Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. [114]-122. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

L’objet de cette thèse est l’étude de la distribution quantique de clés, une primitive cryptographique qui permet à deux utilisateurs distants de générer une quantité arbitraire de clé secrète et cela y compris en présence d’un espion, sous réserve qu’ils partagent un secret initial. Nous restreignons notre étude aux protocoles employant des variables continues et démontrons expérimentalement une implémentation entièrement fibrée fonctionnant à 80 km sur une fibre dédiée en prenant en compte toutes les imperfections expérimentales connues. Pour atteindre une telle distance de fonctionnement, nous avons mis au point des codes correcteurs d’erreurs spécifiques fonctionnant près de la limite théorique de Shannon dans des régimes de faible rapport signal à bruit. Nous envisageons également la possibilité d’attaques par canaux cachés qui ne sont donc pas prises en compte dans la preuve de sécurité du système et proposons des contre-mesures. Enfin, nous étudions la compatibilité de notre système avec des canaux de communication intenses qui se propagent sur la même fibre optique. / This thesis focuses on a cryptographic primitive that allows two distant parties to generate an arbitrary amount of secret key even in the presence of an eavesdropper, provided that they share a short initial secret message. We focus our study on continuous-variable protocols and demonstrate experimentally an all-fiber system that performs distribution of secret keys at 80 km on a dedicated fiber link while taking into account all known imperfections. We could extract secret keys at such a distance bydesigning specific error correcting codes that perform very close to Shannon’s bound for low signal to noise ratios. We also consider side-channel attacks that are not taken into account into the system security proof and propose some countermeasures. Finally, we study our system compability with intense communication channels that propagate on the same optical fiber.

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.

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Le stockage de données par holographie suscite un intérêt renouvelé. Il semble bien placé pour conduire à une nouvelle génération de mémoires optiques aux capacités et débits de lecture bien supérieurs à ceux des disques optiques actuels basés sur l'enregistrement dit surfacique. Dans ce travail de thèse, nous proposons une nouvelle architecture de stockage optique de données qui s'inspire du principe de la photographie interférentielle de Lippmann. Les informations y sont inscrites dans le volume du matériau d'enregistrement sous la forme de pages de données par multiplexage en longueur d'onde en exploitant la sélectivité de Bragg. Cette technique, bien que très voisine de l'holographie, n'avait jamais été envisagée pour le stockage à hautes capacités. L'objectif de la thèse a été d'analyser cette nouvelle architecture afin de déterminer les conditions pouvant conduire à de très hautes capacités. Cette analyse s'est appuyée sur un outil de simulation numérique des processus de diffraction en jeu dans cette mémoire interférentielle. Elle nous a permis de définir deux conditions sous lesquelles ces hautes capacités sont atteignables. En respectant ces conditions, nous avons conçu un démonstrateur de mémoire dit de " Lippmann " et avons ainsi démontré expérimentalement que la capacité est bien proportionnelle à l'épaisseur du matériau d'enregistrement. Avec une telle architecture, des capacités de l'ordre du Téraoctet sont attendues pour des disques de 12 cm de diamètre.

Nous assistons aujourd'hui à une explosion des demandes de calcul, de stockage et de transfert de données. Dans ce contexte, le développement des ordinateurs à haute performance est crucial mais il est limité par le débit et la consommation des interconnexions électriques entre puces ou intra-puces. La photonique sur silicium propose de lever ce verrou technologique en utilisant la maturité des procédés de fabrication de microélectronique pour concevoir des interconnexions optiques à très haut débit et à faible énergie par bit. Dans ces travaux, nous nous proposons de dimensionner un lien optique intégré sur silicium pour par exemple adresser le défi technologique des interconnexions intra-puces entre un processeur et une mémoire DRAM de dernière génération. Le lien optique conçu est multiplexé en longueur d’onde et utilise des composants intégrés à faible empreinte appelés anneaux résonants pour les fonctions de modulation et de démultiplexage. Les sources laser dont seront munis ces interconnexions consomment une puissance importante : nous nous attachons à optimiser la performance des composants utilisés en termes de puissance optique. A partir d’une analyse système, nous proposons une architecture de lien et construisons un modèle pour évaluer les pénalités en puissance optique associées au transmetteur et au récepteur du lien de communication à l’aide de simulations statiques et dynamiques. Ce modèle comprend des contributions des modulateurs et des filtres du démultiplexeur considérés individuellement ainsi que des contributions liées au multiplexage en longueur d’onde à l’émission et à la réception. Des modulateurs optiques en anneau sont fabriqués en technologie PIC25G, caractérisés en statique et en dynamique puis comparés au modèle. Enfin, des démonstrateurs multiplexés en longueur d’onde sont conçus et mis en œuvre permettant de valider nos modèles prédictifs et d'en soulever de futurs perfectionnements. / The 21st century is characterized by the explosion of demand for computing power as well as data storage and transfer. In this context, the development of high-performance computers is crucial but it is limited by the bandwidth and the energy efficiency of chip-to-chip and intra-chip electrical interconnects. Silicon photonics is a promising solution that uses microelectronics manufacturing techniques to fabricate optical components dedicated to efficient and high-bit-rate optical communication links.This work aims at designing a silicon photonic intra-chip high-bandwidth interconnect based on the example of latest-generation DRAM specifications. Wavelength division multiplexing (WDM) is used with low-footprint components called optical ring resonators for modulation and filtering.Lasers sources are a non-negligible contributor to overall system power consumption. For this reason, this thesis focuses on the optimization of ring resonators in terms of optical power. We first carry out a system analysis and propose an architecture that consists of parallel WDM links. Then a system model that evaluates optical power penalties related to the transmitter and the receiver is built up using static and dynamic simulations. Individual contributions of modulators, filters as well as the impact of adjacent channels at the transmitter and receiver sides are taken into account. Optical ring modulators are fabricated in PIC25G technology and characterized through static and dynamic measurements in order to validate our model. Finally, wavelength division multiplexed prototypes are designed and demonstrations corresponding to different WDM configurations are carried out which allows for suggestions of future improvements from the comparison with our predictive model.

L'évolution rapide des nouvelles technologies dans le domaine des télécommunications a tendance à créer de jour en jour de nouveaux besoins et de nouveaux défis et de fertiliser de plus en plus les esprits créateurs pour enrichir le domaine des communications par fibres optiques en inventant et en améliorant les réseaux existants. De nos jours, la fibre optique présente des pertes inférieures à 0.2 dB/km à 1550 nm. Néanmoins plusieurs effets indésirables subsistent lors des transmissions par fibres optiques. Dans ce cadre, nous avons concentré nos travaux de recherche sur la caractérisation, la modélisation, la conception et la réalisation de compensateurs de dispersion chromatique ainsi que des filtres Fabry-Perot pour les réseaux optiques à base de fibres monomodes. Nos recherches se sont penchées sur de nouveaux types de guides cylindriques à cœur creux à base de capillaires en silice ainsi que des guides plans à cœur creux à base de pellicules en nitrocellulose et d'étalons de silice. Ce genre de fibre creuse se comportant comme un guide à perte peut aussi jouer le rôle d'un résonateur Fabry-Perot. Ainsi, grâce à ses propriétés Fabry-Perot, on a pu exploiter et étudier la compensation de la dispersion chromatique à large bande. Les fibres à cœur creux proposées ont montré les fonctions attendues et ciblées dans cette thèse. De futures recherches devraient mener à l'amélioration de la compensation de la dispersion ainsi que l'expérimentation de la partie couplage entre une fibre à cœur creux et une fibre monomode.

Nous étudions les réseaux optiques pouvant transporter un trafic de données de type Internet. Notre objectif est de transposer les paquets électroniques de données en des paquets optiques et d'effectuer un routage de manière tout-optique. Nous utilisons un multi protocole généralisé par commutation d'étiquettes (GMPLS), où une étiquette optique est assignée à chaque paquet et est utilisée pour le routage. Nous proposons deux structures de réseau différentes basées sur des étiquettes multi longueurs d'onde. Nous contournons les principaux désavantages des scénarios GMPLS optiques proposés précédemment, c'est-à-dire les pertes de fractionnement et les technologies complexes requises. Les structures de réseau proposées sont pratiques, haute-vitesse, simples, redimensionnables et peu coûteuses. Pour la première approche, nous utilisons un encodage spectral d'amplitude (SAC) pour les étiquettes afin d'accomplir le routage très haut débit des paquets. Nous proposons de superposer des étiquettes SAC pour réaliser un adressage hiérarchique et ainsi réduire la taille des tables de correspondance d'adresses ainsi que les pertes de fractionnement. Nous examinons expérimentalement deux formats de paquets optiques, l'un avec étiquette SAC séparable, et l'autre avec données directement encodées par SAC. Pour la seconde approche, nous proposons une structure de réseau basée sur des étiquettes multi longueurs d'onde binaires. Les pertes de fractionnement sont éliminées pour cette approche, la rendant ainsi encore plus facilement redimensionnable que notre proposition SAC. Avec cette technique, les bits des étiquettes sont associés à une sélection de cases Séquentielles optiques. Au nœud, les paquets de longueurs variables sont auto routés par un commutateur multi étages alors que chaque bit de l'étiquette contrôle un étage. Le nœud est redimensionnable et possède des pertes d'insertion fixes. Nous proposons également une solution pour alléger les traitements sophistiqués associés à la substitution d'étiquettes dans les réseaux GMPLS. Nous multiplexons temporellement les étiquettes multi longueurs d'onde binaires pour le chemin complet de commutation optique. Comme démonstration de faisabilité, nous examinons expérimentalement les performances des approches proposées. Finalement, nous proposons une solution pour résoudre les collisions, ce qui n'était pas considéré dans les deux premières structures. Nous considérons qu'une topologie simplifiée, soit une topologie à une liaison à un bond. Les nœuds aux frontières sont coordonnés temporellement avec les nœuds centraux lors de l'établissement du réseau, donc la synchronisation optique en temps continu n'est plus nécessaire. Un algorithme de planification non centralisé aléatoire est utilisé pour éliminer les collisions; aucun tampon optique n'est nécessaire. Un algorithme simple de graphe bipartite est proposé afin de déterminer les connections au commutateur central. Nous simulons le réseau pour un type de trafic réaliste; les résultats confirment la bonne performance de l'algorithme de planification et démontrent que l'architecture proposée est pratique et bien adaptée aux réseaux optiques de commutation par paquets. / We investigate optical networks capable of carrying data-type traffic. Our objective is to map Internet packets into optical packets and route them all-optically. We employ generalized multi-protocol label switching (GMPLS), where an optical label used for routing is assigned to each packet. We propose two different network structures based on multi-wavelength labels. We resolve the main drawbacks of previously proposed scenarios that are impractical and expensive due to high splitting loss and the complex technologies required. Our proposed network structures are practical, high-speed, simple, scalable, and low-cost. In the first approach, we use spectral amplitude codes (SAC) as labels, to accomplish ultrafast packet forwarding. We propose stacking SAC-labels for hierarchical addressing, to reduce the size of lookup tables and splitting loss. We experimentally examine two optical packet formats, one with separable SAC-labels, and the other with SAC-encoded payloads. In the second approach, we propose a network structure based on binary multi-wavelength labels. Splitting losses are eliminated in this approach, rendering it even more scalable than our SAC proposal. In this scheme, the label is mapped bit-by-bit to a selection of wavelength bins. At the forwarding node, variable-length packets are self-forwarded over a multi-stage switch where each label bit controls a switch stage. The forwarding node is scalable and has fixed insertion loss. We also propose a solution to alleviate the sophisticated label swapping processing required in GMPLS networks. We time-multiplex the binary multi-wavelength labels for the entire optical label-switching path. We examine the performance of the proposed schemes experimentally as a proof of concept. Finally, we propose a solution for contention resolution, not addressed in the first two structures. We simplify the network topology to single-hop; the edge nodes are time-coordinated with the core nodes, thus optical synchronizers are not required. A noncentralized randomized scheduling algorithm is used to resolve contention; no optical buffer is required. A simple bipartite-graph matching algorithm is proposed to determine the connections at the core switch. We simulate the network for a realistic traffic type; the results confirm the good performance of the scheduling algorithm and establish that the proposed architecture is practical and desirable for packet-switched optical networks.

Les sources incohérentes sont proposées comme alternatives aux lasers stabilisés en longueur d'onde pour réduire le coût des réseaux optiques passifs utilisant le multiplexage par longueur d'onde découpée dans le spectre (SS-WDM PONs). À cause de leur nature incohérente, ces sources génèrent au récepteur un large bruit d'intensité. Ce bruit limite l'efficacité spectrale et/ou le taux binaire pouvant être achevé. Cette thèse étudie l'utilisation des amplificateurs optique à semi-conducteur SOAs pour nettoyer le bruit d'intensité. De plus, lors de cette thèse, nous explorons les outils numériques et expérimentaux qui nous permettent d'analyser les performances des SOAs dans le cadre de systèmes de communication multi-canaux, incluant le SS-WDM. Nous présentons des modèles mathématiques pour le bruit d'intensité, ce bruit étant celui qui limite les performances des systèmes de communication utilisant des sources incohérentes. Nous discutons les dynamiques complexes des SOAs et présentons les équations qui gouvernent l'évolution des porteurs de charges dans ces amplificateurs. Nous identifions et soulignons l'effet des paramètres les plus importants, qui affectent le processus ainsi que la dynamique de nettoyage du bruit d'intensité. Nous passons en revue, les différentes techniques de nettoyage de bruit avec les SOAs, qui ont démontré les meilleurs résultats connus. De plus, nous effectuons une revue de littérature poussée pour ce qui a attrait au problème de post-filtrage lorsque le SOA est placé au transmetteur, avant la modulation. Notre première contribution pendant ce travail de recherche est de démontrer, en utilisant l'intermodulation de gain d'un SOA au récepteur pour convertir le signal incohérent en laser cohérent, une amélioration significative du taux d'erreur binaire BER. Cette méthode est spectralement efficace, d'autant plus qu'elle ne souffre point la limitation occasionnée par le post-filtrage au récepteur. En contre partie elle nécessite un ample budget de puissance qui doit assurer une saturation suffisante de l'amplificateur au récepteur. Une source laser est aussi nécessaire au récepteur. Ceci est un inconvénient, même si une telle source n'ait pas besoin d'une quelconque stabilisation. Pour contourner le problème causé par le post-filtrage quand le SOA est au transmetteur, nous proposons un nouveau récepteur pour les systèmes de communication WDM, qui permet de mieux garder le nettoyage de bruit, et ce malgré le filtrage optique au récepteur. La nouvelle méthode consiste en un détecteur balancé utilisé au récepteur: d'un bord, tous les canaux sont détectés sans distinction. De l'autre, le signal désiré est bloqué pendant que tous les autres canaux sont détectés. Avec cette méthode, il est facile de saturer l'amplificateur pour une meilleure suppression de bruit tout en évitant en grande partie la dégradation causé par le post-filtrage. Nous avons expérimentalement démontré un système WDM dense de 8 x 10 Gbps avec une source incohérente et un SOA en saturation. Une autre contribution originale de ce travail est le développement d'un outil de simulation pour les SOAs qui est numériquement plus efficace et léger que les modèles connus à ce jour. Nous avons donc développé un modèle théorique simple, pouvant être implémenté par diagramme block, dans le but de simuler les performances des hens de communications WDM. Notre modèle démontre une bonne concordance avec les résultats expérimentaux ainsi qu'une diminution de temps de calcul de l'ordre de 20 fois. Finalement, lors de la dernière partie de ces travaux, nous nous sommes occupés de mesurer, de façon précise, le temps de recouvrement du gain dans un SOA. Le temps de recouvrement des porteurs dans un SOA est un des paramètres les plus importants qui sont à l'origine du phénomène de nettoyage de bruit et qui régissent le comportement ainsi que les dynamiques de l'amplificateur. Nous avons étudié en particulier, la dépendance de ce temps de recouvrement r de la longueur d'onde. Pour le SOA utilisé lors de notre étude expérimentale, nous avons démontré que r dépendait de la longueur d'onde de façon similaire au spectre de gain. Ces mesures ont été possibles grâce au développement d'un nouveau dispositif de mesure pompe/sonde, qui permettait de mesurer le recouvrement du gain pour une pompe et une sonde à la même longueur d'onde et ayant le même état de polarisation.

Cette thèse rapporte les premières études exploratoires menées en vue de réaliser un amplificateur optique fonctionnant dans la bande S des télécommunications (autour de 1470 nm) dans une fibre en silice dopée au thulium dans le but d'augmenter la bande passante utilisable par le procédé de multiplexage en longueur d'onde (WDM) des réseaux optiques en silice standard. Pour permettre d'amplifier un signal optique à l'aide des ions de thulium dans une fibre composé d'un verre à haute énergie de phonon comme la silice, nous avons adapté les processus de fabrication des préforme par MCVD de manière à modifier de moins de 10% mol la composition du cœur de silice de la fibre. Ainsi, l'apport d'Al2O3 permet, en modifiant l'environnement des terres rares, de réduire les désexcitations non radiatives entre les niveaux 3H4 et 3H5 des ions de thulium. Le temps de vie du niveau 3H4 est ainsi multiplié par 3, de 14us pour la silice pure à 50us pour 8,7 %mol d'al2O3. L'efficacité quantique passe alors de 2% à plus de 8%. Grâce à cette amélioration du matériau et à l'optimisation des paramètres optogéométriques de la fibre optique à l'aide d'un modèle numérique, nous avons pu mesurer l'amplification en bande S d'un signal lumineux sur un échantillon majoritairement composé de silice fabriqué au laboratoire. Ce gain, de plus de 1dB pour 1400mW de puissance de pompe optique, est un résultat de premier ordre pour ce type de dispositif, validant l'approche de la modification de l'environnement du thulium dans la silice. De plus les simulations numériques prédisent un gain supérieur à 20 dB pour 1W de puissance de pompe pour le matériau élaboré, avec un schéma de pompage plus efficace.