Cette thèse a pour objet l'étude des surfaces sélectives en fréquence comme filtres pour l'imagerie multispectrale infrarouge. Les surfaces sélectives en fréquence en transmission sont composées d'une couche métallique percée d'ouvertures périodiques résonantes. La longueur d'onde de résonance et le gabarit du filtre (transmission, largeur à mi-hauteur) dépendent de paramètres géométriques latéraux, ce qui permet d'envisager la conception de matrices multispectrales de pixels. Un modèle théorique utilisant la théorie temporelle des modes couplés sera utilisé pour mettre en évidence les mécanismes du fonctionnement de ces structures dans le domaine de l'infrarouge (λ=1-12 µm), où les métaux sont absorbants. Dans le cadre de cette théorie, des taux de pertes radiatifs et par absorption métallique seront calculés et commentés. Des simulations en FDTD (Finite Difference Time Domain) seront effectuées pour comparaison avec le modèle. De plus, des empilements prenant en compte les contraintes technologiques seront simulés et analysés et permettront de définir les composantes d'un empilement optimal en terme de géométrie et de paramètres matériau (choix des indices optiques). La tolérance à l'angle d'incidence de ces filtres sera également étudiée. / This thesis investigates frequency selective surfaces as filters for infrared multispectral imaging. Frequency selective surfaces for the transmission of light are made of a metallic layer etched with periodic resonant apertures. The resonance wavelength and the filter's parameters (transmission, full width at half maximum) depend on lateral geometrical parameters, facilitating the design and integration of filters on the focal plane array of the detector. A theoretical model using the temporal coupled mode theory will be used to highlight key parameters of the physics of these structures at infrared wavelengths (λ=1-12 µm), where metals are absorbing. Radiative and absorptive loss rates will be calculated and commented. FDTD (Finite Difference Time Domain) simulations will be made and compared with the model. Furthermore, optical stacks taking into account technological constraints will be simulated and analyzed and will allow us to define an optimal optical stack, considering geometrical and material parameters (choice of optical indexes). The filters' angular tolerance will be considered.

Ce manuscrit s’intéresse principalement à l'influence de la répulsion entre électrons libres sur la réponse optique des métaux. Les modèles de matériaux classiques considèrent que la réponse d'un métal est locale -- c'est à dire que la réponse en un point dépend exclusivement des champs en ce point. La prise en compte de la répulsion entre électrons conduit à adopter une description dite non locale de la réponse métallique. Cette thèse explore de façon théorique et numérique les effets de la non-localité sur les propriétés optiques de nanostructures métallo-diélectriques dans le visible et le proche infra-rouge. A l'aide d'un modèle hydrodynamique il est montré que, de façon surprenante, les modes d'interstices plasmoniques peuvent être sensible à la non-localité pour des épaisseurs de plusieurs dizaines de nanomètres. Il est également montré que le plasmon de surface lui même peut être sensible à la non-localité à condition de considérer une interface entre le métal et un diélectrique d'indice suffisamment élevé. Nous proposons et étudions (théoriquement) ici plusieurs configurations simples et réalistes (coupleurs à prisme et à réseaux) pour la mise en évidence expérimentale de la non-localité sur des structures dont les échelles caractéristiques sont de l'ordre de plusieurs dizaines ou centaines de nanomètres. Enfin, dans une seconde partie du manuscrit, le formalisme et les considérations numériques nécessaires à l'étude du rayonnement d'un dipôle dans une structure multi-couche sont présentés en détail puis validés grâce à des comparaisons de dyadiques de Green, diagrammes de rayonnement, et taux d'émission avec des cas disponibles dans la littérature. / This manuscript is mainly focused on the influence of repulsion between free electrons on the optical response of metals. Classical material models consider that the metallic response is local -- i.e. that the response at a given point only depends on the fields at this point. Taking into account the repulsion between electrons leads to a so-called non-local description of the metalic response. This thesis explores in a theoritical and numerical way the effects of non-locality on the optical properties of metallo-dielectric nanostructures in the visible and near infrared. Using a hydrodynamical model it is shown that, suprisingly, the modes of plasmonic gaps can be sensitive to non-locality for thicknesses of several tens of nanometers. It is also shown that the surface plasmon itself can be sensitive to non-locality provided that an interface between a metal and a sufficiently high refractive index dielectric is considered. We propose and study here several simple and realictic setups (prism and grating couplers) which would allow to experimentally observe the impact of non-locality and which have characteristic scales of tens or even hundreds of nanometers. Finally, in a second part of the manuscript, the formalism and numerical considerations necessary for the study of a dipole radiation in a multi-layered structure are presented in detail and then validated thanks to comparisons of Green dyadics, radiation diagrams, and emission rates with cases avaible in the literature.

Les effets Pockels de deuxième ordre et les effets Kerr de troisième ordre font partie des effets importants exploités pour la modulation de la lumière et la génération de sources dans les plateformes technologiques de la photonique intégrée. Pour tirer parti de ces non-linéarités en photonique au silicium, l'utilisation de structures optiques sub-longueurs d'onde a été explorée. Dans ce contexte, ce travail de thèse s'est concentré sur deux aspects principaux, notamment : 1) L’exploration d'un nouveau schéma de cavité photonique pour tirer profit de l'effet Pockels électro-optique dans les structures de silicium contraint pour la réalisation de modulateurs ultra-rapides à faible consommation ; 2) L’exploration d'une nouvelle famille de guides d'ondes conduisant à une satisfaction automatique des lois de conservation énergie/vecteur d’onde pour la génération de peignes de fréquence Kerr au sein des plateformes photoniques intégrées (notamment silicium).Pour améliorer les performances des modulateurs optiques Si résonants intégrés, nous avons mis au point un nouveau résonateur à cavité de Fano qui, grâce à une ingénierie sub-longueur d'onde (λ=1.55µm), a permis d'obtenir simultanément un taux d'extinction élevé (23 dB) avec un faible facteur Q de seulement 5600, et caractérisé par une très faible consommation électrique inférieure à 5 fj/bit quand on utilise l'effet de modulation par dispersion plasma des porteurs libres. Nous avons étendu la méthode à la conception d'une structure de modulation Fano en silicium contraint dont les performances souffrent traditionnellement de la faible amplitude de l'effet Pockels induit par la déformation exploitée et des pertes micro-ondes considérables dues à des composants de grande surface. Au moyen du résonateur Fano ultra-compact à structuration sub-longueur d'onde, une amélioration d'environ 200 fois/60 fois (facteurs Q de 32000/5600) du rapport d'extinction de modulation avec la même tension de commande a été théoriquement prévue. Pour améliorer l'exploitation des non-linéarités Kerr des structures silicium, nous avons proposé une nouvelle famille de guides d'ondes optiques pour satisfaire automatiquement les lois de conservation de l'énergie et du vecteur d’onde des procédés de mélange à quatre ondes (FWM). La conception de la section des guides d'ondes est basée sur un principe hérité des puits quantiques et des concepts hérités des structures sub-longueur d'onde pour la réalisation des profils d'indice particuliers. En nous basant sur ces guides d'ondes spécifiques en terme de dispersion chromatique, nous les avons appliqués à la modélisation des micro peignes de fréquence (en utilisant des résonateurs à micro anneaux) en résolvant l’équation non linéaire pertinente (Lugiato-Lefever) pour analyser de façon dynamique le processus de génération du spectre des peignes à solitons dans diverses configurations. En complément de ce modèle, les guides d'ondes sub-longueur d'onde à accord de phase automatique ont été considérés pour étendre la largeur de bande des peignes de fréquence à solitons, démontrant une largeur de bande élargie et une meilleure flexibilité dans la réalisation des peignes de fréquence relativement aux démonstrations des travaux précédents. Dans l'ensemble, l'une des caractéristiques dominantes de notre étude a été de contribuer à montrer que les structures photoniques sub-longueur d'onde pouvaient apporter des solutions concrètes aux problèmes utiles à la réalisation de fonctions non linéaires sur puce. Les nano-structures sub-longueur d’onde permettent non seulement une amélioration des circuits photoniques passifs, sujet intensivement développé depuis dix ans, mais ont également un fort potentiel pour la réalisation des fonctions actives. Cette boîte à outils de structures sub-longueur d'onde est décisive dans la pratique pour la réalisation concrète de fonctions optiques nonlinéaires intégrées, en particulier en photonique silicium. / Second-order Pockels and the third-order Kerr effects are among the important effects exploited for light modulation and light generation in integrated photonic platforms. To take advantage of these nonlinearities in silicon photonics, especially due to the lack of second order effect in bulk Si, the use of subwavelength optical structures is explored. In this context, this thesis work has focused on two main aspects, including: 1) Exploration of a novel photonic cavity scheme to take benefit of the electro-optical Pockels effect in strained Si structures for the realization of ultra-fast lower-consumption compact silicon modulators; 2) Exploration of a new family of waveguides leading to an automatic satisfaction of energy/momentum conservation for the purpose of Kerr frequency comb generation in integrated photonic platforms. For improving the performances of integrated silicon resonant optical modulators, we have developed a novel Fano cavity resonator enabled by sub-wavelength engineering, leading simultaneously to high extinction ratio (23 dB) with a small Q factor of only 5600, and characterized by an ultra-low power consumption of less than 5 fj/bit when relying on the free carrier plasma dispersion effect. We have further extended the method to design a strained silicon Fano modulation structure which performances traditionally suffer from the weak amplitude of the exploited strain-induced Pockels effect and from considerable microwave losses due to large footprint components. By means of the proposed ultra-compact subwavelength structured Fano resonator, around 200-fold/60-fold (Q factor of 32000/5600) improvement on the modulation extinction ratio with the same driven voltage was theoretically predicted. For improving the exploitation of silicon Kerr nonlinearities, we have proposed a novel family of graded index optical waveguides intending to automatically fulfill the energy and momentum conservation laws of four-wave mixing processes. The design of the waveguide section is based on a principle inherited from quantum wells of wave mechanics and concepts inherited from subwavelength structures for the practical realization of the rather particular index profiles. Standing on these specific waveguides in term of light dispersion, we have applied them to the modeling of frequency micro-combs (e.g. frequency combs generated using micro-ring resonators and a CW light source) by solving the nonlinear relevant equations (Lugiato-Lefever) to dynamically analyze the soliton comb spectrum generation process in various configurations. On top of this model, the specifically automatically phase-matched sub-wavelength-enabled graded-index waveguides were considered to trim and extend the bandwidth of silicon soliton frequency combs, demonstrating enlarged bandwidth and improved spectrum design flexibility with respect to previous works. Overall, one of the dominant features of our study was to contribute to showing that sub-long wavelength photonic structures could provide concrete solutions to problems useful for the realization of on-chip non-linear functions. Subwavelength/nano structures not only benefit to passive photonic circuits which have been intensively developed in the past ten years, but also show strong potentials in the realization of active functions. This subwavelength toolbox is decisive in practice for the concrete achievement of the objectives pursued.

Afin de poursuivre leur montée en débit, les composants des télécommunications par fibre optique nécessitent l'élaboration de nombreuses briques de base : laser, modulateur, photo-détecteur, multiplexeur... et leur intégration avec les circuits de traitement du signal. Cette thèse a pour objectifs de concevoir et de caractériser ces différentes briques actives et passives en utilisant la technologie hybride III-V/Si. Ces briques sont ensuite utilisées dans des circuits photoniques intégrés (PIC) complets d'émission et de réception, qui présentent des avantages tels qu'une. taille réduite, une consommation et un coût de fabrication faibles. . Après une partie d'introduction, plusieurs éléments passifs sont étudiés en détail dans la 2ème partie : guides d 'ondes, virages, diviseurs de puissance, croisements de guides et hybride 90°. Tous ces dispositifs présentent de bonnes performances compatibles avec leur utilisation dans les PICs.La 3ème partie traite le problème du (dé)-multiplexage en longueur d'onde. Trois dispositifs sont étudiés : le démultiplexeur basé sur des résonateurs en anneau, des réseaux échelle et des AWG (arrayed waveguide grating). Pour les réseaux échelles, des performances à l'état de l'art ont été démontrées, d'une part sur un composant de 16 canaux séparés de 100GHz et d'autre part sur un composant de 4 canaux séparés de 20nm avec un profil aplati. Une méthode de simulation d'AWG a ensuite été présentée avec des résultats expérimentaux et théoriques à l'appui. La dernière partie traite des composants dits "actifs" et de l'intégration de toutes les fonctions précédentes dans des circuits photoniques intégrés. Les composants actifs étudiés sont les lasers, les Amplificateurs optiques en semi-conducteurs (SOA), les modulateurs à électro-absorption (EAM) et enfin les jonctions PN sur silicium comme modulateur de phase. Les PICs présentés sont d'abord deux générations de laser accordable intégré avec un EAM avec une transmission à 10Gbit/s sur 50km. Puis sont étudiés des modulateurs I/Q avec source laser accordable intégrée, d'une part avec des jonctions PN en silicium et d'autre part avec des EAM comme modulateurs pour des débits cibles de 25Gbaud/s.Une conclusion générale est tirée à la fin de la thèse. Des perspectives à court et moyen termes sont également tracées. / In order to follow the new needs in terms of optical bandwidth, optical fiber communications require the elaboration of numerous building blocks: laser, modulator, photo-detector...and their integration with signal processing circuits. This thesis has for objective the conception and caracterisation of various active and passive building blocks using the hybrid III-V/Si technology. These building blocks are then used in photonic integrated circuits (PIC) with all the necessary emission and reception functions. This enables a reduced footprint, a lower power consumption and fabrication cost.After an introduction section, several passive elements are studied in detail in the second part: waveguides, bends, power splitters, waveguide crossings and hybrid 90°. All these designs present good performances compatible with their integration in PICsThe third part treats the problem of wavelength (de)-multiplexing. Three types of device were studied: a demultiplexer based on ring resonators, echelle gratings and arrayed waveguide gratings (AWG). For the echelle gratings, state-of-the-art performances were demonstrated, first on a sample with 16 channels separated 100GHz and on the other hand a sample with 4 channels separated 20nm with a flettened profile. A simulation method for the AWG was presented with experimental and theoretical results to support the method.The last part is about "active" devices and the integration of all the previous designs in PICs. The studied active components are the lasers, semi-conductor optical amplifiers (SOA), electro-absorption modulators (EAM) and finally silicon PN junctions used as phase modulators. Two generations of a tunable laser integrated with an EAM were studied with a transmission at 10Gbit/s over 50km. The next section studied I/Q modulators with an integrated tunable laser source, using either PN silicon junction modulators or EAM with a target speed of 25Gbaud/s.A general conclusion is drawn at the end of the thesis. Short term and mid-term perspectives were also drawn.

La photonique sur silicium connaît depuis plusieurs années un fort développement avec la démonstration d’importants résultats concernant les interconnexions optiques. En effet, l’explosion du trafic de données au sein des centres de données a nécessité de trouver une solution annexe aux interconnexions métalliques afin de supporter de très hauts débits de transmission, tout en assurant une faible consommation énergétique et un coût raisonnable. Les applications de la photonique se situent d’une part dans le domaine des communications à longue distance entre équipements dont les standards actuels visent un débit de 400 Gb/s, et d’autre part dans le domaine des calculateurs à haute performance afin de réaliser les interconnexions courte distance entre un processeur et une banque de mémoires.STMicroelectronics s’est lancé depuis 2012 dans le développement d’une plateforme photonique sur silicium sur wafers de 300mm. Les principaux objectifs sont : la conception des composants optiques passifs et actifs pour réaliser un transceiver élémentaire à un débit de 20 Gb/s, l’intégration accrue des dispositifs électro-optiques afin de constituer un interposeur photonique, la capacité à gérer plusieurs longueurs d’onde.Dans ce contexte, le sujet de cette thèse porte sur la mise au point d’un circuit de qualification proposant l’intégration d’un transmetteur électro-optique à l’échelle de la puce.Cette solution tire bénéfice de l’architecture de l’assemblage en trois dimensions des éléments constitutifs au sein de l’interposeur et permet de traiter l’hétérogénéité des composants électriques et optiques.Dans ces travaux, nous proposons dans un premier temps d’étudier le modulateur optique. Celui-ci repose sur l’utilisation d’un anneau résonant dont la bande passante est optimisée afin de permettre des débits jusqu’à 50 Gb/s. Dans un second temps, nous décrivons la conception du driver électrique en technologie CMOS 55nm et expliquons le compromis mis en jeu entre la vitesse et la puissance consommée par le transmetteur. Les deux dispositifs sont fabriqués sur des plateformes distinctes, puis caractérisés et analysés par rapport à leur modèle respectif. Puis, nous réalisons une première intégration du transmetteur complet via un assemblage wire-bonding, ce qui nous permet de valider son fonctionnement et d’identifier les difficultés d’une telle co-intégration. Enfin, la dernière partie de la thèse est consacrée à la préparation d’un démonstrateur intégrant, dans un assemblage 3D à base de micro-piliers en cuivre, un lien électro-optique capable de transmettre 16 canaux à 20 Gb/s. Le multiplexage en longueurs d’onde déployé dans ce lien devrait permettre d’atteindre un débit total de 320 Gb/s. De plus, l’étude énergétique du système permet de s’assurer que l’interconnexion finale respectera les contraintes de consommation de puissance. / Stimulated by a series of important breakthrough, silicon photonics has been experiencing a significant development for several years. Indeed, due to exponential growth of data traffic inside datacenters, an alternative solution to metallic interconnects has been proposed to address very high transmission rates while ensuring a low energy consumption and a reasonable cost. Promising applications are in the field of both long- and short-distance optical communications. Long-range interconnects between datacenter equipment currently target an aggregate throughput of 400 Gb/s while short-reach interconnects are involved in high performance computers between a processor and a memory bank.STMicroelectronics has been developing a silicon photonic platform on 300 mm wafers since 2012. The main objectives are: the design of passive and active optical components to achieve an elementary 20 Gb/s transceiver, the increased integration of electro-optic devices to form a photonic interposer, the ability to manage several wavelengths.In this context, this PhD report deals with a testchip development at wafer level, proposing the integration of anelectro-optic transmitter. This solution benefits from the three dimensions assembly architecture of the dies within the photonic interposer and can handle the heterogeneity of electrical and optical components.This work first proposes to study the optical modulator which is based on a ring resonator. The ring bandwidth is optimized to operate up to 50 Gb/s. Secondly, the 55nm CMOS electrical driver design is described and the trade-off between transmitter speed and power consumption is highlighted. Both devices are fabricated on distinct technological platforms, then characterized and analyzed with respect to their respective models. A first integration of the complete transmitter is assembled through wire-bonding method, which enables to validate the transmitter operation. Finally, the last part of the report is devoted to the preparation of a 3D demonstrator based on micro-copper pillars assembly. The demonstrator integrates a wavelength division multiplexed link with 16 channels, which is expected to achieve a total throughput of 320 Gb/s. In addition, the system study enables to ensure that the final interconnect will respect power consumption constraints.

Les micro-résonateurs à modes de galerie, qu'ils soient déclinés sous forme de disques, anneaux ou hippodromes, sont devenus les éléments constitutifs clés de nombreux composants photoniques de haute performance. Les réalisations exploitant les semiconducteurs III-V sont particulièrement attrayantes car elles ouvrent la possibilité d'intégrer conjointement des sections actives et passives et donc de diversifier les fonctionnalités sur une même puce photonique. Au niveau technologique, l'intégration verticale du résonateur au-dessus de ses guides d'accès permet de distribuer les fonctions actives et passives sur des plans distincts et de faciliter la réalisation des composants grâce à des procédés mieux maitrisés. Une technique de fabrication récemment introduite dans l'équipe et basée sur la filière AlGaAs/AlOx a ainsi permis de réaliser, à l'aide d'étapes simples, des micro-disques couplés verticalement à leur guide d'accès. Les performances de ces composants restent toutefois limitées en raison de leur architecture, complexifiée par les empilements multicouches qui les constituent.Les travaux de recherche menés au cours de cette thèse ont porté sur la faisabilité d'émettre un peigne de fréquences optiques à partir de ces résonateurs. Pour cela, les composants doivent être conçus de manière à présenter un facteur de qualité suffisamment élevé tout en maximisant la puissance circulant dans la cavité, afin de pouvoir déclencher les processus non-linéaires à la base de la génération du peigne. Pour un composant monomode transverse, la puissance intracavité est maximale lorsque le système opère en régime de couplage critique, c'est-à-dire lorsque les pertes internes à la cavité sont égales aux pertes externes (ou pertes par couplage). Nous avons donc développé un outil semi-analytique basé sur une expansion modale afin de réaliser une modélisation paramétrique large bande des performances des systèmes couplés verticalement, encore peu étudiés, tant au plan théorique que pratique. Notre modèle générique exploite la théorie des modes couplés (CMT) et les relations universelles régissant les propriétés spectrales des micro-résonateurs couplés. Nous l'avons étendu en étudiant l'influence spectrale de différents paramètres opto-géométriques sur la fonction de transfert de la cavité couplée et avons, en particulier, mis en évidence par une approche variationnelle, deux conditions théoriques permettant d'obtenir un régime critique achromatique lorsque la cavité et son guide d'accès sont désaccordés en phase. Ce modèle à d'abord été appliqué à la simulation de résonateurs en hippodromes exploitant la filière Si3N4/SiO2 car plusieurs études ont déjà démontré la génération de peignes avec cette plateforme technologique. Ces travaux ont abouti au dessin de structures désaccordées en phase et technologiquement réalisables dont la bande passante critique est augmentée d'un ordre de grandeur par rapport au cas plus répandu de guides accordés en phase. Nous avons ensuite initié une évaluation numérique de la génération de peignes de fréquences, basée sur la résolution itérative de l'équation de Schrödinger non-linéaire prenant en compte les variations des propriétés spectrales et dispersives de ces hippodromes. Le modèle générique a enfin été appliqué aux micro-disques AlGaAs/AlOx. Pour cela, nous avons introduit un critère permettant d'utiliser la CMT dans le cas de coupleurs asymétriques présentant une zone de séparation multicouche. Les résultats, en bon accord avec l'expérience, nous ont permis de mieux appréhender les limitations des dispositifs réalisés et de proposer de nouvelles structures pour en améliorer les performances. Le dessin d'une nouvelle structure AlGaAs/AlOx multicouche permettant d'améliorer les facteurs de qualité des résonateurs jusqu'à deux ordres de grandeurs a ainsi été proposé. La validation expérimentale des dessins proposés tant pour la filière Si3N4/SiO2 que AlGaAs/AlOx est en cours. / Whispering-gallery -mode micro-resonators, whether in the form of disks, rings or racetracks, have become the key building blocks of many high-performance photonic components. The embodiments exploiting the III-V semiconductors are particularly attractive for they open the possibility of integrating active and passive sections together and therefore diversify the functionalities on the same photonic chip. Furthermore, the vertical integration of the resonator above its access waveguide(s) makes it possible to distribute the active and passive functions on distinct planes and makes the realization of the components easier by using better-controlled methods. A fabrication technique recently introduced in the team and based on the AlGaAs / AlOx technological platform, allowed us to realize, by means of simple steps, vertically-coupled microdisks. The performance of these components, however, is limited due to their architecture, complicated by their constitutive multilayer stack. The research carried out during this PhD thesis focused on the feasibility of emitting an optical frequency comb from these resonators. For this purpose, the components must be designed so as to present a sufficiently high quality factor while maximizing the power circulating in the cavity in order to be able to trigger the non-linear processes required for the comb generation. For a transverse single-mode component, the intracavity power is maximal when the system operates in critical coupling regime, i.e .when the losses inside the cavity are equal to external losses (or coupling losses). As a first step, we have developed a semi-analytical tool based on a modal expansion in order to carry out a broadband parametric study of the performances of vertically coupled systems. Up to now, this coupling layout has indeed been little studied, both theoretically and practically. Our generic model, based on the coupled mode theory (CMT) and the universal relations governing the spectral properties of coupled micro-resonators, reveals two theoretical conditions for obtaining an achromatic critical-coupling regime when the cavity and its access waveguide are phase-mismatched. We first applied it to the simulation of single- mode racetrack resonators made of Si3N4 / SiO2 since several studies have already demonstrated comb generation using this technological platform. Our work resulted in the design of phase-mismatched and technologically feasible structures with critical-copuling bandwidths being increased by one order of magnitude compared to the reference case of phase- matched waveguides. We subsequently initiated a numerical evaluation of frequency comb generation, based on the iterative resolution of the non-linear Schrödinger equation taking into account the variations of the spectral and dispersive properties of these racetracks. The generic model has finally been applied to AlGaAs / AlOx microdisks. For this purpose, we have introduced a criterion allowing an unambiguous implementation of CMT in the case of asymmetric couplers having a multi-layer separation zone. The results, in good agreement with experimental data, allowed us to better understand the limitations of the fabricated devices and to propose new structures AlGaAs / AlOx with improved performances. The experimental validation of the proposed designs for both the Si3N4 / SiO2 and AlGaAs / AlOx components is currently in progress.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les systèmes de courte portée et de détection directe sont le dernier/premier kilomètre de la fourniture des services Internet d'aujourd'hui. Deux cas d'application sont abordés dans cette thèse, l'un concerne l'amélioration des performances des services Internet par la Fibre-To-TheHome ou les réseaux optiques passifs (PONs). L'autre est le radio access network (RAN) pour le fronthaul. Notre objectif pour RAN est de superposer les signaux 5G sur une infrastructure PON. Nous démontrons expérimentalement la génération d'un signal de répartition multiplexée de fréquences orthogonales (OFDM) à bande latérale unique en utilisant un modulateur IQ sur puce basé sur les photoniques au silicium à micro-anneau. Il s'agit d'une solution à coût bas permettant aux PONs d'augmenter les débits de données grâce à l'utilisation d'OFDM. Nous avons généré un signal OFDM à large bande avec un ratio de suppression de bande latérale de plus de 18 dB. Afin de confirmer la robustesse de la dispersion chromatique (CD), nous transmettons le signal généré OFDM SSB dans plus de 20 km de fibre de monomode standard. Aucun fading induit par la CD n'a été observé et le taux d'erreur sur les bits était bon. Nous proposons une solution de photoniques au silicium pour un réseau optique passif afin de mitiger l'interférence de battement signal-signal (SSBI) dans la transmission OFDM, et de récupérer une partie des porteuses de la liaison descendante pour une utilisation dans la liaison montante. Le sous-système recrée les interférences à une entrée du détecteur équilibré ; le signal de données corrompu par SSBI est à la deuxième entrée. L'annulation se produit via la soustraction dans la détection équilibrée. Comme notre solution de photoniques au silicium (SiP) ne peut pas filtrer les signaux idéalement, nous examinons un facteur d'échelle introduit dans la détection équilibrée qui peut balancer les effets de filtrage non idéaux. Nous montrons expérimentalement l'annulation de l'interférence donne de bonnes performances même avec une porteuse faible, soit pour un ratio porteuse/signal ultra bas de 0 dB. Bien que notre solution soit sensible aux effets de la température, notre démonstration expérimentale montre que le réglage de la fréquence résonante peut dériver jusqu'à 12 GHz de la valeur ciblée et présenter toujours de bonnes performances. Nous effectuons des simulations extensives du schéma d'annulation SSBI proposé, et suggérons une diverse conception polarisée pour le sous-système SiP. Nous examinons via la simulation la vulnérabilité à la variation de température et introduisons une nouvelle métrique de performance : Q-facteur minimum garanti. Nous nous servons de cette métrique pour évaluer la robustesse d'annulation SSBI contre la dérive de fréquence induite par les changements de température. Nous maximisons l'efficacité spectrale sous différentes conditions du système en balayant les paramètres de conception contrôlables. Finalement, les résultats de la simulation du système fournissent des indications sur la conception du résonateur micro-anneau, ainsi que sur le choix de la bande de garde et du format de modulation pour obtenir la plus grande efficacité spectrale. Finalement, nous nous concentrons sur la superposition des signaux 5G sur une infrastructure PON pour RAN. Nous expérimentalement validons un sous-système photonique au silicium conçu pour les réseaux optiques passifs avec réutilisation de porteuses et compatibilité radiosur-fibre (RoF) analogique 5G. Le sous-système permet la détection simultanée des signaux RoF et du signal PON transmis dans une seule tranche assignée de longueur d'onde. Tout en maintenant une qualité suffisante de détection des signaux RoF et PON, il n'y a que la puissance minimale de la porteuse qui est extraite pour chaque détection, ce qui conserve ainsi la puissance de la porteuse pour la modulation de liaison montante. Nous réalisons une suppression efficace du signal de liaison descendante en laissant une porteuse propre et forte pour la remodulation. Nous démontrons expérimentalement le signal RoF de liaison montante via un modulateur à micro-anneau. Nous avons détecté avec succès un signal à large bande de 8 GHz et cinq signaux RoF de 125 MHz simultanément. Et deux signaux RoF de 125 MHz sont remodulés sur la même porteuse. Le signal RoF de liaison montante généré est de 13 dB de plus que les signaux de liaison descendante, ce qui indique leur robustesse contre la diaphonie des signaux résiduels de la liaison descendante. / Short reach, direct detection systems are the last/first mile of today's internet service provision. Two use cases are addressed in this thesis, one is for enhancing performance of Internet services on fiber-to-the-home or passive optical networks (PON). The other is radio access networks (RAN) for fronthaul. Our focus for RAN is to overlay 5G signals on a PON infrastructure. We experimentally demonstrate the generation of a single-sideband orthogonal frequency division multiplexed (OFDM) signal using an on-chip silicon photonics microring-based IQ modulator. This is a low cost solution enabling PONs to increase data rates through the use of OFDM. We generated a wideband OFDM signal with over 18 dB sideband suppression ratio. To confirm chromatic dispersion (CD) robustness, we transmit the generated SSB OFDM signal over 20 km of standard single mode fiber. No CD-induced fading was observed and bit error rate was good. We propose a silicon photonics solution for a passive optical network to mitigate signal-signal beat interference (SSBI) in OFDM transmission, and to recuperate a part of the downlink carrier for use in the uplink. The subsystem recreates the interference at one balanced detector input; the data signal corrupted with SSBI is at the second input. Cancellation occurs via subtraction in the balanced detection. As our silicon photonics (SiP) solution cannot filter the signals ideally, we examine a scaling factor to be introduced to the balanced detection that can trade-off the non-ideal filtering effects. We show experimentally that the interference is cancelled, allowing good performance even with a weak carrier, that is, for ultra low carrier to signal ratio of 0 dB. Although our solution is sensitive to temperature effects, our experimental demonstration shows the tuning of the resonant frequency can drift by as much as 12 GHz from the targeted value and still provide good performance. We perform extensive simulations of the proposed SSBI cancellation scheme, and suggest a polarization diverse design for the SiP subsystem. We examine via simulation the vulnerability to temperature variation and introduce a new performance metric: minimum guaranteed Qfactor. We use this metric to evaluate the SSBI cancellation robustness against the frequency drift induced by temperature changes. We maximize the spectral efficiency under different system conditions by sweeping the controllable design parameters. Finally the system simulation results provide guidance on the microring resonator design, as well as choice of guard band and modulation format to achieve the highest spectral efficiency. Finally, we turn to focus on overlay 5G signals on a PON infrastructure for RAN. We experimentally validate a silicon photonic subsystem designed for passive optical networks with carrier reuse and 5G analog radio-over-fiber (RoF) compatibility. The subsystem enables the simultaneous detection of RoF signals and a PON signal transmitted in a single assigned wavelength slot. While maintaining sufficient quality of RoF and PON signal detection, only the minimum carrier power is leached off for each detection, thus conserving carrier power for uplink modulation. We realize effective downlink signal suppression to leave a clean and strong carrier for remodulation. We demonstrate experimentally the RoF uplink signal via a micro ring modulator. We successfully detected an 8 GHz broadband signal and five 125 MHz RoF signals simultaneously. And two 125 MHz radio over fiber signals are remodulated onto the same carrier. The generated uplink RoF signal is 13 dB over the downlink signals, indicating their robustness against the crosstalk from residual downlink signals.

Les communications optiques basées sur la photonique sur silicium (SiP) sont au centre des récents efforts de recherche pour le développement des futures technologies de réseaux optiques à haut débit. Dans cette thèse, nous étudions le traitement numérique du signal (DSP) pour pallier aux limites physiques des modulateurs Mach-Zehnder sur silicium (MZM) opérés à haut débit et exploitant des formats de modulation avancés utilisant la détection cohérente. Dans le premier chapitre, nous présentons une nouvelle méthode de précompensation adaptative appelée contrôle d’apprentissage itératif par gain (G-ILC, aussi utilisé en linéarisation d’amplificateurs RF) permettant de compenser les distorsions non-linéaires. L’adaptation de la méthode G-ILC et la précompensation numérique linéaire sont accomplies par une procédure « hardware-in-the-loop » en quasi-temps réel. Nous examinons différents ordres de modulation d’amplitude en quadrature (QAM) de 16QAM à 256QAM avec des taux de symboles de 20 à 60 Gbaud. De plus, nous combinons les précompensations numériques et optiques pour contrevenir surmonter les limitations de bande-passante du système en régime de transmission haut débit. Dans le second chapitre, inspiré par les faibles taux de symbole du G-ILC, nous augmentons la vitesse de transmission au-delà de la limite de bande-passante du système SiP. Pour la première fois, nous démontrons expérimentalement un record de 100 Gbaud par 16QAM et 32QAM en transmission consécutive avec polarisation mixte. L’optimisation est réalisée sur le point d’opération du MZM et sur la DSP. Les performances du G-ILC sont améliorées par égalisation linéaire à entrées/sorties multiples (MIMO). Nous combinons aussi notre précompensation non-linéaire innovante avec une post-compensation. Par émulation de la polarisation mixte, nous réalisons un taux net de 833 Gb/s avec 32QAM au seuil de correction d’erreur (FEC) pour une expansion en largeur de bande de 20% et 747 Gb/s avec 16QAM (une expansion en largeur de bande de 7% du FEC). Dans le troisième chapitre, nous démontrons expérimentalement un algorithme de précompensation numérique basé sur une table de consultation (LUT) unidimensionnelle pour compenser les non-linéarités introduites à l’émetteur, e.g. réponse en fréquence non-linéaire du MZM en silicium, conversion numérique-analogique et amplificateur RF. L’évaluation est réalisée sur un QAM d’ordre élevé, i.e. 128QAM et 256QAM. Nous examinons la diminution en complexité de la LUT et son impact sur la performance. Finalement, nous examinons la généralisation de la méthode de précompensation proposée pour des jeux de données différents des données d’apprentissage de la table de consultation. / Optical communications based on silicon photonics (SiP) have become a focus of the recent research for future high speed optical network technologies. In this thesis, we investigate digital signal processing (DSP) approaches to combat the physical limits of SiP Mach-Zehnder modulators (MZM) driven at high baud rates and exploiting advanced modulation formats with coherent detection. In the first section, we present a novel adaptive pre-compensation method known as gain based iterative learning control (G-ILC, previously used in RF amplifier linearization) to overcome nonlinear distortions. We experimentally evaluate the G-ILC technique. Adaptation of the G-ILC, in combination with linear digital pre-compensation, is accomplished with a quasireal- time hardware-in-the-loop procedure. We examine various orders of quadrature amplitude modulation (QAM), i.e., 16QAM to 256QAM, and symbol rates, i.e., 20 to 60 Gbaud. Furthermore, we exploit joint digital and optical linear pre-compensation to overcome the bandwidth limitation of the system in the higher baud rate regime. In the second section, inspired by lower symbol rate G-ILC results, we push the baud rate beyond the bandwidth limit of the SiP system. For the first time, we experimentally report record-breaking 16QAM and 32QAM at 100 Gbaud in dual polarization back-to-back transmission. The optimization is performed on both MZM operating point and DSP. The G-ILC performance is improved by employing linear multiple input multiple output (MIMO) equalization during the adaptation. We combine our innovative nonlinear pre-compensation with post-compensation as well. Via dual polarization emulation, we achieve a net rate of 833 Gb/s with 32QAM at the forward error correction (FEC) threshold for 20% overhead and 747 Gb/s with 16QAM (7% FEC overhead). In the third section, we experimentally present a digital pre-compensation algorithm based on a one-dimensional lookup table (LUT) to compensate the nonlinearity introduced at the transmitter, e.g., nonlinear frequency response of the SiP MZM, digital to analog converter and RF amplifier. The evaluation is performed on higher order QAM, i.e., 128QAM and 256QAM. We examine reduction of LUT complexity and its impact on performance. Finally, we examine the generalization of the proposed pre-compensation method to data sets other than the original training set for the LUT.

Les structures photoniques complexes permettent de façonner la propagation lumineuse à l’échelle de la longueur d’onde au moyen de processus de diffusion et d’interférence. Cette fonctionnalité à l’échelle nanoscopique ouvre la voie à de multiples applications, allant des communications optiques aux biosenseurs. Cette thèse porte principalement sur la modélisation numérique de structures photoniques complexes constituées d’arrangements bidimensionnels de cylindres diélectriques. Deux applications sont privilégiées, soit la conception de dispositifs basés sur des cristaux photoniques pour la manipulation de faisceaux, de même que la réalisation de sources lasers compactes basées sur des molécules photoniques. Ces structures optiques peuvent être analysées au moyen de la théorie de Lorenz-Mie généralisée, une méthode numérique permettant d’exploiter la symétrie cylindrique des diffuseurs sous-jacents. Cette dissertation débute par une description de la théorie de Lorenz-Mie généralisée, obtenue des équations de Maxwell de l’électromagnétisme. D’autres outils théoriques utiles sont également présentés, soit une nouvelle formulation des équations de Maxwell-Bloch pour la modélisation de milieux actifs appelée SALT (steady state ab initio laser theory). Une description sommaire des algorithmes d’optimisation dits métaheuristiques conclut le matériel introductif de la thèse. Nous présentons ensuite la conception et l’optimisation de dispositifs intégrés permettant la génération de faisceaux d’amplitude, de phase et de degré de polarisation contrôlés. Le problème d’optimisation combinatoire associé est solutionné numériquement au moyen de deux métaheuristiques, l’algorithme génétique et la recherche tabou. Une étude théorique des propriétés de micro-lasers basés sur des molécules photoniques – constituées d’un arrangement simple de cylindres actifs – est finalement présentée. En combinant la théorie de Lorenz-Mie et SALT, nous démontrons que les propriétés physiques de ces lasers, plus spécifiquement leur seuil, leur spectre et leur profil d’émission, peuvent être affectés de façon nontriviale par les paramètres du milieu actif sous-jacent. Cette conclusion est hors d’atteinte de l’approche établie qui consiste à calculer les étatsméta-stables de l’équation de Helmholtz et leur facteur de qualité. Une perspective sur la modélisation de milieux photoniques désordonnés conclut cette dissertation. / Complex photonic media mold the flow of light at the wavelength scale using multiple scattering and interference effects. This functionality at the nano-scale level paves the way for various applications, ranging from optical communications to biosensing. This thesis is mainly concerned with the numerical modeling of photonic complexes based on twodimensional arrays of cylindrical scatterers. Two applications are considered, namely the use of photonic-crystal-like devices for the design of integrated beam shaping elements, as well as active photonic molecules for the realization of compact laser sources. These photonic structures can be readily analyzed using the 2D Generalized Lorenz-Mie theory (2D-GLMT), a numerical scheme which exploits the symmetry of the underlying cylindrical structures. We begin this thesis by presenting the electromagnetic theory behind 2D-GLMT.Other useful frameworks are also presented, including a recently formulated stationary version of theMaxwell-Bloch equations called steady-state ab initio laser theory (SALT).Metaheuristics, optimization algorithms based on empirical rules for exploring large solution spaces, are also discussed. After laying down the theoretical content, we proceed to the design and optimization of beam shaping devices based on engineered photonic-crystal-like structures. The combinatorial optimization problem associated to beam shaping is tackled using the genetic algorithm (GA) as well as tabu search (TS). Our results show the possibility to design integrated beam shapers tailored for the control of the amplitude, phase and polarization profile of the output beam. A theoretical and numerical study of the lasing characteristics of photonic molecules – composed of a few coupled optically active cylinders – is also presented. Using a combination of 2D-GLMT and SALT, it is shown that the physical properties of photonic molecule lasers, specifically their threshold, spectrum and emission profile, can be significantly affected by the underlying gain medium parameters. These findings are out of reach of the established approach of computing the meta-stable states of the Helmholtz equation and their quality factor. This dissertation is concluded with a research outlook concerning themodeling of disordered photonicmedia.