Th.--Sci. phys.--Besançon, 1981. N°: 147.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Université de Bordeaux, Talence, France. / Les objectifs de ce doctorat sont de développer des dispositifs optiques originaux intégrant verres fonctionnalisés et cristaux liquides (CL). Ces travaux comportent deux parties distinctes : un système 1D basé sur la conception de fibres optiques multi-matériaux et un système 2D planaire utilisant des surfaces vitreuses polarisées électriquement. Préalablement, une méthode de caractérisation avancée basée sur la spectroscopie micro-Raman polarisée a été développée dans le but de caractériser l'orientation au sein de ces différents systèmes. Cette approche permet des mesures dans le volume à l'échelle micrométrique. Cette méthode d'imagerie donne également accès aux calculs du paramètre d'ordre et de la fonction de distribution d'orientation pour une évaluation quantitative du degré d'alignement des CL. Le premier système est un atténuateur optique variable (AOV) fibré composite intégrant verre, métal et CL, dont le but est d'utiliser la réponse électro-optique de la mésophase pour moduler la lumière transmise par le cœur de la fibre. Les études par imagerie Raman 3D de l'orientation des CL au sein de capillaires simples ont permis de mettre en évidence une organisation radiale des molécules. Elles sont perpendiculaires aux parois à l'ancrage et se réorientent dans l'axe du capillaire au centre de la cavité. De plus, il a été mis en avant que le degré d'orientation et l'amplitude de réorientation sous champ électrique, paramètres fondamentaux pour un bon fonctionnement de l'AOV, sont très dépendant de la taille du capillaire. Cette étude a donc permis de tirer des conclusions concernant les paramètres géométriques à envisager pour la conception du dispositif final. Le système 2D combine des surfaces de verres microstructurées par poling thermique et des cristaux liquides afin d'induire une organisation périodique de la mésophase, et donc des caractéristiques optiques du système. Un traitement de micro-poling assisté par plasma a été mis au point par l'utilisation d'une grille micrométrique de nickel comme anode. On observe alors une corrélation géométrique entre (i) les modifications de la structure et de la composition du verre sondées par Raman et spectroscopie à rayon X (EDX), (ii) l'emplacement et les composantes des champs statiques figés dans le verre mesurés par génération de seconde harmonique (SHG) et (iii) les domaines d'alignements homéotropes ou planaires des CL. Ces travaux constituent une preuve de concept démontrant qu'un contrôle précis de l'organisation des CL peut être obtenu par la maitrise des propriétés électriques de surface d'un substrat de verre. Ils soulignent également l'importance des décharges plasma contrôlées spatialement le long du motif d'électrode afin de promouvoir les effets de polarisation électrique dans le plan, qui sont essentiels pour appliquer aux CL des alignements planaires. / The objectives of this PhD are to develop original optical devices integrating functionalised glasses and liquid crystals (LC). This work includes two distinct parts: a 1D system based on multi-material optical fibre design and a 2D planar system using electrically polarised glass surfaces. Previously, an advanced characterisation method based on polarised micro-Raman spectroscopy has been developed in order to characterise the orientation within these different systems. This approach allows measurements in the volume at the micrometre scale. This imaging method also provides access to order parameter and orientation distribution function calculations for a quantitative assessment of the degree of LC alignment. The first system is a composite fibre variable optical attenuator (VOA) integrating glass, metal, and LC, whose purpose is to use the electro-optical response of the mesophase to modulate the light transmitted through the fibre core. 3D Raman imaging studies of the LC orientation within single capillaries have revealed a radial organisation of the molecules. They are perpendicular to the walls at the anchorage and reorient themselves in the axis of the capillary at the centre of the cavity. Moreover, it was shown that the orientation degree and the reorientation amplitude under electric field, fundamental parameters for a good performance of the VOA, are very dependent on the capillary size. This study has therefore allowed us to draw conclusions concerning the geometrical parameters to be considered for the design of the final device. The 2D system combines microstructured glass surfaces by thermal poling and liquid crystals in order to induce a periodic mesophase organisation, and thus the optical characteristics of the system. A plasma-assisted micro-poling treatment has been developed by using a micrometric nickel grid as anode. A geometric correlation is then observed between (i) changes in glass structure and composition probed by Raman and X-ray spectroscopy (EDX), (ii) the location and components of static fields frozen in the glass measured by second harmonic generation (SHG), and (iii) the homeotropic or planar alignment domains of LC. This work constitutes a proof of concept demonstrating that a precise control of the LC organisation can be achieved by controlling the surface electrical properties of a glass substrate. They also highlight the importance of spatially controlled plasma discharges along the electrode pattern to promote in-plane electrical polarisation effects, which are essential to induce planar LC alignments.

Cette thèse décrit le développement de la modélisation et de la fabrication de nouvelles fibres multicœurs concentriques de silice dopées utilisant le dépôt chimique en phase vapeur modifié (MCVD). Cette structure multicouche alternative a été développée avec plusieurs cycles de fabrication avec un nombre différent de couches (4, 8, et 16) avec différents dopants tels que le germanium (Ge) et le phosphore (P) selon le modèle proposé par l’Advanced Photonics Component Laboratory (APCL) à l’Université de Carleton sous la direction du Prof. Jacques Albert. Cette fibre multicouche cylindrique de silice dopée alternativement au germanium et au phosphore est considérée comme une conception prometteuse pour générer la deuxième harmonique (SHG). Il est proposé que les couches dopées au germanium (ou phosphore) piègent les charges positives qui migrent au cours du processus de polarisation. Le piégeage des charges positives crée des régions de déplétion dans chaque couche, ce qui élargit la région entière d’effet non linéaire à l’intérieur de la fibre à cœur unique. Ces préformes de structures multicœurs concentriques ont été caractérisées en termes de profils d’indice de réfraction (RIP), de pourcentage en poids de l’aide de la spectroscopie dispersive en longueur d’onde (WDX) et de la mesure des franges Maker afin de comprendre l’effet non linéaire de second ordre initial, principalement la SHG, dans les préformes fabriquées. Ces préformes ont été étirées en fibres tout en conservant la géométrie identique à celle obtenue à l’étape des préformes. Ces fibres formées de 16 couches concentriques polarisées sont caractérisées en termes de propriétés de propagation et non linéaires du second ordre (SON), principalement la SHG, par le couplage d’un faisceau laser pulsé dans les échantillons. Ces fibres en 16 couches se sont avérées produire une intensité de SHG et cette intensité a été améliorée du premier cycle de fabrication au troisième cycle de fabrication, où l’émission de lumière verte de SHG a été observée via une caméra standard et détectée par un tube photomultiplicateur (PMT) (1050mV et 1600 mV) pour les premier et troisième cycles de fabrication des fibres à 16 couches. Ila été observé que les intensités de SHG pour les échantillons de préformes et les échantillons de fibres obéissent aux lois des relations quadratiques. De plus, une autre approche prometteuse a été l’adoption de la fibre à cœur à multi composition. Dans cette approche, des nanoparticules métalliques WO3−x, obtenues par un procédé de polyol, ont été incorporées dans le cœur de la fibre. L’un des métaux distingués, le tungstène(W), a un potentiel énorme pour produire des effets non linéaires élevés. Les nanoparticules WO3−x ont été incorporées avec l’aluminium via le MCVD couplé à une technique de dopage en solution. Ces échantillons de préformes et de fibres ont démontré une intensité de SHG élevée, mesurée à l’aide d’un analyseur de spectre optique (OSA), et la relation quadratique entre la puissance injectée et l’intensité de SHG a été observée. / This thesis deals with the process of modelling and fabrication of two novel structured doped fibers through modified chemical vapour deposition (MCVD) for second harmonic generation (SHG). The first one is constituted of multilayered core structure doped silica fiber. This alternative structure has been developed with several fabrication cycles which include different number of layers (4, 8, and 16) with different dopants such as germanium (Ge) and phosphorous (P). The doped core is consisting of alternating germanium (phosphorous) layers which is a promising design for SHG. It is proposed that the germanium (or phosphorous) doped layers trap the positive charges that migrate during the poling process. The trapping of positive charges creates depletion regions in each layer which enlarge the nonlinear region within the core fiber. In a first stage, multilayered core structure preforms were characterized in terms of refractive index profiles (RIPs), weight percent using Wavelength Dispersive Spectroscopy (WDX) and Maker fringe measurements to check their potential for non-linear conversion. These preforms were drawn into fibers while maintaining their primary geometry. The fibers are characterized in terms of propagation properties and second order nonlinear (SON) conversion through the coupling of pulsed laser beams into the poled fibers samples. Of these, 16-layers fibers have been demonstrated to produce the most intense SHG resulting in three cycles of fabrication to improve green light emission as detected by regular camera and a Photomultiplier (PMT) (1050 mV and 1600 mV). The SHG intensify for preform samples and fiber samples obeys the quadratic relationship laws. The second approach was the adoption of multi-composition core fiber. In this approach metal nanoparticles were incorporated into fiber core. One of the unique metals, tungsten (W) has a massive potential to produce high nonlinear response. The WO3−x nanoparticles were incorporated along with aluminum via MCVD coupled with solution doping technique. These preform samples and fiber samples have shown high SHG intensity as obtained by optical spectrum analyzer i.e. quadratic relationship between injected power and SHG intensity endorses is verified.

Titre de l'écran-titre (visionné le 19 juin 2023) / Le multiplexage par répartition spatiale (SDM) est une technique prometteuse pour augmenter la capacité des systèmes. Elle offre un degré de liberté supplémentaire pour le multiplexage parallèle au temps, à la fréquence, à la polarisation et à la quadrature. La capacité réalisable du système est proportionnelle au nombre de canaux spatiaux. Le multiplexage modal dans une fibre à quelques modes (FMF) offre une densité d'information élevée pour le SDM et peut être combiné avec des fibres multicœurs pour augmenter encore plus la capacité de données. Les modes à moment orbital angulaire (OAM) ont l'avantage de supprimer les interactions entre les modes pendant la transmission par fibre, et conviennent donc pour les systèmes SDM afin de démontrer une capacité très élevée. L'utilisation de configurations en espace libre pour multiplexer les modes OAM exige une grande précision d'alignement et une faible perturbation. Le coût et l'espace nécessaires pour de tels montages augmentent linéairement avec le nombre de modes pris en charge. La plateforme de silicium sur isolant (SOI) offre la compacité, la robustesse et la compatibilité CMOS pour construire un multiplexeur OAM. Dans cette thèse, nous proposons et caractérisons un multiplexeur OAM basé sur un réseau optique à commande de phase sur la plateforme SOI. Nous démontrons le premier multiplexeur intégré qui génère directement des faisceaux OAM polarisés circulairement avec des composants sur puce, brisant le goulot d'étranglement de l'incompatibilité de polarisation dans le couplage puce-fibre OAM. Nous incorporons une capacité de réglage de l'intensité qui améliore considérablement la qualité de l'OAM en permettant une distribution uniforme de la puissance sur les antennes. Nous augmentons de 50% le nombre de modes pris en charge par rapport à l'état de l'art précédent et réduisons de 3dB le record de diaphonie dans le pire des cas. Notre dispositif fournit une solution évolutive pour la génération et le multiplexage OAM dans les systèmes SDM à ultra-haute capacité. Dans le premier chapitre, nous expliquons le principe de fonctionnement de notre circuit à réseau de phase. Nous fournissons des informations détaillées sur nos modèles de simulation pour nos sous-ensembles de composants intégrés et présentons notre méthodologie de calibration du circuit. Le deuxième chapitre présente un modèle de simulation général pour un générateur OAM basé sur un réseau de phase. Le modèle consiste en une méthode de matrice de transfert basée sur le calcul du champ électrique sur puce et la simulation de l'évolution du faisceau se propageant en espace libre. Nous donnons un exemple de la manière de procéder à l'optimisation des paramètres pour les lieus de transmission ciblés. Dans le troisième chapitre, nous démontrons expérimentalement, pour la première fois, un multiplexeur OAM qui génère et multiplexe directement des faisceau de type vortex polarisés circulairement sur SOI. Le dispositif comporte 17 antennes et supporte 14 canaux OAM, 7 dans chaque polarisation circulaire. Les pertes de la puce sont de 25dB, la diaphonie dans le pire des cas sont de -6dB et la bande passante est de 17 nm. Dans le quatrième chapitre, nous étudions, pour la première fois, l'impact de la non-uniformité de l'intensité entre les antennes et nous atténuons cette non-uniformité à l'aide de notre circuit d'accord de l'intensité. Nous démontrons 46 canaux OAM et réduisons avec succès la diaphonie dans le pire des cas à -17,2dB (modes les plus supportés et diaphonie la plus faible en tant que MUX OAM intégré). Les pertes du dispositif sont de 12dB, et la largeur de bande est d'environ 20 nm. / Space division multiplexing (SDM) is a promising technique for increasing the system capacity. It provides an extra degree of freedom for multiplexing parallel to the time, frequency, polarization, and quadrature. The achievable capacity of the system is proportional to the number of spatial channels. Modal multiplexing in a few-mode fiber (FMF) offers a high information density for SDM and can be combined with multicore fibers to increase data capacity further. The orbital angular momentum (OAM) modes have an advantage in suppressing mode interactions during fiber transmission, thus are suitable to be transmitted in SDM systems to demonstrate ultra-high capacity. Using free-space setups to multiplex OAM modes require high alignment precision and low perturbation. The cost and space needed for such setups scale linearly with the number of supported modes. Silicon-on-insulator (SOI) platform provides the compactness, robustness, and CMOS compatibility to build an OAM multiplexer. In this thesis, we propose and characterize an optical phased array-based OAM multiplexer on the SOI platform. We demonstrate the first integrated multiplexer that directly generates circularly polarized OAM beams with on-chip components, breaking the bottleneck on polarization incompatibility in chip-to-OAM fiber coupling. We incorporate an intensity tuning capability that substantially improves the OAM quality by enabling a uniform power distribution across the antennas. We increase the number of supported modes from previous state-of-the-art by 50% and reduce the worst-case crosstalk record by 3dB. Our device provides a scalable OAM generation and multiplexing solution in ultra-high-capacity SDM systems. In the first chapter, we explain the design principle of our phased array circuit. We provide detailed information about our simulation models for our integrated building blocks and present our calibration methodology of the circuit. The second chapter demonstrates a general simulation model for a phased array-based OAM generator. The model consists of a transfer matrix method based on on-chip electrical field calculation and the simulation of free-space propagation beam evolution. We give an example of how to conduct parameter optimization for target transmission links. In the third chapter, we experimentally demonstrate, for the first time, an OAM multiplexer that directly generates and multiplexes circularly polarized vortex on SOI. The device has 17 antennas and supports 14 OAM channels, 7 in each circular polarization. The loss of the chip is 25dB, the worst-case crosstalk is -6dB, and the band width is 17 nm. In the fourth chapter, we investigate, for the first time, the impact of intensity non-uniformity among antennas, and we mitigate the non-uniformity using our tuning circuit. We demonstrate 46 OAM channels and successfully reduce the worst-case crosstalk to -17.2dB (most supported modes and lowest crosstalk as integrated OAM MUX). The loss of the device is 12dB, and the band width is around 20 nm.

Titre de l'écran-titre (visionné le 10 octobre 2023) / Les faisceaux de lumière issus des modes du moment cinétique d'orbite (OAM) sont caractérisés par un front de phase hélicoïdal. On peut les utiliser pour faire du multiplexage de modes (MDM), c'est-à-dire combiner des signaux indépendants d'ordres différents en un seul signal composite destiné à être transmis sur une voie commune, typiquement une fibre à coeur en anneau (RCF). L'intérêt est d'augmenter la capacité des réseaux de communication tout en diminuant la complexité des systèmes de traitement de signaux (DSP), et par le fait même, les coûts monétaires et énergétiques qui leur sont associés. On vise à donc maximiser le nombre de modes OAM efficacement multiplexés dans une RCF. Ce mémoire aborde cette problématique en faisant l'étude du couplage des modes OAM du côté du transmetteur. On pose d'abord le cadre théorique des modes OAM de la lumière. On expose ensuite les éléments de base du système à l'étude : la génération des modes OAM par q-plate, les caractéristiques de design de la RCF, et le multiplexage en espace libre. On propose une configuration de multiplexeur à 16 modes OAM en espace libre. Une fois le contexte de la problématique présenté, on s'intéresse à la compréhension du comportement de propagation des faisceaux OAM en espace libre. On en fait la caractérisation expérimentale pour quatre grandeurs d'ordre OAM. On présente aussi trois méthodes de modélisation de ce comportement et on compare les résultats obtenus avec les mesures en laboratoire. À l'issue de l'analyse comparative, on choisit la méthode qui nous apparaît la mieux adaptée à la problématique. Les faisceaux OAM générés par q-plates possèdent naturellement une divergence. Leur taille et leur divergence dépendent de la grandeur d'ordre du mode OAM. En se basant sur les simulations des faisceaux OAM ainsi que sur des concepts théoriques de propagation des faisceaux gaussiens, on propose un système optique permettant de manipuler la taille et la divergence des faisceaux OAM en espace libre. On vérifie le design par des mesures expérimentales. Finalement, les performances du système optique proposé sont démontrées en optimisant et en mesurant l'efficacité de couplage de quatre modes OAM de grandeur d'ordre différente à l'intérieur de la même RCF.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Université de Bordeaux, Talence, France. / Les objectifs de ce doctorat sont de développer des dispositifs optiques originaux intégrant verres fonctionnalisés et cristaux liquides (CL). Ces travaux comportent deux parties distinctes : un système 1D basé sur la conception de fibres optiques multi-matériaux et un système 2D planaire utilisant des surfaces vitreuses polarisées électriquement. Préalablement, une méthode de caractérisation avancée basée sur la spectroscopie micro-Raman polarisée a été développée dans le but de caractériser l'orientation au sein de ces différents systèmes. Cette approche permet des mesures dans le volume à l'échelle micrométrique. Cette méthode d'imagerie donne également accès aux calculs du paramètre d'ordre et de la fonction de distribution d'orientation pour une évaluation quantitative du degré d'alignement des CL. Le premier système est un atténuateur optique variable (AOV) fibré composite intégrant verre, métal et CL, dont le but est d'utiliser la réponse électro-optique de la mésophase pour moduler la lumière transmise par le cœur de la fibre. Les études par imagerie Raman 3D de l'orientation des CL au sein de capillaires simples ont permis de mettre en évidence une organisation radiale des molécules. Elles sont perpendiculaires aux parois à l'ancrage et se réorientent dans l'axe du capillaire au centre de la cavité. De plus, il a été mis en avant que le degré d'orientation et l'amplitude de réorientation sous champ électrique, paramètres fondamentaux pour un bon fonctionnement de l'AOV, sont très dépendant de la taille du capillaire. Cette étude a donc permis de tirer des conclusions concernant les paramètres géométriques à envisager pour la conception du dispositif final. Le système 2D combine des surfaces de verres microstructurées par poling thermique et des cristaux liquides afin d'induire une organisation périodique de la mésophase, et donc des caractéristiques optiques du système. Un traitement de micro-poling assisté par plasma a été mis au point par l'utilisation d'une grille micrométrique de nickel comme anode. On observe alors une corrélation géométrique entre (i) les modifications de la structure et de la composition du verre sondées par Raman et spectroscopie à rayon X (EDX), (ii) l'emplacement et les composantes des champs statiques figés dans le verre mesurés par génération de seconde harmonique (SHG) et (iii) les domaines d'alignements homéotropes ou planaires des CL. Ces travaux constituent une preuve de concept démontrant qu'un contrôle précis de l'organisation des CL peut être obtenu par la maitrise des propriétés électriques de surface d'un substrat de verre. Ils soulignent également l'importance des décharges plasma contrôlées spatialement le long du motif d'électrode afin de promouvoir les effets de polarisation électrique dans le plan, qui sont essentiels pour appliquer aux CL des alignements planaires. / The objectives of this PhD are to develop original optical devices integrating functionalised glasses and liquid crystals (LC). This work includes two distinct parts: a 1D system based on multi-material optical fibre design and a 2D planar system using electrically polarised glass surfaces. Previously, an advanced characterisation method based on polarised micro-Raman spectroscopy has been developed in order to characterise the orientation within these different systems. This approach allows measurements in the volume at the micrometre scale. This imaging method also provides access to order parameter and orientation distribution function calculations for a quantitative assessment of the degree of LC alignment. The first system is a composite fibre variable optical attenuator (VOA) integrating glass, metal, and LC, whose purpose is to use the electro-optical response of the mesophase to modulate the light transmitted through the fibre core. 3D Raman imaging studies of the LC orientation within single capillaries have revealed a radial organisation of the molecules. They are perpendicular to the walls at the anchorage and reorient themselves in the axis of the capillary at the centre of the cavity. Moreover, it was shown that the orientation degree and the reorientation amplitude under electric field, fundamental parameters for a good performance of the VOA, are very dependent on the capillary size. This study has therefore allowed us to draw conclusions concerning the geometrical parameters to be considered for the design of the final device. The 2D system combines microstructured glass surfaces by thermal poling and liquid crystals in order to induce a periodic mesophase organisation, and thus the optical characteristics of the system. A plasma-assisted micro-poling treatment has been developed by using a micrometric nickel grid as anode. A geometric correlation is then observed between (i) changes in glass structure and composition probed by Raman and X-ray spectroscopy (EDX), (ii) the location and components of static fields frozen in the glass measured by second harmonic generation (SHG), and (iii) the homeotropic or planar alignment domains of LC. This work constitutes a proof of concept demonstrating that a precise control of the LC organisation can be achieved by controlling the surface electrical properties of a glass substrate. They also highlight the importance of spatially controlled plasma discharges along the electrode pattern to promote in-plane electrical polarisation effects, which are essential to induce planar LC alignments.

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.

Au fil des années, les performances des capteurs à fibre optique ont largement dépassé celles des capteurs électriques traditionnels, et ce principalement grâce à la technologie des réseaux de Bragg à fibre optique (FBG). Ils sont d'ailleurs utilisés dans de nombreux domaines notamment l'aérospatial, la robotique et le médical. En considérant l'énorme demande pour les capteurs quasi-distribués à fibre optique, il est évident que la productivité de fabrication de ces composants photoniques devra être augmentée. Malheureusement, les techniques d'inscription de FBGs présentement utilisées par l'industrie basées sur l'utilisation d'un laser ultraviolet sont coûteuses et peu productives. Or, la technique utilisée dans les laboratoires du COPL depuis quelques années est beaucoup plus robuste : l'utilisation d'un laser femtoseconde à 800 nm permet d'inscrire des FBGs au travers du revêtement de la fibre sans l'endommager. Dans le but d'augmenter la productivité de fabrication des capteurs quasi-distribués, d'en réduire le coût de fabrication et d'en augmenter la fiabilité, un montage d'inscription de FBGs automatisé utilisant cette technique a été développé dans le cadre de cette maîtrise. Celui-ci a permis non seulement de développer des capteurs dans des fibres à simple cœur, mais aussi dans des fibres multicœurs. Ce type de capteurs, contrairement à sa version plus simple, permet de mesurer l'amplitude des contraintes appliquées au capteur, mais également leur direction. Le montage d'inscription est composé de plusieurs systèmes, soit un système d'inscription, de déroulement de la fibre, de rotation, d'imagerie et de marquage. Les nombreux ajouts et améliorations qui leur ont été faits au cours du projet ont permis d'optimiser le montage pour l'inscription automatisée de capteurs à fibre optique multicœur. Ainsi, la fiabilité des capteurs a pu être améliorée et leur temps d'inscription a pu être diminué de 2.4 fois. / Over the years, the performances of fiber optic sensors have largely surpassed those of traditional electrical sensors, mainly due to the technology of fiber Bragg gratings (FBGs). They are used in many fields such as aerospace, robotics and medical. Considering the huge demand for fiber optic quasi-distributed sensors, it is obvious that the manufacturing productivity of these photonic components will have to be increased. Unfortunately, the FBG inscription techniques currently used by the industry based on the use of an ultraviolet laser are costly and not very productive. However, the technique used in the COPL laboratories for the past few years is much more robust: the use of a femtosecond laser at 800 nm makes it possible to inscribe FBGs through the fiber coating without damaging it. In order to increase the manufacturing productivity of the quasi-distributed sensors, to reduce their manufacturing cost and to increase their reliability, an automated FBGs inscription assembly using this technique was developed within the framework of this master's degree. This allowed the development of sensors not only in single core fibers, but also in multicore fibers. This type of sensors, contrary to its simpler version, allows to measure the amplitude of the stresses applied to the sensor, but also their direction. The inscription assembly is composed of several systems: inscription, fiber unwinding, rotation, imaging and marking. The numerous additions and improvements made to them during the project have allowed the assembly to be optimized for the automated development of multicore fiber optic sensors. Thus, the reliability of the sensors has been improved and their fabrication time has been reduced by 2.4 times.

Ce mémoire porte sur la conception de lasers hybrides jumelant les bres optiques à la photonique sur silicium. L'objectif principal est de réaliser un laser polyvalent au niveau de ses paramètres d'émission et permettant en plus d'offrir des performances intéressantes pour les communications optiques. Plusieurs approches menant à l'intégration laser sur la plateforme de photonique sur silicium ont été démontrées. Contrairement aux approches d'intégration qui visent à produire une source la plus compacte qui soit, l'approche choisie vise à réaliser un laser performant qui exploite à la fois les performances d'amplication optique des bres dopées ainsi que le potentiel de traitement optique qu'offre la plateforme de photonique sur silicium. Le principe de fonctionnement de même que les modèles théoriques de différentes structures optiques accessibles grâce à la plateforme de photonique sur silicium sont présentés en détail. Ces structures, permettant le guidage optique à l'échelle nanoscopique de même que la manipulation de la lumière, sont des éléments clés pour la conception de ltres optiques pour les cavités laser. Les performances d'un ltre Vernier sur silicium sont analysées grâce à des simulations numériques. Deux types de lasers hybrides accordables sont présentés dans ce document : celui d'un laser multimodes opérant à 1.55 µm et permettant une sélection de l'espacement spectral entre ses modes et celui d'un laser monomode opérant à 2 µm et accordable sur une large plage spectrale. Dans le premier cas, le milieu d'amplication de la cavité est composé d'une bre optique dopée à l'erbium tandis que dans le second, il s'agit d'une bre dopée au thulium. Les différents éléments de la cavité sont modélisés et leurs performances sont simulées à l'aide d'outils numériques. Enn, les performances expérimentales des lasers sont mesurées en laboratoire. / This master's thesis is on the design of a hybrid laser combining optical bers and the technology of silicon photonics. The main objective is to achieve a laser with great control and exibility over its emission parameters and with good performances for the eld of optical telecommunications. Until now, several approaches leading to laser integration on the silicon photonics have been demonstrated. Unlike integration approaches which aim to produce the most compact source possible, the chosen approach aims to produce a high-performance laser which exploits both the optical amplication performance of the doped bers as well as the potential of light processing and precision that oers the silicon photonic platform. The operating principle as well as the theoretical models of dierent optical devices accessible thanks to the silicon photonics are presented in detail. These devices allowing optical connement at the 100-nanometer scale level as well as the manipulation of light are key elements in the design of optical lters for the laser cavity. The performances of a Vernier lter on silicon are analyzed by means of numerical simulations. Two types of hybrid lasers are presented in this document. The rst is a multimode laser allowing a selection of the spectral spacing between its modes. The second type of laser is a single-mode laser operating at 2000 nm and tunable over a range of 100 nm. In the rst case, the amplication medium of the cavity is composed of an optical ber doped with erbium while in the second, it is a ber doped with thulium.

La banquise arctique décroît en étendue, en épaisseur et en âge. Autrefois pluriannuelle et épaisse, la glace de mer est aujourd'hui remplacée par une glace saisonnière mince qui se forme et disparaît au sein d'une même année. Ces transformations s'accompagnent d'une modification des propriétés structurelles et par conséquent, d'un changement des quantités de lumière transmises et disponibles pour la photosynthèse. Pour mieux évaluer les impacts des grands bouleversements que subit la banquise sur la production primaire en Arctique à la base des chaînes trophiques, les liens intrinsèques entre les propriétés structurelles et optiques doivent être étudiés plus attentivement pour développer une meilleure intuition du transfert radiatif dans le milieu. Cependant, les mesures optiques *in situ* à l'intérieur de la glace acquises par le passé sont peu nombreuses et sont limitées en qualité; la majorité ayant été inférée à partir d'instruments volumineux perturbant le milieu, créant de l'auto-ombrage et offrant une faible résolution verticale et angulaire. De là s'est établi l'objectif principal de ce projet de recherche, soit la conception d'un instrument passif miniaturisé pour la collecte de la distribution angulaire de la luminance spectrale en différents points spatiaux à l'intérieur de la glace de mer arctique. La solution retenue est une caméra 360-degrés grand public composée de deux systèmes électro-optiques à large champ de vue. Cette dernière capte les rayons dans toutes les directions et à l'intérieur trois bandes spectrales visibles. Ces types de caméras sont compactes, faciles d'usage, peu coûteuses et accessibles. Dans un premier temps, les méthodes d'étalonnage et de caractérisation pour son usage en tant que radiomètre scientifique sont détaillées. Une évaluation de la justesse de l'étalonnage à partir d'une série temporelle de luminance d'un ciel partiellement nuageux mesurée avec la caméra et un radiomètre commercial fiable (C-OPS, Biospherical Inc.) a dévoilé des écarts relatifs sous 21 %. En deuxième temps, le capteur a été testé lors de deux sorties terrain; soit dans une glace pluriannuelle en Haute Arctique et dans une glace de première année côtière dans la Baie-des-Chaleurs. À l'intérieur de trous de 5 cm de diamètre, la géométrie du champ lumineux a été acquise en plusieurs profondeurs couvrant les épaisseurs totales de 2.0 m et 0.8 m pour les glaces de l'Arctique et de la Baie-des-Chaleurs respectivement. Tous les éclairements et plusieurs propriétés optiques apparentes ont pu être calculés dont les cosinus moyens de la luminance, montrés pour la première fois sous forme de profils dans la glace de mer. De plus, nous présentons une première tentative d'inversion manuelle des propriétés optiques inhérentes résolues en profondeur en ajustant les éclairements observés et simulés avec le modèle HydroLight. Dans la couche interne, les coefficients de diffusion réduit entre 0.8-4.8 m$^\textup{-1}$ pour la glace pluriannuelle et entre 2.8-6.4 m$^\textup{-1}$ pour la glace saisonnière ont été inférés. Les propriétés optiques inhérentes des deux sites sont dans des plages similaires à celles d'études antérieures en comparant leurs paramètres de similarité. / The Arctic ice pack is decreasing in extent, thickness, and age. Once multi-year and thick, the sea ice is now replaced by seasonal thin ice that forms and melts within the same year. These transformations come with changes in structural properties and consequently, modifications of the amount of transmitted light fluxes available for photosynthesis. To better asses the impacts of these great disruptions of the ice pack on primary production in the Arctic, the intrinsic links between structural and optical properties need to be studied more closely to improve our intuition of the radiative transfer inside the medium. However, *in situ* internal optical properties collected previously are few and limited in quality; most of them have been inferred from bulky instruments disturbing the ice, creating self-shadow as well as offering low vertical and angular resolution. This led to the main objective of this research project being the development of a miniaturized passive instrument to collect the angular distribution of the spectral radiance at given spatial positions inside sea ice. To this end, the selected solution is a consumer-grade 360-degree camera composed of two electro-optical assemblies having wide field of view that capture light rays in all directions inside three visible spectral bands. These types of cameras are compact, easy to use, inexpensive, and widely available. First, the calibration and characterization methodologies for its usage as a scientific radiometer are detailed. An evaluation of the calibration accuracy was performed by comparing the camera measurements of a partly cloudy sky radiance time series with a reliable commercial radiometer (C-OPS, Biospherical Inc.), which revealed relative errors below 21 %. Secondly, we tested the sensor during two field trips: inside multi-year ice in the High Arctic and in landfast first-year ice in Chaleur Bay. Inside 5-centimeter diameter holes, the light field geometry was captured at several depths covering the total thicknesses of 2.0 m and 0.8 m for the Arctic and Chaleur Bay ice respectively. From these measurements, we computed all the irradiances quantity and several apparent optical properties including the average cosines of the angular radiance distributions given for the first time as a vertical profile in sea ice. We also show a first attempt in manually inverting the inherent optical properties by fitting the observed irradiances with the ones simulated from HydroLight radiative transfer model. In interior ice, reduced scattering coefficients between 0.8-4.8 m$^\textup{-1}$ for the multi-annual ice and between 2.8-6.4 m$^\textup{-1}$ for the seasonal ice were inferred. The inherent optical properties of both sites are within ranges of values reported by previous studies when comparing similarity parameters.