L'omniprésence de la biréfringence photoinduite dans les réseaux optiques photoinscrits, présente un défi important pour l'ingéniosité du procédé de fabrication de ce type de composants. Des études précédentes ont identifié trois contributions à la biréfringence photoinduite dans les réseaux : le stress photoinduit causé par la densification de la structure du verre dans le coeur photosensible de la fibre, l'anisotropie causée par l'excitation préférentielle des défauts d'oxygènes dans la matrice du verre et la biréfringence de forme causée par l'asymétrie du profil du changement d'indice dans le plan transverse. Dans l'objectif de contribuer aux travaux qui visent à remédier à la biréfringence photoinduite, nous nous proposons dans la première partie de cette thèse, de la caractériser et de quantifier les différents facteurs qui y contribuent. Nous calculerons la biréfringence de forme dans différents types de fibres à l'aide d'une méthode vectorielle d'éléments finis d'ordre élevé. Nous évaluerons la biréfringence causée par le stress photoinduit en mettant en évidence, à travers une mesure tomographique, l'asymétrie de la distribution de stress et l'anisotropie d'indice dans la fibre irradiée. Nous en déduirons par la suite la valeur de la contribution de ce type de biréfringence à la biréfringence photoinduite totale. Vu la nature vectorielle de l'onde dans les réseaux biréfringents, il est important de se procurer un outil numérique pour l'analyse et la prédiction de la propagation de l'onde vectorielle dans les réseaux optiques. Ainsi, nous nous proposons dans la deuxième partie de cette thèse, de développer un outil de calcul pouvant décrire l'évolution de la polarisation dans les structures périodiques en tenant compte de la propagation bidirectionnelle de l'onde et de la rotation des axes propres de polarisation dans les régions illuminées et non illuminées du réseau.

L'utilisation des techniques holographiques pour le traitement optique de l'information est souvent limitée par les performances insuffisantes des dispositifs existants (efficacité de diffraction trop faible, sélectivité restreinte, ou forte diaphonie). L'holographie intracavité peut améliorer ces propriétés de façon considérable.<br />Ce travail a pour objectif l'étude théorique et expérimentale des propriétés diffractives d'un réseau d'indice inséré dans un résonateur de Fabry-Perot, appelé réseau d'indice intracavité. Cette approche fondamentale d'un nouveau concept a conduit à l'élaboration d'un modèle analytique. La diffraction sur un réseau d'indice intracavité épais est ainsi décrite et comparée à celle sur un réseau de Bragg hors cavité. Nous étudions en particulier la diffraction d'une onde de lecture en résonance simultanée avec la cavité de Fabry-Perot et avec le réseau de Bragg. La supériorité du dispositif intracavité en termes d'efficacité de diffraction, de sélectivité angulaire et de rapport signal sur bruit est démontrée. Il apparaît que la configuration la plus favorable est celle d'un résonateur asymétrique, dont le miroir arrière est parfaitement réfléchissant.<br />Compte tenu des résultats théoriques prometteurs, un dispositif expérimental a été conçu, afin de prouver la faisabilité du concept et de valider le modèle analytique. Le milieu non-linéaire support du réseau est un liquide, de sorte que son épaisseur peut être ajustée pour faire coïncider les résonances de Bragg et de Fabry-Perot. Le réseau est inscrit optiquement, par absorption de la figure d'interférence de deux impulsions d'écriture et diffracte le faisceau de lecture continu au voisinage de la résonance de Bragg. Le signal diffracté est analysé pour remonter aux propriétés du réseau. La comparaison avec le réseau de Bragg hors cavité montre l'amélioration significative apportée par le résonateur. Ces résultats expérimentaux sont en très bon accord avec les calculs numériques issus du modèle analytique.<br />Enfin, nous revenons sur le critère de distinction entre réseaux minces (en régime de Raman-Nath) et réseaux épais (régime de Bragg) dans le cas de réseaux intracavité. Nous établissons que le seuil en épaisseur au delà duquel un réseau est épais est nettement abaissé lorsqu'on l'insère en cavité de Fabry-Perot. Le domaine d'application du modèle que nous avons établi est donc très vaste.

Un réseau de Bragg fibré est un tronçon de fibre optique dont le coeur présente une modification périodique et permanente de l’indice de réfraction. Dans sa structure la plus simple, il se comporte, en réflexion, comme un miroir sélectif en longueur d’onde, ne réfléchissant qu’une plage de longueurs d’onde autour de la longueur d’onde de Bragg. Le signal transmis est alors débarrassé des composantes spectrales réfléchies par le réseau de Bragg. Ce composant fibré correspond donc à un filtre optique pour lequel il est important de caractériser les évolutions, en fonction de la longueur d’onde, des réponses en amplitude et en phase. En pratique, les réseaux de Bragg fibrés sont largement utilisés pour la réalisation de différents composants utiles dans le domaine des télécommunications par fibres et des capteurs optiques. De manière générale, il s’avère de plus en plus important de caractériser les propriétés de polarisation induites par la présence de biréfringence des composants optiques ; il en est de même pour les réseaux de Bragg fibrés. En effet, avec l’augmentation des débits de transmission, les communications par fibres optiques sont de moins en moins tolérantes aux effets associés à la polarisation de la lumière. L’utilisation des réseaux de Bragg pour des applications de télécommunications requiert donc de connaître leurs propriétés de polarisation. De même, dans le domaine des capteurs, l’information offerte par l’évolution de ces propriétés en fonction des contraintes extérieures peut être utile pour améliorer les performances et les potentialités des capteurs à réseaux de Bragg. Dans le cadre de cette thèse de doctorat, nous présentons une étude des propriétés spectrales des réseaux de Bragg fibrés en y incluant l’analyse des propriétés de polarisation de la lumière causées par la présence de biréfringence au sein du réseau. Cette étude est menée pour deux catégories de réseaux de Bragg présentant de la biréfringence. Une première catégorie concerne les réseaux inscrits dans des fibres hautement biréfringentes. Pour ces fibres, étant donné les valeurs importantes de biréfringence considérées, ses effets sont directement visibles sur la réponse classique en amplitude. Dans ce cas, nous démontrons qu’il est possible de modéliser complètement les évolutions, en fonction de la longueur d’onde, des paramètres permettant de caractériser les propriétés de polarisation des réseaux de Bragg. Une étude théorique et expérimentale est présentée pour les paramètres de Stokes, le paramètre de PDL (Polarisation Dependent Loss - perte dépendante de la polarisation) et le paramètre de DGD (Differential Group Delay - délai de groupe différentiel). Une seconde étude est menée pour les réseaux de Bragg inscrits dans des fibres standards. Pour ces réseaux, la biréfringence est relativement faible si bien que ses effets sont difficilement perceptibles sur la réponse en amplitude du réseau. Elle n’est donc généralement pas prise en considération lors de l’analyse des propriétés spectrales des réseaux. Nous montrons cependant dans cette thèse de doctorat qu’elle conduit à des valeurs importantes des paramètres de polarisation (paramètres de Stokes, PDL et DGD). Compte tenu des différentes origines possibles de la biréfringence des réseaux, nous exposons deux modèles caractérisant la présence de la biréfringence. Les résultats théoriques obtenus pour ces deux modèles sont alors systématiquement comparés. Nous rapportons finalement des résultats expérimentaux en adéquation avec les résultats théoriques. Pour ces réseaux de Bragg faiblement biréfringents, nous établissons également la relation qui existe entre les paramètres utilisés pour caractériser les propriétés de phase du réseau (courbes de délai et de dispersion) et les paramètres de Stokes et de DGD. En particulier, nous démontrons théoriquement et expérimentalement que les évolutions en fonction de la longueur d’onde de la dispersion chromatique et du DGD ne diffèrent que dans leur valeur absolue, le rapport de ces valeurs étant proportionnel à la biréfringence. En outre, nous discutons la possibilité d’appliquer cette relation à d’autres types de réseaux fibrés et présentons des résultats expérimentaux dans le cas d’un réseau à longs pas. Une application intéressante de la connaissance des paramètres de polarisation des réseaux de Bragg est la détermination de la biréfringence. Nous considérons d’une part le cas d’une biréfringence causée par une contrainte transverse appliquée sur une fibre optique. Nous montrons qu’un réseau de Bragg est utilisable à l’endroit de la contrainte pour obtenir la quantité de biréfringence induite localement. D’autre part, les propriétés de polarisation sont utilisées pour étudier l’évolution de la biréfringence induite lors du processus d’inscription d’une série de réseaux de Bragg de caractéristiques différentes. La reconstruction de la biréfringence de cette série permet alors d’analyser l’impact des paramètres de l’inscription sur la biréfringence photoinduite. Nous proposons finalement une technique originale permettant de réduire les effets de la biréfringence des réseaux. Cette technique est basée sur l’application d’une torsion de la fibre lors de l’inscription, ce qui permet d’introduire du couplage de modes de polarisation au niveau du réseau de Bragg. L’analyse théorique des propriétés spectrales des réseaux menée dans le cas classique est alors adaptée pour tenir compte de l’effet du couplage de modes. Les résultats de simulation obtenus montrent qu’il est en effet possible de réduire la PDL et le DGD de cette manière, ce qui peut s’avérer intéressant dans le cadre d’applications de télécommunications à haut débit.

Ces travaux portent sur la génération d'un peigne de longueurs d'ondes à haut-débit pour les télécommunications. Ce manuscrit s'articule autour de trois grandes parties. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés aux cavités laser fonctionnant en blocage de modes passif. Les expériences ont notamment permis de générer à chaque aller et retour dans la cavité des paquets d'impulsions liées et séparées d'une période correspondant à une cadence de 100-160 GHz. Dans la seconde partie, nous montrons la possibilité de générer des horloges à haute cadence (100 GHz - 1 THz) en exploitant les bonnes propriétés des lasers à îlots quantiques à blocage de modes, par l'ajout de filtres. La sélection des fréquences a été réalisée, au début de la thèse, par l'application de points de température induisant des sautsde phase sur un réseau de Bragg à pas variable, puis par l'utilisation d'un filtrage spatial utilisant un appareil commercial. La stabilité des horloges optiques, de fréquences variables pouvant atteindre 1,5 THz, a été validée par des mesures de taux d'erreurs. Enfin, nous montrons qu'il est possible réaliser des convertisseurs de fréquence permettant de récupérer une horloge à la sous harmonique f à partir d'un signal binaire cadencée à N × f. En conclusion, nous dressons les perspectives liées à ces résultats.

Dans ce mémoire, nous analysons les critères qu'une source laser doit rencontrer pour être utilisée dans la génération d'impulsions UWB. L'écriture de la forme des impulsions est faite dans le domaine fréquentiel à l'aide de réseaux de Bragg (FBGs) et la conversion au domaine temporel se produit suite à la propagation à travers un milieu dispersif, dans ce cas une fibre monomode. Cette technique permet le contrôle précis de la forme des impulsions au détriment de la complexité et d'un coût élevé provenant du laser à fibre mode-locked. Dans ce mémoire, d'autres sources possibles basées principalement sur des lasers à semi-conducteurs sont examinées et analysées. La modulation directe de lasers à réflecteur distribué fournit des impulsions courtes mais il faut optimiser les conditions d'opération afin d'obtenir un spectre en fréquence étendu et assez uniforme. Cela constitue l'objectif principal de ce mémoire. Deux solutions ont été étudiées. D'abord, un laser à réflecteur distribué de 10 GHz de modulation dans un régime de commutation de gain (gain switched, GS-DFB) a été caractérisé en détail et son point d'opération a été optimisé afin de répondre aux exigences. La source puisée a été intégrée au sein de l'émetteur UWB et des impulsions UltraWideBand (UWB) à 1 GHz de taux de répétition ont été générées. La deuxième option est composée de deux lasers GS-DFB de 2.5 GHz de modulation. Les positions temporelles des impulsions générées par les deux lasers sont contrôlées pour réduire le bruit au détecteur et les réponses fréquentielles sont ajustées pour être adjacentes de telle façon que la bande passante totale utilisable s'en trouve doublée. Une façon simple de mesurer la phase d'impulsions optiques a été développée et vérifiée. Les impulsions de lasers GS-DFB présentent un glissement en fréquence principalement linéaire et elles peuvent être compressées de façon efficace. Cependant puisque la conversion fréquence-à-temps exige des impulsions fortement dispersées, la compression d'impulsion n'améliore pas la performance globale du système UWB et n'est donc pas nécessaire.

Au cours des dernières années, la photonique intégrée sur silicium a progressé rapidement. Les modulateurs issus de cette technologie présentent des caractéristiques potentiellement intéressantes pour les systèmes de communication à courte portée. En effet, il est prévu que ces modulateurs pourront être opérés à des vitesses de transmission élevées, tout en limitant le coût de fabrication et la consommation de puissance. Parallèlement, la modulation d’amplitude multi-niveau (PAM) est prometteuse pour ce type de systèmes. Ainsi, ce travail porte sur le développement de modulateurs de silicium pour la transmission de signaux PAM. Dans le premier chapitre, les concepts théoriques nécessaires à la conception de modulateurs de silicium sont présentés. Les modulateurs Mach-Zehnder et les modulateurs à base de réseau de Bragg sont principalement abordés. De plus, les effets électro-optiques dans le silicium, la modulation PAM, les différents types d’électrodes intégrées et la compensation des distorsions par traitement du signal sont détaillés.Dans le deuxième chapitre, un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées est présenté. La segmentation des électrodes permet la génération de signaux optiques PAM à partir de séquences binaires. Cette approche permet d’éliminer l’utilisation de convertisseur numérique-analogique en intégrant cette fonction dans le domaine optique, ce qui vise à réduire le coût du système de communication. Ce chapitre contient la description détaillée du modulateur, les résultats de caractérisation optique et de la caractérisation électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, les tests systèmes incluent l’utilisation de pré-compensation ou de post-compensation du signal sous la forme d’égalisation de la réponse en fréquence pour les formats de modulation PAM-4 et PAM-8 à différents taux binaires. Une vitesse de transmission de 30 Gb/s est démontrée dans les deux cas et ce malgré une limitation importante de la réponse en fréquence suite à l’ajout d’un assemblage des circuits radiofréquences (largeur de bande 3 dB de 8 GHz). Il s’agit de la première démonstration de modulation PAM-8 à l’aide d’un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées. Finalement, les conclusions tirées de ce travail ont mené à la conception d’un deuxième modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées présentement en phase de test, dont les performances montrent un très grand potentiel. Dans le troisième chapitre, un modulateur à réseau de Bragg à deux sauts de phase est présenté. L’utilisation de réseaux de Bragg est une approche encore peu développée pour la modulation. En effet, la réponse spectrale de ces structures peut être contrôlée précisément, une caractéristique intéressante pour la conception de modulateurs. Dans ces travaux, nous proposons l’ajout de deux sauts de phase à un réseau de Bragg uniforme pour obtenir un pic de transmission dans la bande de réflexion de celui-ci. Ainsi, il est possible d’altérer l’amplitude du pic de transmission à l’aide d’une jonction pn. Comme pour le deuxième chapitre, ce chapitre inclut la description détaillée du modulateur, les résultats des caractérisations optique et électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, la caractérisation de jonctions pn à l’aide du modulateur à réseau de Bragg est expliquée. Des vitesses de transmission PAM-4 de 60 Gb/s et OOK de 55 Gb/s sont démontrées après la compensation des distorsions des signaux. À notre connaissance, il s’agit du modulateur à réseau de Bragg le plus rapide à ce jour. De plus, pour la première fois, les performances d’un tel modulateur s’approchent de celles des modulateurs de silicium les plus rapides utilisant des microrésonateurs en anneau ou des interféromètres Mach-Zehnder. / In recent years, silicon photonics has developed quickly. Modulators coming from this technology show potentially interesting characteristics for short reach communication systems. In fact, these modulators are expected to reach high transmission speeds, while limiting the fabrication cost and the systems power consumption. At the same time, pulse amplitude modulation (PAM) is promising for this type of systems. Thus, this work focuses on the development of silicon modulators for the transmission of PAM signals. In the first chapter, the necessary theoretical concepts to silicon modulators designing are presented. Mach-Zehnder modulators and Bragg grating modulators are the main focus of this section. Moreover, the theory surrounding electro-optical effects in silicon, PAM modulation, integrated electrodes and digital signal processing is detailed. In the second chapter, a segmented Mach-Zehnder modulator is presented. The electrodes segmentation enables optical PAM signals generation using binary signaling. This approach eliminates the need for an external digital-to-analog converter by integrating this function in the optical domain, in order to try to lower the communication system cost. This chapter contains a detailed modulator description, optical and electrical characterization results and system tests. Furthermore, the system tests include the application of pre-compensation and post-compensation to the signal by equalizing its frequency response for PAM-4 and PAM-8 modulation formats at different binary rates. A transmission speed of 30 Gb/s is demonstrated in both cases, despite the limited frequency response obtained after the RF circuit packaging was added (8 GHz 3 dB bandwidth). This is the first PAM-8 modulation demonstration using a segmented Mach-Zehnder modulator. Finally, the conclusions from this work have led to a second segmented Mach-Zehnder modulator design currently under test, whose performances are showing great potential. In the third chapter, a dual phase-shift Bragg grating modulator is presented. The use of Bragg gratings for modulation is an approach still largely unexplored. Indeed, the spectral response of these structures can be precisely controlled; an interesting characteristic for modulators. In this work, we propose to add two phase-shifts to a uniform Bragg grating to create a sensitive transmission peak in its reflection band. Thus, the transmission peak amplitude can be changed with the help of a pn junction. Similarly to the second chapter, this chapter includes a detailed modulator description, optical and electrical characterization results and system tests. Additionally, the pn junction characterization using the Bragg grating modulator is explained. Transmission speed up to 60 Gb/s PAM-4 and 55 Gb/s OOK are demonstrated after the compensation of the signal distortions. To our knowledge, this is the fastest Bragg grating modulator demonstrated to the day. urthermore, for the first time, the performances of a Bragg grating modulator are approaching those of the typically faster micro-ring or Mach-Zehnder silicon modulators.

Le mandat initial de ce projet de maîtrise visait l'élaboration de procédures de microusinage de fibres optiques à l'aide d'un laser C0₂ puisé. L'efficacité d'usinage d'une fibre optique a d'abord été mise en évidence via l'étude théorique des phénomènes engendrés par l'absorption du rayonnement infrarouge. Suite à une caractérisation spatiale et temporelle du système laser, des méthodes sans contact de dégainage, de clivage et de polissage ont été mises sur pied en exploitant les propriétés uniques du rayonnement à 10,6/xm. Des fibres optiques de silice, de ZBLAN et de verre de chalcogénure ont toutes trois été soumises à ces procédures de micro-usinage. En définitive, l'étude de l'interaction entre un laser CO₂ et des réseaux de Bragg a permis de mettre en lumière quelques applications intéressantes.

Récemment, beaucoup d'efforts ont été investis afin de développer des sources laser à plusieurs longueurs d'onde accordables indépendamment. Ces lasers sont utiles aux systèmes exploitant le multiplexage en longueur d'onde pour les communications ou l'interrogation de capteurs. Ainsi, ce travail porte sur l'analyse d'un filtre optique composé de sauts de phase distribués sur un réseau de Bragg à pas variable (DPS-CFBG) pouvant être intégré dans des lasers à fibre en anneau. L'avantage de ce filtre provient du fait que les sauts de phase génèrent des pics de résonance aisément accordables ce qui permet d'ajuster les longueurs d'onde émises. Ce mémoire présente aussi des résultats expérimentaux reliés à deux applications différentes de ce type de sources. La première étape dans la modélisation du DPS-CFBG fut de mesurer avec précision le profil de température introduit dans le réseau par un fil chauffant. Par la suite, en plus de l'approche usuelle d'analyse de réseau de Bragg (méthode matricielle pour la solution des équations des modes couplés), nous avons étudié cette structure à l'aide d'approches analytiques, ce qui a permis de mettre en évidence la présence de cavités résonantes Fabry-Perot. Grâce à cette analyse, la notion de saut de phase, généralement introduite de façon intuitive dans la littérature, devient un paramètre parfaitement défini. D en va de même pour le concept de réflectivité des miroirs de cette cavité. Avec ces deux paramètres, nous sommes en mesure d'obtenir une fonction analytique approchée du spectre qui donne davantage d'informations sur la réponse spectrale du filtre en fonction des paramètres du réseau et du profil thermique. Ce mémoire démontre également l'utilisation de ce filtre pour la génération d'un signal électrique à haute fréquence. Pour ce faire, deux harmoniques d'un signal laser modulé en phase ont été sélectionnées à l'aide du DPS-CFBG. Ces deux lignes laser corrélées ont généré, par battement sur un photo-détecteur, un signal de fréquence accordable de 35 à 50 GHz. La limite en fréquence de ce générateur d'onde millimétrique accordable provient de la bande passante du photo-détecteur et la performance en bruit de phase est très proche de la limite théorique d'un multiplicateur de fréquence électronique. Nous discutons aussi de l'utilisation d'un DPS-CFBG dans une cavité laser en anneau avec un amplificateur en semi-conducteur afin de générer un signal laser multi-longueur d'onde reconfigurable avec un espacement spectral aussi faible que 25 GHz.

Les développements technologiques et scientifiques des dernières années dans le domaine des lasers à impulsions ont permis l'essor d'une toute nouvelle méthode de détection multihétérodyne utilisant deux peignes de fréquence. Un petit nombre de groupes de recherche ont commencé à étudier diverses applications possibles avec ce que l'on appelle aujourd'hui l'interféromètre à peignes de fréquence. Ce mémoire présente différentes mesures de réflectométrie prises avec un interféro-mètre à peignes de fréquence. La première moitié est consacrée à la présentation de la théorie, de l'implémentation en laboratoire de l'instrument et comment il est utilisé en réflectométrie. Par la suite, des mesures d'échantillons montrent les performances épatantes de l'interféromètre à peignes de fréquence pour caractériser des composants optiques à fibre communs dans le domaine des télécommunications. De plus, une série de mesures consécutives montre la capacité de l'instrument de prendre des mesures instantanées permettant ainsi de suivre le profil de déformation mécanique d'un échantillon à fibre dans le temps. L'instrument est par la suite adapté afin de prendre des mesures de type tomographic sur une surface étendue d'un échantillon. Le premier résultat montre la capacité de l'instrument à prendre des mesures en profondeur tandis que le second présente une image en trois dimensions de la surface d'un échantillon. Pour terminer, une brève analyse des performances et limites du montage de l'interféromètre à peignes de fréquence permet d'introduire les améliorations futures de l'instrument.

L'étude couvre un nouveau type de laser dont la longueur d'onde d'émission est synthonisable, discrète et stabilisée. Le principe de fonctionnement de ce nouveau type de laser repose sur la combinaison de la rétroaction optique provenant d'un réseau de Bragg échantillonné et des réflexions parasites de la section semi-conducteur amplificatrice. Dans un premier temps, la démonstration du laser ainsi qu'une comparaison par rapport aux autres lasers accordables est présentée. Ensuite, une théorie de la rétroaction optique basée sur la fonction d'Airy appliquée aux lasers est développée. Des expériences visant à optimiser le laser sont menées et une analyse des principaux paramètres de conception est par la suite effectuée. Enfin, le laser proposé est utilisé dans le cadre des télécommunications et du routage optique.