analyse the same object at different scales and in different spatial-temporal contexts. More generally, the entire thesis aims to produce a crossing of looks at different levels. On the one hand, we wish to produce a horizontal dialogue between the study of the construction of a lightscape and the experience it produces on a daily basis. On the other hand, we wish to encourage a cross-sectional comparison between the different types of light policies and between the different experiences produced by light in the contemporary city.As such, this thesis contributes to the study of the more recent evolutions of urban lighting policies as well as providing as analysis of the influence that urban illumination has on the spatial and social practices that characterize public space. It shows that the convergence of technical and conceptual logics has resulted in the production of different types of lightscapes that take part in an evolution of urban planning policies towards a growing aestheticization of the contemporary city. More generally, this work contributes to the study of the political dimensions of urban planning, the processes of urban policy construction and the relationship between expert knowledge and the integration of the lived and sensory experience of city users in the construction of public space.

Cette thèse aborde l'étude du fonctionnement des forêts tropicales à travers trois chapitres. Le premier porte sur la dynamique de la biomasse à l'échelle du paysage. Il apporte une amélioration de l'estimation de la biomasse et des erreurs associées à partir de données de terrain et de données de LiDAR aéroporté (ALS) dans une zone à très forte biomasse. L'approche préconisée par Chave (2014) a été adoptée pour calculer la biomasse et sa dynamique sur les parcelles permanents ce qui a permis d'avoir une relation entre biomasse et médiane de la hauteur de la canopée mesurée grâce à l'ALS. Deux relevés ALS à quatre ans d'intervalle ont ensuite permis de quantifier la biomasse à l'échelle du paysage et sa dynamique. Le second chapitre traite de la dynamique et la structure d'une forêt infestée par des lianes. La combinaison des données de suivis de parcelle, des relevés ALS, de l'étude des sols et de suivi de la dynamique de la litière et des plantules a permis de mettre en évidence un fonctionnement particulier. La dynamique et la structure de la forêt de lianes (beaucoup de perturbations, des arbres plus petits) et le fait que sa présence ne semblait pas lié à des facteurs édaphiques nous ont amené à la considérer comme un état de régénération alternative bloquée de la forêt. Enfin, dans le troisième chapitre, des données issues d'une cinquantaine de capteurs micrométéorologiques et des données d'ALS ont été combinée pour étudier l'hétérogénéité spatiotemporelle des microenvironnements forestiers et les relier à la structure forestière. Deux méthodes de prédiction de l'intensité lumineuse reçue, la température ambiante et l'humidité relative à partir des données d'ALS ont été proposée. Elle permettent de décrire a diversité de ces variable dans un sous-bois tropical. / This thesis is structured in three chapters. In the first one, aerial LiDAR scanning (ALS) data were combine to field measurement of the aboveground biomass to allow a quantification of it at the landscapes scale. Two successive ALS survey were used to quantify AGB stocks and their dynamics. In the second chapter the structure and dynamics of a liana-infested forest is studied. Permanent plot data, soil survey and seedling survey were combined to remote sensing (ALS and Landsat). Together, these data suggest the liana-infested forest to be in an arrested succession. In the third chapter ALS data were used to model light availability, temperature and relative humidity in forest understory. We show this data can be used to predict ecological relevant climatic variable at the landscape scale.

Titre de l'écran-titre (visionné le 11 janvier 2024) / Ce mémoire fera une étude des concepts théorique et expérimentale reliée à la conception de modulateur à lumière lente par réseaux de Bragg. Dans ce travail, le phénomène de lumière lente est utilisé afin d'augmenter l'interaction entre la lumière et le modulateur. Ce régime de ralentissement est produit par la combinaison de cavités Fabry-Perot et de réseaux de Bragg. Cette combinaison est aussi connue comme étant un réseau de Bragg à saut de phase. En incluant ces éléments dans un modulateur Mach-Zehnder, le phénomène de lumière lente permet d'utiliser une longueur de déphasage plus courte ainsi qu'une puissance plus faible. La combinaison de tous ces facteurs permet de produire un modulateur avec un potentiel de performance plus élevé tout en réduisant l'espace occupé par le modulateur. Les modulateurs présentés utilisent tous la lumière lente. Un premier ensemble de modulateurs inclut des modulateurs compacts utilisant des électrodes à propagation d'onde ayant une longueur de 200 µm. Ils ont un potentiel de fréquence de coupure supérieure à 67 GHz à la fois pour une densité de dopage conventionnelle et pour une densité de dopage plus élevée. Pour encore augmenter la bande électro-optique en continuant de diminuer la tension de commande pour de longs déphaseurs, le second ensemble de modulateurs inclut un nouveau style d'électrode adapté à la lumière lente. Ceux-ci possèdent des lignes de délai qui permettent de compenser la différence de vitesse entre le signal électrique et le signal optique. Cette modification permet d'augmenter drastiquement la fréquence de coupure à la condition d'avoir une ligne de délai bien ajustée au délai optique. / This thesis will study the theoretical and experimental concept related to the design of Bragg grating slow-light modulators. In this work, the slow-light phenomenon is used to enhance the interaction between light and the modulator. This slow-light regime is enabled by the combination of both Fabry-Perot cavity and Bragg grating. This structure is also known as a phase shifted Bragg grating. By including those elements in a Mach-Zehnder modulator, the slow-light effect allows to use a shorter modulation length as well as a lower modulating power. Combining all those parameters allows to make a modulator with a higher performance potential, while reducing the footprint of the modulator. The presented modulators are all using slow-light structures. The first modulator set includes compact modulators using conventional travelling wave electrodes with 200 µm length. They exhibited potential of over 67GHz cut-off frequency for both conventional doping density and for a higher doping density. To further increase the electro-optical bandwidth while reducing the driving voltage with longer phase shifter, the second set of modulator includes a new style of electrodes adapted to slow-light. Those have delay line that allows to compensate for optical and electrical velocity mismatch. This modification allows to drastically increase the cut-off frequency of the modulator at the condition of having a delay line that is well adjusted to optical delay.

Les dernières décennies ont été témoins d'une flambée sans précédent du trafic de données, nécessitant un besoin urgent de liaisons optiques ultra-rapides. Cela a donné l'impulsion aux systèmes de transmission optique à haute capacité de nouvelle génération. Dans ces systèmes, des modulateurs optiques intégrés ayant une bande passante élevée, économe énergétiquement, compacts, stables et adaptés à une intégration à grande échelle sont très demandés. La plate-forme de photonique sur silicium (SiP), bien qu'elle souffre de l'absence d'effets électro-optiques inhérents dans la silice, s'est néanmoins avéré être une solution rentable pour les transmetteurs de haute capacité puisqu'elle tire parti du processus CMOS mature. Par conséquent, un effort considérable a été consacré au développement d'appareils de haute performance sur cette plate-forme. Cette thèse se concentre sur les transmetteurs SiP pour la prochaine génération de réseaux optiques où l'espace, en tant que dernière dimension physique, est proposé pour surmonter le « manque de capacité » associé à la technologie actuelle. Pour construire de tels transmetteurs, il faut intégrer un ensemble de modulateurs optiques dans une seule puce. Ces modulateurs doivent simultanément se caractériser par un fonctionnement à grande vitesse, une faible consommation d'énergie, un encombrement réduit et une grande stabilité. Les modulateurs SiP bien connus, tels que les modulateurs à micro-anneaux (MRM) et les modulateurs Mach-Zehnder (MZM), ne répondent pas à tous les critères susmentionnés. Les MRM présentent une faible performance en termes de stabilité et les MZM sont gourmands en énergie. C'est pourquoi nous étudions des modulateurs SiP nouveaux et avancés dans deux chapitres de cette thèse. Pour la première fois, nous faisons la démonstration de modulateurs SiP basés sur la conversion de mode. Lorsqu'opérés en réflexion, les modulateurs de Bragg offrent un rendement élevé ainsi qu'un fonctionnement à grande vitesse. Cependant, les modulateurs fonctionnant en réflexion sont gênés par le manque de circulateurs sur puce. Nous abordons cette question et présentons expérimentalement un modulateur SiP basé sur des guides d'ondes asymétriques à réseau de Bragg suivis d'un coupleur directionnel asymétrique (ou jonction Y asymétrique), offrant des opérations en réflexion sans avoir besoin de circulateurs et avec de faibles pertes sur la puce. Dans notre deuxième contribution, nous faisons la démonstration du premier modulateur à lumière lente basé sur des résonateurs à réseau de Bragg couplés (BGR), un MZM assisté par des BGR couplés. Les BGR, composés de cavités à faible facteur Q en série, ralentissent les ondes optiques dans une large bande passante optique (quelques nanomètres). Cela permet au modulateur d'améliorer la modulation de phase sur une gamme de longueurs d'onde de fonctionnement relativement large, ce qui se traduit par des performances plus stables par rapport aux modulateurs à résonance unique (p. ex., les MRM). Atteignant un bon équilibre dans les indicateurs de performance, le MZM assisté par les BGR peut être reconnu comme un choix potentiel pour les futurs systèmes de multiplexage par répartition en longueur d'onde/espace (SDM/WDM). Suite à notre démonstration pionnière, nous étudions, comme troisième contribution, l'impact de l'effet de lumière lente sur la performance des modulateurs SiP, le compromis existant entre efficacité et vitesse en particulier. Lorsque l'efficacité est améliorée dans des modulateurs SiP typiques, soit en augmentant la capacité de la jonction PN (dans les MZM), soit en introduisant des structures hautement résonantes (dans les MRM), cela entraîne également une augmentation de la constante de temps RC ou de la durée de vie des photons, respectivement, et donc une diminution de la largeur de bande électro-optique (EO). Dans ce chapitre, nous proposons de remettre en question ce compromis pour les modulateurs à lumière lente et d'étudier s'ils sont capables de surpasser les modulateurs SiP typiques. À cette fin, il est nécessaire de disposer de modèles complets de la réponse EO de ces modulateurs, intégrés soit avec des électrodes en bloc, soit avec des électrodes mobiles. À l'aide de ces modèles, nous comparons les modulateurs à lumière lente avec les MZM convectifs. Nous examinons également différentes méthodes de conception pour réduire les V[indice π] des modulateurs SiP afin qu'ils puissent répondre aux exigences des pilotes COMS et des interfaces électriques pour la prochaine génération de transmetteurs SiP. Dans notre quatrième contribution, nous faisons état d'un modulateur tout silicium à lumière lente qui permet un fonctionnement à grande vitesse du PAM sans utiliser de convertisseur numérique-analogique (CNA) électrique. Les BGR sont intégrés dans chaque bras d'un MZM an de ralentir les ondes optiques, ce qui améliore la modulation de phase sur une bande passante optique relativement importante. Le signal optique PAM à 4 niveaux est généré par une conception segmentée dans des déphaseurs à lumière lente avec deux signaux de commande binaires, ce qui élimine le besoin d'un CNA à grande vitesse. Ce modulateur combine les avantages d'un encombrement ultra-compact, d'une faible consommation d'énergie, d'une large bande passante électro-optique et d'un fonctionnement stable en présence de variations de température. Les guides d'ondes à lumière lente présentent de bonnes performances avec de faibles variations de la longueur d'onde centrale et de la largeur de bande sur la plaquette. Ce modulateur devrait être singulièrement intéressant pour les applications qui nécessitent un groupe de modulateurs compacts sur une seule puce. Enfin, pour notre cinquième contribution, nous poursuivons l'objectif de développer des transmetteurs optiques SDM à haute performance adaptés aux systèmes de transmission optique à haute capacité de la prochaine génération. Nous proposons des transmetteurs optiques présentant un rendement énergétique élevé, une densité de bande passante élevée, une stabilité relativement élevée et entièrement intégrés dans la plateforme SiP (une solution rentable). Nous discutons des méthodologies de conception et des exigences de ces transmetteurs SDM qui consistent en des modulateurs à lumière lente (MZMs assistés par des BGRs) suivis d'un multiplexeur modal sur puce. Nous ciblons les systèmes à courte et longue portée en concevant respectivement des modulateurs PAM à électrodes groupées et des modulateurs IQ à électrodes à ondes progressives. Afin de multiplexer spatialement les signaux provenant des modulateurs, nous faisons la démonstration d'une conception de multiplexeurs modaux sur puce basée sur des coupleurs directionnels asymétriques. Nous mettons en cascade trois de ces coupleurs pour créer quatre canaux spatiaux (TE0, TE1, TE2 et TE3). Pour réaliser une transmission MDS complète. Cette sortie multiplexée spatialement doit être injectée dans une fibre à noyau elliptique faiblement multimode supportant les mêmes modes. / Recent decades have witnessed an unprecedented surge in data traffic, necessitating an urgent need for ultra-fast optical links. This has provided the impetus for the next-generation high-capacity optical transmission systems. In these systems, integrated optical modulators that are high-bandwidth, power efficient, compact, stable, and suited-for-large-scale-integration are highly demanded. The silicon photonics (SiP) platform, although it suffers from the lack of inherent electro-optic effects in silicon, has nevertheless offered a cost-effective solution for high-capacity transmitters leveraging the mature CMOS process. Hence, a tremendous effort has been dedicated to developing high-performance devices in this platform. This thesis focuses on SiP transmitters for the next generation of optical networks where space, as the last physical dimension, is offered to overcome the "capacity crunch" associated with the current technology. To build such transmitters, a set of optical modulators is required to be integrated into a single chip. These modulators should simultaneously feature high-speed operation, low energy consumption, compact footprint, and stability. Well-known SiP modulators, such as micro-ring modulators (MRMs) and Mach-Zehnder modulators (MZMs), do not meet all the aforementioned criteria. MRMs present a poor performance in terms of stability and MZMs are energy-hungry. Hence, we investigate novel and advanced SiP modulators in two chapters of this thesis. As our first contribution, for the first time, we demonstrate mode-conversion based SiP modulators. If operated in reflection, Bragg modulators offer high efficiency as well as high-speed operation. However, modulators operating in reflection are hindered by the lack of on-chip circulators. We address this issue and experimentally present a SiP modulator based on asymmetric Bragg grating waveguides followed by an asymmetric directional coupler (or asymmetric Y-junction), offering operation in reflection without the need for circulators and with low on-chip loss. In our second contribution, we demonstrate the first slow-light modulator based on coupled Bragg-grating resonators (BGRs), an MZM assisted by coupled BGRs. BGRs, composed of low-Q-factor cavities in series, slow down optical waves in a broad (a few nanometers) optical bandwidth. This enables the modulator to enhance phase modulation across a relatively wide operating wavelength range, resulting in more stable performance compared to single-resonance-based modulators (e.g., MRMs). Achieving a good balance in the performance indicators, the MZM assisted by BGRs can be recognized as a potential choice for future space/wavelength division multiplexing (SDM/WDM) systems. Following our pioneering demonstration, as the third contribution, we study the impact of the slow-light effect on the performance of SiP modulators, the existing trade-off between efficiency and speed in particular. When efficiency is enhanced in typical SiP modulators, either by increasing PN junction capacitance (in MZMs) or by introducing highly resonant structures (in MRMs), it also leads to increasing the RC time constant or the photon lifetime, respectively; thus, spoiling the electro-optic (EO) bandwidth. In this chapter, we aim to challenge this tradeoff in slow-light modulators and investigate whether they are capable of outperforming typical SiP modulators. To this end, comprehensive models for the EO response of these modulators integrated either with lumped electrodes or with travelling-wave electrodes are required. Using these models, we compare slow-light modulators with convectional MZMs. We also examine different design methodologies for reducing V[subscript π] of SiP modulators so that they can meet the requirements of CMOS drivers and electrical interfaces for the next generation of SiP transmitters. In our fourth contribution, we report a slow-light all-silicon modulator that enables high-speed PAM operation without using an electrical digital-to-analog converter (DAC). BGRs are integrated into each arm of a MZM in order to slow down optical waves, enhancing the phase modulation over a relatively large optical band width. Optical 4-level PAM signal is generated using a segmented design in slow-light phase shifters with two binary driving signals, eliminating the need for a high-speed DAC. This modulator combines advantages of ultra-compact footprint, low energy consumption, large electro-optic bandwidth, and stable operation in the presence of temperature variations. The slow-slight waveguides show good performance with small variances in center wavelength and bandwidth across the wafer. This modulator should be singularly interesting for applications that require a group of compact modulators on a single chip. Finally as our fifth contribution, we pursue the goal of developing high-performance optical SDM transmitters suited for next-generation high-capacity optical transmission systems. We propose optical transmitters featuring high power efficiency, high bandwidth density, relatively high stability, and fully integrated in the SiP platform (a cost-effective solution). We discuss design methodologies and requirements of these SDM transmitters which consist of slow-light modulators (MZMs assisted by BGRs) followed by an on-chip mode multiplexer. We target both short-reach and long-haul systems in designing PAM modulators with lumped electrodes and IQ modulators with travelling-wave electrodes, respectively. In order to spatially multiplex the signals coming from the modulators, we demonstrate a design of on-chip mode multiplexers based on asymmetric directional couplers. We cascade three of these couplers to create four spatial channels (TE0, TE1, TE2, and TE3). To realize a full SDM transmission, this spatially multiplexed output should be injected into a few-mode elliptical-core fiber supporting the same modes.

Motivé par le fort potentiel scientifique et technologique de l'infrarouge moyen (3-20 µm), le développement de sources lumineuses intenses dans cette région du spectre électromagnétique a subi un essor considérable depuis le début des années 2000. On retrouve maintenant une grande variété de lasers et autres sources pouvant émettre au-delà de 3 µm (lasers à fibres, lasers à cascade quantique, systèmes de conversion paramétrique, lasers à l'état solide, etc). Toutefois, malgré la panoplie d'options ayant émergées pour tester les nouvelles possibilités offertes par l'infrarouge moyen, plusieurs défis restent encore à relever au niveau des sources. Notamment, les enjeux de couverture spectrale, d'efficacité et de simplicité d'utilisation et de fabrication des sources sont encore omniprésents. À titre d'exemple, peu de lasers peuvent produire des impulsions courtes (sub-picosecondes) dans l'infrarouge moyen, et seuls les plus complexes et coûteux d'entre eux peuvent accorder ces impulsions sur une grande plage spectrale, s'accompagnant d'une efficacité énergétique globale très faible. D'autre part, ces problèmes de couverture spectrale, de simplicité et d'efficacité se retrouvent également chez les sources supercontinuum utilisées pour les applications requérant un spectre large couvrant en totalité ou en partie la région de 3 à 5 µm, qui contient de nombreuses résonances moléculaires utiles en spectroscopie (hydrocarbones et oxydes simples). Bien que ces sources produisent un spectre très large à partir d'un système tout fibre et des puissances moyennes pouvant atteindre plusieurs Watts, elles ont le désavantage de générer une grande proportion de leur énergie en-deçà de 3 µm (habituellement entre 40 et 90%), de produire un spectre peu uniforme, et ont beaucoup de difficulté à couvrir la totalité de la fenêtre de 3 à 5 µm. Constatant ces défis, l'objectif global de cette thèse était de faciliter et d'améliorer la conversion et la génération de spectre dans la région de 3 à 5 µm. Comme première contribution de cette thèse, une nouvelle méthode de génération de supercontinuum a été démontrée, permettant la création d'un spectre plat allant de 2.6 à 4.1 µm à partir d'un système simple et produisant jusqu'à 82% de l'énergie spectrale au-delà de 3 µm (Chapitre 2). En poursuivant avec cette approche, il a été possible d'établir un record pour le supercontinuum le plus large généré dans une fibre de fluoroindate (InF₃), allant de 2.4 à 5.4 µm (Chapitre 3). Les chapitres 4 et 5 avaient pour objectif d'approfondir notre connaissance et d'optimiser les paramètres expérimentaux de cette technique. Finalement, la contribution présentée dans le chapitre 6 a permis de s'attaquer au problème de la disponibilité d'impulsions brèves et accordables dans l'infrarouge moyen à partir de sources plus abordables et pratiques à utiliser que les chaînes lasers à conversion paramétrique. Pour ce faire, nous avons utilisé les phénomènes de fission solitonique et d'autodécalage Raman afin de décaler spectralement et de manière contrôlée des impulsions femtosecondes entre 2.8 µm et 4.8 µm, le tout à partir d'un système fibré. / Motivated by the strong scientific and technological potential of the mid-infrared (3-20 µm), the development of intense light sources in this spectral region experienced considerable growth since the early 2000's. We now have access to a large variety of lasers and other sources emitting beyond 3 µm (fiber lasers, quantum cascade lasers, parametric sources, solid-state lasers, etc). Nonetheless, numerous challenges on the source development side still remain despite the wide array of options that emerged to test the new possibilities offered by the mid-infrared. Notably, the issues of spectral coverage, energy efficiency and ease of use and fabrication are still omnipresent. As an example, few lasers can produce short pulses (sub-picosecond) in the mid-infrared, and only the most complex and costly systems are able to tune those pulses over a significant spectral range, often at the cost of poor energy efficiency. On the other hand, the problems of spectral coverage, simplicity and efficiency are also found in supercontinuum sources used in applications requiring a large spectrum covering all or in part the 3 to 5 µm spectral region, which hosts numerous molecular resonances useful in spectroscopy (such as in hydrocarbons and simple oxides). While these sources can produce a very large spectrum from an all-fiber configuration and reach multiple Watts of average output power, they have the disadvantage of generating a large part of their energy below 3 µm (usually around 40 to 90%), of producing irregular spectral shapes, and have difficulties covering the whole 3 to 5 µm window. Aware of these issues, the general goal of this thesis was to facilitate and improve the conversion and creation of spectral components in the 3 to 5 µm region. As the first contribution of this thesis, a novel supercontinuum generation technique was demonstrated, allowing the creation of a flat spectrum spanning 2.6 to 4.1 µm from a simple system and producing up to 82% of the spectral power beyond 3 µm (Chapter 2). By using a similar approach, we were able to set a new record for the largest supercontinuum in an indium fluoride fiber (InF₃), going from 2.4 to 5.4 µm (Chapter 3). Chapters 4 and 5 aimed to improve our understanding and optimize the experimental parameters of the technique. Finally, the contribution presented in Chapter 6 adressed the lack of short and tunable pulses in the mid-infrared produced by affordable and easy to use sources, as opposed to nonlinear parametric conversion laser systems. To do so, we relied on the solitonic fission and soliton self-frequency shift phenomena to spectrally shift femtosecond pulses between 2.8 µm and 4.8 µm in a controlled manner from a fiberized system.