Comme le trafic de données continue à augmenter rapidement, une grande capacité de transmission sera inévitablement requise pour les systèmes de communications par fibre optique. De nouvelles technologies ont été développées pour assurer une bonne qualité de transfert de l'information. Dans ce contexte, les composants optiques tout fibres occupent un rôle important pour diminuer les pertes de propagation, d'insertion et de réflexion dans une chaîne de transmission optique. Le rotateur de Faraday est conçu pour être utilisé comme isolateur et éviter les retours des faisceaux dans les lasers de haute puissance. Il est développé à base de fibre monomode pour des longueurs d'ondes inférieures à 1μm. La motivation de ce travail est d'explorer de nouvelles matrices vitreuses avec une grande réponse magnéto-optique dans la troisième fenêtre de télécommunications (1.55 μm) et d'étudier la possibilité d'avoir des fibres optiques "few mode". Dans ce sens, les verres hautement dopés en terbium sont considérés les meilleurs candidats. Toutefois leur usage est limité dans les fibres existantes vu que la concentration en ions e terre rares en terbium ne dépasse pas 27% mol dans la matrice vitreuse. Dans ce travail, on présentera plusieurs compositions vitreuses explorées dans différentes matrices de silice, de phosphate et de fluorure. Des verres contenant jusqu'à 30% mol d'oxyde de terbium dans un verre de silice et jusqu'à 40% mol de terbium fluoré dans des verres fluorés ont été obtenus dans le but de réaliser une fibre optique à deux modes de propagation à 1.55 μm. Les caractéristiques thermiques, optiques et des mesures de la constante de Verdet ont été faites sur l'ensemble des verres synthétisés en fonction de la concentration afin de comparer l'efficacité de la transmission magnéto-optique différents type de matrices. / As data traffic continues to rapidly increase, high transmission capacity will be required for fiber optic communications systems. New technologies have been developed to ensure good quality of information transfer. In this context, all-fiber optical components play an important role in reducing the propagation, insertion and reflection losses in an optical transmission link. The Faraday rotator is designed for useas an insulator in order to minimize parasitic back reflections in high power lasers. It is developed based on singlemode fiber for wavelengths less than 1μm. The motivation of this work is to explore new vitreous matrices with a large magneto-optical response in the third telecommunications window (1.55 μm) and to study the possibility of having "few mode" optical fibers. In this sens, highly doped terbium glasses are considered the best candidates. However, the solubility of terbium ions in silica glass fibers is limited to 27%, then the exploration for other glass compositions is necessary. In this work, several glass compositions have been explored in different matrices of silica, phosphate and fluoride. Glasses containing up to 30% mol of terbium oxyde in a silica glass and up to 40% by mol of terbium fluoride in fluoride glasses have been obtained in order to produce a fiber with two progagation modes at 1.55 μm. Thermal, optical and Verdet constant measurements were made on all the glasses synthesized according to their concentration in order to compare the magneto-optical transmission efficiency of different types of matrices.

Les applications exigeant des très nombreuses données (médias sociaux, diffusion vidéo en continu, mégadonnées, etc.) se développent à un rythme rapide, ce qui nécessite de plus en plus de liaisons optiques ultra-rapides. Ceci implique le développment des transmetteurs optiques intégrés et à bas coût et plus particulirement en photonique sur silicium en raison de ses avantages par rapport aux autres technologies (LiNbO3 et InP), tel que la compatibilité avec le procédé de fabrication CMOS. Les modulateurs optoélectronique sont un élément essentiel dans la communication op-tique. Beaucoup de travaux de recherche sont consacrées au développement de dispositifs optiques haut débit efficaces. Cependant, la conception de modulateurs en photonique sur sili-cium (SiP) haut débit est diffcile, principalement en raison de l'absence d'effet électro-optique intrinsèque dans le silicium. De nouvelles approches et de architectures plus performances doivent être développées afin de satisfaire aux critères réliés au système d'une liaison optique aux paramètres de conception au niveau du dispositif integré. En outre, la co-conception de circuits integrés photoniques sur silicium et CMOS est cruciale pour atteindre tout le potentiel de la technologie de photonique sur silicium. Ainsi cette thèse aborde les défits susmentionnés. Dans notre première contribution, nous préesentons pour la première fois un émetteur phononique sur silicium PAM-4 sans utiliser un convertisseur numérique analog (DAC)qui comprend un modulateur Mach Zehnder à électrodes segmentées SiP (LES-MZM) implémenté dans un procédé photonique sur silicium générique avec jonction PN latérale et son conducteur CMOS intégré. Des débits allant jusqu'à 38 Gb/s/chnnel sont obtenus sans utili-ser un convertisseur numérique-analogique externe. Nous présentons également une nouvelle procédure de génération de délai dans le excitateur de MOS complémentaire. Un effet, un délai robuste aussi petit que 7 ps est généré entre les canaux de conduite. Dans notre deuxième contribution, nous présentons pour la première fois un nouveau fac-teur de mérite (FDM) pour les modulateurs SiP qui inclut non seulement la perte optique et l'efficacité (comme les FDMs précédents), mais aussi la bande passante électro-optique du modulateur SiP (BWEO). Ce nouveau FDM peut faire correspondre les paramètres de conception physique du modulateur SiP à ses critères de performance au niveau du système, facilitant à la fois la conception du dispositif optique et l'optimisation du système. Pour la première fois nous définissons et utilisons la pénalité de puissance du modulateur (MPP) induite par le modulateur SiP pour étudier la dégradation des performances au niveau du système induite par le modulateur SiP dans une communication à base de modulation d'amplitude d'impulsion optique. Nous avons développé l'équation pour MPP qui inclut les facteurs de limitation du modulateur (perte optique, taux d'extinction limité et limitation de la bande passante électro-optique). Enfin, dans notre troisième contribution, une nouvelle méthodologie de conception pour les modulateurs en SiP intégré à haute débit est présentée. La nouvelle approche est basée sur la minimisation de la MPP SiP en optimisant l'architecture du modulateur et le point de fonctionnement. Pour ce processus, une conception en longueur unitaire du modulateur Mach Zehnder (MZM) peut être optimisée en suivant les spécifications du procédé de fabrication et les règles de conception. Cependant, la longueur et la tension de biais du d'éphaseur doivent être optimisées ensemble (par exemple selon vitesse de transmission et format de modulation). Pour vérifier l'approche d'optimisation proposée expérimentale mont, a conçu un modulateur photonique sur silicium en phase / quadrature de phase (IQ) ciblant le format de modulation 16-QAM à 60 Gigabaud. Les résultats expérimentaux prouvent la fiabilité de la méthodologie proposée. D'ailleurs, nous avons augmenté la vitesse de transmission jusqu'à 70 Gigabaud pour tester la limite de débit au système. Une transmission de données dos à dos avec des débits binaires de plus de 233 Gigabit/s/channel est observée. Cette méthodologie de conception ouvre ainsi la voie à la conception de la prochaine génération d'émetteurs intégrés à double polarisation 400+ Gigabit/s/channel. / Data-hungry applications (social media, video streaming, big data, etc.) are expanding at a fast pace, growing demand for ultra-fast optical links. This driving force reveals need for low-cost, integrated optical transmitters and pushes research in silicon photonics because of its advantages over other platforms (i.e. LiNbO3 and InP), such as compatibility with CMOS fabrication processes, the ability of on-chip polarization manipulation, and cost effciency. Electro-optic modulators are an essential component of optical communication links and immense research is dedicated to developing effcient high-bitrate devices. However, the design of high-capacity Silicon Photonics (SiP) transmitters is challenging, mainly due to lack of inherent electro-optic effect in silicon. New design methodologies and performance merits have to be developed in order to map the system-level criteria of an optical link to the design parameters in device-level. In addition, co-design of silicon photonics and CMOS integrated circuits is crucial to reveal the full potential of silicon photonics. This thesis addresses the aforementioned challenges. In our frst contribution, for the frst time we present a DAC-less PAM-4 silicon photonic transmitter that includes a SiP lumped-element segmented-electrode Mach Zehnder modula-tor (LES-MZM) implemented in a generic silicon photonic process with lateral p-n junction and its co-designed CMOS driver. Using post processing, bitrates up to 38 Gb/s/channel are achieved without using an external digital to analog converter. We also presents a novel delay generation procedure in the CMOS driver. A robust delay as small as 7 ps is generated between the driving channels. In our second contribution, for the frst time we present a new figure of merit (FOM) for SiP modulators that includes not only the optical loss and effciency (like the prior FOMs), but also the SiP modulator electro-optic bandwidth ( BWEO). This new FOM can map SiP modulator physical design parameters to its system-level performance criteria, facilitating both device design and system optimization. For the frst time we define and employ the modulator power penalty (MPP) induced by the SiP modulator to study the system level performance degradation induced by SiP modulator in an optical pulse amplitude modulation link. We develope a closed-form equation for MPP that includes the SiP modulator limiting factors (optical loss, limited extinction ratio and electro-optic bandwidth limitation). Finally in our third contribution, we present a novel design methodology for integrated high capacity SiP modulators. The new approach is based on minimizing the power penalty of a SiP modulator (MPP) by optimizing modulator design and bias point. For the given process, a unit-length design of Mach Zehnder modulator (MZM) can be optimized following the process specifications and design rules. However, the length and the bias voltage of the phase shifter must be optimized together in a system context (e.g., baud rate and modulation format). Moreover, to verify the proposed optimization approach in experiment, we design an in-phase/quadrature-phase (IQ) silicon photonic modulator targeting 16-QAM modulation format at 60 Gbaud. Experimental results proves the reliability of our proposed methodology. We further push the baud rate up to 70 Gbaud to examine the capacity boundary of the device. Back to back data transmission with bitrates more than 233 Gb/s/channel are captured. This design methodology paves the way for designing the next generation of integrated dual- polarization 400+ Gb/s/channel transmitters.

La réponse mécanique d'une cellule à une force externe permet d'inférer sa structure et fonction. Les pinces optiques s'avèrent une approche particulièrement attrayante pour la manipulation et caractérisation biophysique sophistiquée des cellules de façon non invasive. Cette thèse explore l’utilisation de trois types de pinces optiques couramment utilisées : 1) statiques (static), 2) à exposition partagée (time-sharing) et 3) oscillantes (oscillating). L’utilisation d’un code basé sur la méthode des éléments finis en trois dimensions (3DFEM) nous permet de modéliser ces trois types de piégeage optique afin d’extraire les propriétés mécaniques cellulaires à partir des expériences. La combinaison des pinces optiques avec la mécanique des cellules requiert des compétences interdisciplinaires. Une revue des approches expérimentales sur le piégeage optique et les tests unicellulaires est présentée. Les bases théoriques liant l’interaction entre la force radiative optique et la réponse mécanique de la cellule aussi. Pour la première fois, une simulation adaptée (3DFEM) incluant la diffusion lumineuse et la distribution du stress radiatif permet de prédire la déformation d’une cellule biconcave –analogue aux globules rouges—dans un piège statique double (static dual-trap). À l’équilibre, on observe que la déformation finale est donnée par l’espacement entre les deux faisceaux lasers: la cellule peut être étirée ou même comprimée. L’exposition partagée (time-sharing) est la technique qui permet de maintenir plusieurs sites de piégeage simultanément à partir du même faisceau laser. Notre analyse quantitative montre que, même oscillantes, la force optique et la déformation sont omniprésentes dans la cellule : la déformation viscoélastique et la dissipation de l’énergie sont analysées. Une autre cellule-type, la tige cubique, est étudiée : cela nous permet d’élucider de nouvelles propriétés sur la symétrie de la réponse mécanique. Enfin, l’analyse de la déformation résolue en temps dans un piége statique ou à exposition partagée montre que la déformation dépend simultanément de la viscoélasticité, la force externe et sa forme tridimensionnelle. La technique à force oscillante (oscillating tweezers) montre toutefois un décalage temporel, entre la force et la déformation, indépendant de la forme 3D; cette approche donnerait directement accès au tenseur viscoélastique complexe de la cellule. / The mechanical response of a cell to external forces carries information about its structure and function. Because cell manipulation should ideally be non-invasive while performing sophisticated biophysical characterization, the radiation force of optical tweezers has become highly attractive. In this thesis, we explore three types of recently-developed optical tweezers: 1) static, 2) time-sharing and 3) oscillating. Using a full three-dimensional finite element method (3DFEM), modeling of each of these regimes allows us to fit experiments and access the cell mechanical properties. Combining optical trapping with cell mechanics requires interdisciplinary efforts. A survey of the various experimental approaches for optical trapping and measurements on isolated cells is presented. We then lay the theoretical background linking the interaction of optical fields to the cell’s mechanical response. We are the first to implement a 3DFEM calculation including light scattering and the radiation stress distribution to predict the deformation of a biconcave cell –emulating a red blood cell– in static dual-trap optical tweezers. At equilibrium, the final deformation is given by the separation distance of the two trapping beams, revealing how the cell can be elongated or shrunk. Time-sharing optical tweezers realize multiple traps to manipulate objects ranging from macromolecules to biological cells. Our quantitative analysis shows how, although jumping, the local stress and strain is omnipresent in the cell. The viscoelastic object deformation and internal energy dissipation are analyzed. Another cell shape, a cubic rod, is also studied, elucidating novel symmetrical properties of the mechanical response. Finally, the analysis of the time-dependent deformation –creep testing– of a cell in static and time-sharing optical tweezers, shows that deformation of the object depends altogether on the object’s viscoelasticity, significantly on its 3D shape and the mechanical loading. However, dynamic testing with oscillating optical tweezers surprisingly shows a phase shift between the loading stress (external force) and strain (deformation) independent on the 3D cell shape. This is a novel avenue giving access to the cell’s viscoelasticity dynamic complex modulus directly in the time-domain.

Des systèmes de détection cohérente avec traitement numérique du signal (DSP) sont présentement déployés pour la transmission optique de longue portée. La modulation par déplacement de phase en quadrature à deux polarisations (DP-QPSK) est une forme de modulation appropriée pour la transmission optique sur de longues distances (1000 km ou plus). Une autre forme de modulation, le DP-16-QAM (modulation d’amplitude en quadrature) a été récemment utilisée pour les communications métropolitaines (entre 100 et 1000 km). L’extension de la distance maximum de transmission du DP-16-QAM est un domaine de recherche actif. Déterminer si l’utilisation de la détection cohérente pour les transmissions à courtes distances (moins de 100 km) en justifieraient les coûts demeure cependant une question ouverte. Dans cette thèse, nous nous intéresserons principalement au recouvrement de phase et au démultiplexage en polarisation dans les récepteurs numériques cohérents pour les applications à courte distance. La réalisation de systèmes optiques gigabauds cohérents en temps-réel utilisant des formats de modulation à monoporteuse plus complexes, comme le 64-QAM, dépend fortement du recouvrement de phase. Pour le traitement numérique hors-ligne, la récupération de phase utilisant les résultats de décisions (decision-directed phase recovery (DD-PR)) permet d’obtenir, au débit des symboles, les meilleures performances, et ce avec un effort computationnel moindre que celui des meilleurs algorithmes connus. L’implémentation en temps-réel de systèmes gigabauds requiert un haut degré de parallélisation qui dégrade de manière significative les performances de cet algorithme. La parallélisation matérielle et le délais de pipelinage sur la boucle de rétroaction imposent des contraintes strictes sur la largeur spectrale du laser, ainsi que sur le niveau de bruit spectral des sources laser. C’est pourquoi on retrouve peu de démonstrations de recouvrement de phase en temps-réel pour les modulations 64-QAM ou plus complexes. Nous avons analysé expérimentalement l’impact des lasers avec filtres optiques sur le recouvrement de phase realisé en pipeline sur un système cohérent à monoporteuse 64-QAM à 5 Gbaud. Pour les niveaux de parallélisation plus grands que 24, le laser avec filtres optiques a permis une amélioration de 2 dB du ratio signal-à-bruit optique, en comparaison avec le même laser sans filtre optique. La parallélisation du recouvrement de phase entraîne non seulement une plus grande sensibilité au bruit de phase du laser, mais aussi une plus grande sensibilité aux fréquences résiduelles induites par la présence de tonalités sinusoïdales dans la source. La modulation de fréquences sinusoïdales peut être intentionnelle, pour des raisons de contrôle, ou accidentelles, dues à l’électronique ou aux fluctuations environnementales. Nous avons étudié expérimentalement l’impact du bruit sinusoïdal de phase du laser sur le système parallèle de recouvrement de phase dans un système 64-QAM à 5 Gbauds, en tenant compte des effets de la compensation du décalage de fréquence et de l’égalisation. De nos jours, les filtres MIMO (multi-input multi-output) à réponse finie (FIR) sont couramment utilisés pour le démultiplexage en polarisation dans les systèmes cohérents. Cependant, ces filtres souffrent de divers problèmes durant l’acquisition, tels la singularité (les mêmes données apparaissent dans les deux canaux de polarisation) et la longue durée de convergence de certaines combinaisons d’états de polarisation (SOP). Pour réduire la consommation d’énergie exigée dans les systèmes cohérents pour les applications à courtes distances où le délais de groupe différentiel n’est pas important, nous proposons une architecture DSP originale. Notre approche introduit une pré-rotation de la polarisation, avant le MIMO, basée sur une estimation grossière de l’état de polarisation qui n’utilise qu’un seul paramètre Stokes (s1). Cette méthode élimine les problèmes de singularité et de convergence du MIMO classique, tout en réduisant le nombre de filtres MIMO croisés, responsables de l’annulation de la diaphonie de polarisation. Nous présentons expérimentalement un compromis entre la réduction de matériel et la dégradation des performances en présence de dispersion chromatique résiduelle, afin de permettre la réalisation d’applications à courtes distances. Finalement, nous améliorons notre méthode d’estimation à l’aveugle par un filtre Kalman étendu (EKF) à temps discret de faible complexité, afin de réduire la consommation de mémoire et les calculs redondants apparus dans la méthode précédante. Nous démontrons expérimentalement que la pré-rotation de polarisation basée sur le EKF operé au taux ASIC (Application-Specific Integrated Circuits) permet de récupérer la puissance de fréquence d’horloge du signal multiplexé en polarisation ainsi que d’améliorer la performance du taux d’erreur sur les bits (BER) en utilisant un MIMO de complexité réduite. / Coherent detection with digital signal processing (DSP) is currently being deployed in longhaul optical communications. Dual-polarization (DP) quadrature phase shift keying (QPSK) is a modulation format suitable for long-haul transmission (1000 km or above). Another modulation, DP-16-QAM (quadrature amplitude modulation) has been deployed recently in metro regions (between 100 and 1000 km). Extending the reach of DP-16QAM is an active research area. For short-reach transmission (shorter than 100 km), there is still an open question as to when the technology will be mature enough to meet cost pressures for this distance. In this dissertation, we address mainly on phase recovery and polarization demultiplexing in digital coherent receivers for short-reach applications. Implementation of real-time Gbaud (Gsymbol per second) optical coherent systems for singlecarrier higher-level modulation formats such as 64-QAM depends heavily on phase tracking. For offline DSP, decision-directed phase recovery is performed at the symbol rate with the best performance and the least computational effort compared to best-known algorithms. Real-time implementations at Gbaud requires significant parallelizing that greatly degrades performance of this algorithm. Hardware parallelization and pipelining delay on the feedback path impose stringent requirements on the laser linewidth, or the frequency noise spectral level of laser sources. This leads to the paucity of experiments demonstrating real-time phase tracking for 64- or higher QAM. We experimentally investigated the impact of opticallyfiltered lasers on parallel and pipelined phase tracking in a single-carrier 5 Gbaud 64-QAM back-to-back coherent system. For parallelization levels higher than 24, the optically-filtered laser shows more than 2 dB improvement in optical signal-to-noise ratio penalty compared to that of the same laser without optical filtering. In addition to laser phase noise, parallelized phase recovery also creates greater sensitivity to residual frequency offset induced by the presence of sinusoidal tones in the source. Sinusoidal frequency modulation may be intentional for control purposes, or incidental due to electronics and environmental fluctuations. We experimentally investigated the impact of sinusoidal laser phase noise on parallel decision-directed phase recovery in a 5 Gb 64-QAM system, including the effects of frequency offset compensation and equalization. MIMO (multi-input multi-output) FIR (finite-impulse response) filters are conventionally used for polarization demultiplexing in coherent communication systems. However, MIMO FIRs suffer from acquisition problems such as singularity and long convergence for a certain polarization rotations. To reduce the chip power consumption required in short-reach coherent systems where differential group delay is not prominent, we proposed a novel parallelizable DSP architecture. Our approach introduces a polarization pre-rotation before MIMO, based on a very-coarse blind SOP (state of polarization) estimation using only a single Stokes parameter (s1). This method eliminates the convergence and singularity problems of conventional MIMO, and reduces the number of MIMO cross taps responsible for cancelling the polarization crosstalk. We experimentally presented a tradeoff between hardware reduction and performance degradation in the presence of residual chromatic dispersion for short-reach applications. Finally, we extended the previous blind SOP estimation method by using a low-complexity discrete-time extended Kalman filter in order to reduce the memory depth and redundant computations of the previous design. We experimentally verified that our extended Kalman filter-based polarization prerotation at ASIC rates enhances the clock tone of polarization-multiplexed signals as well as the bit-error rate performance of using reduced-complexity MIMO for polarization demultiplexing.

On expose ici le travail fait dans le cadre d'une étude portant sur l'utilisation des pinces optiques pour la capture de nanobarres anisotropes et isotropes. La capture de nanobarres anisotropes et non linéaire a été faite et divers problèmes concernant leur application en imagerie haute résolution ont été mis en évidence. Nous avons donc fait une étude approfondie de l'interaction du champ électromagnétique avec des nanobarres anisotropes. Nous avons utilisé la méthode de la matrice de transfert pour analyser les paramètres de capture optique de nanobarres. Nous avons aussi étudié diverses méthodes de simulation du faisceau incident et défini des critères d'applications de ces derniers en fonction de l'ouverture numérique à utiliser. Nous avons aussi pu mettre sur pied une nouvelle méthode permettant d'évaluer précisément la qualité des pinces optiques à des ouvertures numériques très grandes et pu donner des limites d'application et des exemples d'application spécifiques. Afin de faire ressortir l'aspect physique des captures optiques, nous avons calculé la distribution du champ électromagnétique sur la surface des objets capturés. Ceci nous a ensuite permis de calculer le stress, les forces et les torques en utilisant le tenseur de stress de Maxwell. Différent nanobarres isotropes ou anisotropes possédant des longueurs et des rayons différents, ont été modélisés. Des faisceaux laser possédant des ouvertures numériques (NA) différentes, un inclinaison différente et différentes positions dans l'espace ont été étudiés. Il a été ainsi possible de démontrer comment une capture optique de nanobarres était affectée en translation, en rotation, en vibration de toutes directions et comment il était possible de l'améliorer. De la même façon, les particules anisotropes ont été étudiées et des propriétés spéciales, presque impossibles à déterminer expérimentalement, ont pu être démontrées telles que l'existence d'une force de torsion à l'intérieur des nanobarres ou la possibilité d'une capture non alignée avec le faisceau. Les résultats de calculs ont aussi été comparés qualitativement avec un logiciel commercial utilisant la méthode FDTD, avec le résultat de calcul par tracé de rayon sur des objets microscopiques et par la comparaison avec les observations expérimentales lorsque c'était possible. Finalement, les expériences réalisées sur une pince optique ont démontré qu'il est possible de capturer des nanobarres avec une NA = 1:25 et une longueur d'onde de λ = 1:064 μm. Des voies d'amélioration de l'expérience ont été exposées. / In this thesis we present a study on the use of optical tweezers to capture anisotropic or isotropic nanorods. For this purpose, we used the T-Matrix method for analyzing the parameters of optical tweezing of nanorods. We also studied various methods of simulation of the incident beam and defined criteria on their use based on the numerical aperture to use. We were also able to develop a new method to accurately assess the quality of optical tweezers with numerical apertures greater than 1.20 and have given the limits of applications and examples of application specific to high numerical apertures. To highlight the physical aspect of optical tweezers, we calculated the distribution of the electromagnetic field. The stress, forces and torques were then evaluated using the Maxwell stress tensor of isotropic or anisotropic nanorods. Nanorods were modelled having different lengths, different radii and the incident beam was calculated having different NA, different inclinations and different positions in space. Thus, it was possible to demonstrate how an optical capture of nanorods was affected in translation, rotation, vibration from all directions and how it was possible to improve the optical trap. Similarly, anisotropic particles have been studied and special properties, almost impossible to determine experimentally, could be demonstrated. For example, the existence of a twisting force within nanorods or the possibility of capture at an angle with respect to the optical axis. Calculation results were also compared qualitatively with commercial software using the FDTD method. Finally, experiments on optical tweezers have shown that it is possible to capture nanorods with NA = 1:25 and a wavelength of λ = 1064 μm.Ways of improving the experimental setup are discussed at the end.

Les avantages de la modulation de phase vis-à-vis la modulation d’intensité pour les réseaux optiques sont claires et accepté par la communauté scientifique des télécommunications optiques. Surtout, la modulation de phase montre une meilleure sensibilité au bruit, ainsi qu’une plus grande tolérance aux effets non-linéaires que la modulation d’intensité. Nous présentons dans cette thése un étude qui vise à développer les avantages de la modulation de phase. Nous attaquons d’abord la complexité du récepteur en détection directe, en proposant une nouvelle configuration dont la complexité est comparable à celle du récepteur pour la modulation d’intensité traditionnel, mais avec des meilleures performances. Cette solution pourrait convenir pour les réseaux métropolitains (et même d’accès) à haut débit binaire. Nous passons ensuite à l’examen de la possibilité d’utiliser des amplificateur à semi-conducteur (SOA) au lieu des amplificateurs à fibre dopée à l’erbium pour fournir amplification optique aux signaux modulés en phase. Les non-linéarité des SOA sont étudiées, et un compensateur simple et très efficace est proposé. Les avantages des amplificateurs à semi-conducteur par rapport à ceux à fibre sont bien connus. Surtout, la méthode que nous proposons permettrait l’integrabilité des SOA avec d’autres composants de réseau (par exemple, le récepteur nommé cidessus), menant à des solutions technologiques de petite taille et efficaces d’un point de vue énergétique. Il y a deux types de systèmes pour signaux modulés en phase: basé sur la détection directe, ou sur les récepteurs cohérents. Dans le dernière partie de ce travail, nous nous concentrons sur cette dernière catégorie, et nous comparons deux solutions possibles pour la mise à niveau des réseaux terrestres actuel. Nous comparons deux configurations dont les performances sont très comparables en termes de sensibilité au bruit, mais nous montrons comment la meilleure tolérance aux effets non linéaires (en particuliers dans les systèmes à débit mixte) fait que une solution soit bien plus efficace que l’autre. / The advantages of phase modulation (PM) vis-à-vis intensity modulation for optical networks are accepted by the optical telecommunication community. PM exhibits a higher noise sensitivity than intensity modulation, and it is more tolerant to the effects of fiber nonlinearity. In this thesis we examine the challenges and the benefits of working with different aspects of phase modulation. Our first contribution tackles the complexity of the direct detection noncoherent receiver for differentially encoded quadrature phase shift keying. We examine a novel configuration whose complexity is comparable to that of traditional receivers for intensity modulation, yet outperforming it. We show that under severe nonlinear impairments, our proposed receiver works almost as well as the conventional receiver, with the advantage of being much less complex. We also show that the proposed receiver is tolerant to chromatic dispersion, and to detuning of the carrier frequency. This solution might be suitable for high-bit rates metro (and even access) networks. Our second contribution deals with the challenges of using semiconductor optical amplifiers (SOAs) instead of typical erbium doped fiber amplifiers (EDFAs) to provide amplification to phase modulated signals. SOAs nonlinearities are investigated, and we propose a simple and very effective feed-forward compensator. Above all, the method we propose would permit the integrability of SOAs with other network components (for example, the aforementioned receiver) achieving small size, power efficient sub-systems. Phase modulation paves the way to high spectral efficiency, especially when paired with digital coherent receivers. With the digital coherent receiver, the degree of freedom offered by polarization can be exploited to increase the channel bit rate without increasing its spectral occupancy. In the last part of this work we focus on polarization multiplexed signaling paired with coherent reception and digital signal processing. Our third contribution provides insight on the strategies for upgrading current terrestrial core networks to high bit rates. This is a particularly challenging scenario, as phase modulation has to coexist with previously installed intensity modulated channels. We compare two configurations which have received much attention in the literature. These solutions show comparable performance in terms of back-to-back noise sensitivity, and yet are not equivalent. We show how the superior tolerance to nonlinear fiber propagation (and particularly to cross phase modulation induced by the presence of intensity modulated channels) makes one of them much more effective than the other.

Les sources laser à large bande possédant les caractéristiques requises pour émettre sur la plage spectrale correspondant à la seconde fenêtre de transmission atmosphérique (3 à 5 μm) exercent un attrait considérable pour divers domaines tels que la télédétection de polluants atmosphériques et les contremesures infrarouges. Les supercontinua générés à l'intérieur de fibres optiques représentent une option intéressante pour réaliser ce type de sources laser. En effet, ils possèdent une intensité élevée, un large contenu spectral, une excellente directionnalité de faisceau, ainsi qu'un bon potentiel pour constituer des sources lumineuses compactes et robustes. Toutefois, la génération d'un tel supercontinuum implique certains défis à relever sur le plan de la conception des fibres optiques employées. En fait, ces fibres optiques doivent présenter de faibles pertes de propagation sur la plage spectrale de 3 à 5 μm, posséder un paramètre de non-linéarité élevé et permettre le pompage en régime anomal de dispersion à des longueurs d'onde pour lesquelles des sources laser compactes sont offertes commercialement. En matière de robustesse, ces fibres doivent également démontrer de bonnes propriétés mécaniques ainsi qu'une stabilité chimique appropriée vis-à-vis de la corrosion causée par l'humidité. Dans le cadre de cette thèse, un nouveau type de fibres composites à saut d'indice fortement contrasté a été développé pour atteindre ces objectifs de génération de supercontinuum. Ce type de fibres combine respectivement un verre de tellurite et un verre de germanate pour son coeur et sa gaine permettant ainsi d'atteindre une différence d'indice de réfraction d'environ 0.3 entre ces deux dernières structures. Grâce à cet important saut d'indice, ces fibres peuvent fortement confiner les modes optiques à l'intérieur de leur coeur, ce qui leur donne la possibilité d'atteindre un niveau élevé de non-linéarité et d'optimiser leurs caractéristiques de dispersion chromatique pour la génération du supercontinuum. D'autre part, leur section transversale toute solide leur confère aussi une meilleure stabilité environnementale comparativement à celle démontrée par les fibres optiques microstructurées à base de verres d'oxydes de métaux lourds, de verres de chalcogénure et de verres fluorés. Toutefois, leur fabrication nécessite l'appariement de verres dont les propriétés thermomécaniques concordent suffisamment ensemble pour permettre leur fibrage. Les travaux effectués ici démontrent la production de fibres optiques composites et leur potentiel pour la génération du supercontinuum dans l'infrarouge moyen. / Broadband laser sources possessing the required characteristics to emit over the spectral range corresponding to the second atmospheric window (3 to 5 μm) exert a considerable attraction in diverse fields such as remote detection of atmospheric pollutants and infrared countermeasures. Supercontinua generated inside optical fibers represent an interesting option to achieve this kind of laser sources. Indeed, they possess a high intensity, a broad spectral content, an excellent beam directionality, and a good potential to make robust and compact light sources. However, the generation of such supercontinuum involves some challenges in terms of optical fiber design. In fact, these optical fibers must show low propagation losses over the spectral range of 3 to 5 μm, possess a high nonlinear parameter and enable pumping in the anomalous dispersion regime at wavelengths for which compact laser sources are commercially available. In terms of robustness, these fibers must also show good mechanical properties as well as an appropriate chemical stability against corrosion caused by moisture. During this thesis, a new type of composite fibers with a highly contrasted index step was developed to achieve these objectives of supercontinuum generation. This type of fiber respectively combines a tellurite glass and a germanate glass for its core and its cladding allowing a difference of refractive index of about 0.3 between these last two structures. Owing to this high index step, these fibers can strongly confine the optical modes inside their core, which gives them the opportunity to reach a high nonlinearity and optimize their characteristics of chromatic dispersion for the generation of supercontinuum. In addition, their all-solid cross section provides them with a better environmental stability compared to that demonstrated by microstructured optical fibers based on heavy metal oxide glasses, chalcogenide glasses, and fluoride glasses. However, their fabrication requires the association of glasses whose thermomechanical properties match suffciently together to allow them to be drawn into optical fibers. The work carried out here shows the production of composite optical fibers and their potential for supercontinuum generation in the mid-infrared.

Pour les structures en béton armé, la corrosion des armatures représente la plupart des pathologies observées. Aujourd'hui, pour réduire les coûts de maintenance, une détection avant l'apparition de la corrosion permettrait d'optimiser la gestion des infrastructures. Il est observé que les détériorations les plus rapides sur les structures en béton armé se développent en présence simultanée d'eau liquide et d'ions chlorure qui accélèrent l'apparition et le développement de la corrosion des armatures. Lorsque la concentration de chlorures dans le béton d'enrobage dépasse un certain seuil, la couche de passivation est détruite, et la corrosion des aciers d'armature s'initie. Ce phénomène est accentué dans les pays où les sels de déglaçage sont utilisés pour la sécurité routière, ainsi qu'en bordure de zones maritimes. Ce mémoire propose une nouvelle méthode de monitorage non destructive permettant d'observer l'évolution des concentrations en ions chlorure dans le béton d'enrobage. Ce monitorage permet de surveiller en continu, et en temps réel, la concentration en chlorures libres dans les pores de béton afin d'évaluer la phase d'initiation de la corrosion. Le monitorage consiste en un capteur chimique à fibres optiques qui a été développé et testé. Des études théoriques et expérimentales ont permis la calibration et validation du capteur dans des échantillons de mortier. Une lumière bleue transite à l'intérieur des fibres optiques, atteignant à leur extrémité une pastille sensible aux ions chlorure. Avec l'analyse par spectroscopie de fluorescence, souvent utilisée dans le domaine de la biochimie et de la médecine, les concentrations d'ions chlorure libres dans l'eau interstitielle du béton sont déterminées. Ce capteur de petite taille, est facile à placer à différentes profondeurs dans le béton d'enrobage permettant de suivre en continu la concentration des chlorures contenue dans l'eau interstitielle à l'intérieur des pores du béton. / For reinforced concrete structures, corrosion of reinforcements represents most of the pathologies observed. Today, to reduce maintenance costs, detection before the onset of corrosion would optimize infrastructure management. It is observed that the fastest deterioration on reinforced concrete structures develop in the simultaneous presence of liquid water and chloride ions which accelerate the appearance and development of reinforcement corrosion. When the concentration of chlorides in the concrete coating exceeds a certain threshold, the passivation layer is destroyed, and the corrosion of reinforcing steel is initiated. This phenomenon is accentuated in countries where de-icing salts are used for road safety, as well as, in marine regions. This research work proposes a new non-destructive monitoring method allowing to observe the evolution of the chloride ion concentrations in the cover concrete. This sensor makes it possible to continuously monitor, in real time, the concentration of free chlorides in the concrete pores in order to evaluate the initiation phase of the corrosion. The innovative instrument consists of a fiber optic chemical sensor that has been developed and tested. Theoretical and experimental studies allowed the calibration and validation of the sensor in mortar samples. Blue light travels inside the optical fibers, reaching at their ends a patch sensitive to chloride ions. With fluorescence spectroscopy analysis, often used in the field of biochemistry and medicine, the concentrations of free chloride ions are determined. This small-sized sensor is easy to place at different depths into concrete structures, to continuously monitor the concentration of chlorides contained in the pore solution.

« Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Télécom ParisTech, Paris, France » / L’échange d’informations est devenu une question de première importance et les systèmes optiques leur réponse. En effet, ils permettent de proposer des liens de communication pouvant contenir un flux toujours grandissant de données. Si le développement des liaisons intercontinentales reste au centre de toutes les attentions, la question de la connexion de réseaux plus modestes n’est pas à négliger, tant les notions de centre de données ou de stockage sur le « nuage » prennent de l’ampleur. En particulier, la longueur du lien de transmission joue un rôle central dans la question du coût énergétique. En effet, si pour couvrir de grandes distances, les réseaux optiques doivent se munir de structures robustes, capables de juguler ce flot, les liens courte distance peuvent quant à eux se dispenser de ces éléments onéreux. Pour répondre à ces besoins, cette thèse aborde la problématique des diodes lasers à modulation directe (DML) lesquelles figurent parmi les concurrents les plus incontournables pour les liens courte distance. Ces émetteurs de petite taille brillent notamment par leur faible coût ainsi que par leur facilité d’implémentation dans une chaine de transmission optique et une consommation énergétique - par bits transmis – plus faible que les transmetteurs exploitant la modulation externe. Néanmoins, la modulation directe de la lumière impacte fortement la bande passante de transmission et par conséquent le débit binaire maximal atteignable. Dans cette thèse, nous proposons d’explorer de nouvelles architectures de DMLs à capacité de transmission augmentée compatibles avec des débits supérieurs à 50 Gbps. Dans ce but, deux axes d’étude ont été privilégiés. Le premier repose sur une nouvelle structure DML exploitant des effets non-linéaires combinés comme le levier de gain et l’injection optique. Les simulations révèlent d’excellents résultats avec des bandes passantes prometteuses > 85 GHz et un diagramme de l’œil toujours ouvert à 40 Gbps. De plus, il est démontré que l’utilisation conjointe du levier de gain et de l’injection optique renforce la résistance aux phénomènes de compression du gain et de dérive de fréquence (chirp) garantissant ainsi une utilisation stable du DML dans un système de transmission. Le deuxième axe de la thèse se polarise sur l’étude de transmetteurs dont le volume de cavité se rapproche de la limite de diffraction. Les résultats montrent que le contrôle de l’émission spontanée est un élément vital pour diminuer substantiellement les puissances consommées tout en conservant une bonne dynamique de modulation. Le seuil optique étant atteint avant que le milieu ne soit totalement inversé (seuil électrique), les niveaux de courants de polarisation utilisés sont très faibles, typiquement <1 mA. Pour des dimensions de cavités proches de celles des structures verticales à émission par la surface (VCSELs), des bandes passantes de plus de 60 GHz sont obtenues. En transmission, les mésolasers apparaîssent comme les meilleurs candidats pour la modulation directe avec des diagrammes de l’œil permettant une décision à plus de 50 Gbps pour un courant de 6 mA. Lorsque le volume de cavité devient inférieur à la limite de diffraction (nanolaser), l’émetteur optique ne permet plus de conserver une dynamique de modulation efficace et une transmission compétitive. Couplés aux techniques de traitement de signal déjà employées pour la modulation directe, ce travail montre que les nouveaux composants DML susmentionnés possèdent des capacités d’opération exaltées (> 50 Gbps) ce qui en font d’excellents candidats pour les liens courte distance. / Development of ultrafast chips operating at speeds exceeding 100 Gbps is of paramount importance for increasing the transmission capacity of fiber-based networks, directly impacting G5 wireless networks, internet, local area networks, metropolitan area networks, and long-haul backbones, thus bringing closer the concept of networked society. Although complex modulation formats combined with digital signal post-processing are usually preferred to reach ultra-high modulation bandwidth, the long latency introduced by electronic processing results in a severe communication bottleneck. To this end, direct-detection systems implemented with directly modulated semiconductor lasers remain promising candidates as sources of high-speed intensity modulated signals thanks to their low-cost, well-established fabrication, compactness and most importantly their low energy consumption - by transmitted bits – much lower than transmitters using external modulation of light. In order to improve the performance and capacity of optical networks, it is necessary to enhance the modulation efficiency and 3-dB electro-optical bandwidth of optical transmitters without increasing their intensity noise and inducing excessive frequency chirp as well as intrinsic parasitic effects driven by nonlinear gain suppression or carrier transport delay. In order to improve the modulation characteristics, this PhD thesis explores new architectures of directly modulated lasers with increased transmission capacities compatible with high-speed operations at 50 Gbps and beyond. For this purpose, we first study a new DML exploiting combined non-linear effects such as gain lever and optical injection. Simulations reveal excellent results with promising bandwidths> 85 GHz and an eye diagram still open at 40 Gbps. In addition, it is demonstrated that the joint use of the gain lever and the optical injection greatly enhances the resistance to the gain compression and strongly lowers the frequency chirping making such a DML highly robust in a transmission system environment. The second axis of the thesis is focused on the modulation dynamics of optical transmitters whose cavity volume is closer to the diffraction limit. In such lasers in which the spontaneous emission rate is strongly enhanced, the optical threshold occurs before themedium is totally inverted (electrical threshold e.g. clamping condition). As a consequence, simulations show that nanolasers with cavity volumes below the diffraction limit can operate with extremely low injected currents (<<1 mA) which is desirable for reducing power consumption however without great performance at high-speeds. On the contrary, mesolasers with cavity sizes similar to that of surface-emitting vertical structures (VCSELs) are found to be the best candidates for high-speed operation with 3-dB electro-optics bandwidths as large as 60 GHz and an eye diagram allowing a decision at 50 Gbps for a current of 6 mA. Coupled with the signal processing techniques already employed for direct modulation, this work shows that the aforementioned directly modulated lasers have exalted operating capabilities (>50 Gbps) making them excellent candidates for short-reach communications.

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.