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.

Dans un contexte économique florissant, le développement des lasers à fibre de haute puissance permet de rendre cette technologie accessible et utile dans plusieurs domaines. Les manufacturiers de lasers doivent sans cesse trouver des méthodes pour améliorer les performances, la fiabilité et la productivité de leurs systèmes afin d’occuper une part importante du marché. L’inscription de réseaux de Bragg fibrés (FBG) dans un segment ininterrompu de fibre de gain permet de faire une cavité laser sans épissure, rendant une telle cavité plus robuste, plus rapide à réaliser et lui conférant une efficacité laser supérieure. Les expériences effectuées ont permis de démontrer qu’il est possible d’inscrire des FBG dans une fibre dopée à l’ytterbium d’une réflectivité assez grande et de pertes par échauffement suffisamment faibles pour assembler une cavité laser émettant une puissance de 538 W avec une efficacité de 77%, la puissance maximale étant limitée par la puissance de pompe disponible. Malgré tout, on trouve par extrapolation que les FBG peuvent avoir un échauffement assez faible pour supporter une émission laser de 1030 W. Par ailleurs, les différentes cavités lasers réalisées ont montré qu’il est difficile de faire une cavité sans épissure en fibre de haute luminosité puisque le filtrage modal par injection ne peut être utilisé. Toutefois, il est possible de faire une cavité laser monomode avec une fibre à large aire modale et le pompage en contra-propagation permet d’atteindre une efficacité laser très élevée de 77% (78% à basse puissance). Les simulations numériques ont permis de comprendre que la distribution de puissance dans la cavité laser génère un échauffement inégal des FBG, rendant nécessaire de prendre des considérations supplémentaires pour éviter le décalage spectral entre les FBG. Néanmoins, le projet a su montrer qu’il est envisageable de commercialiser un laser sans épissure émettant 1 kW dans un avenir rapproché et que la technologie en place permettrait une telle réalisation. / In a rapidly growing market, high power fiber laser development is key in making this technology available to a large number of industries. Laser manufacturers must constantly develop new methods to upgrade lasers performances and reliability if they want to keep a significant market share. Fiber Bragg gratings (FBG) inscription in a continuous doped fiber segment allows the possibility for a splice less laser cavity, such a laser cavity being more reliable, fasterto build and granting higher laser efficiencies.The experiments demonstrated the feasibility of FBG inscription in an ytterbium doped fiber with a sufficient reflectivity and low enough heating losses to withstand an emission power of 538 W with 77% laser efficiency, the maximum power being currently limited by the available pump power. By extrapolating the data, it is found that the gratings have a low enough heating slope to support a laser emission of 1030 W. The different laser cavities assembled showed that it is very difficult to make a splice less single mode laser cavity in a high brightness fiber, because the injection mode filtering technique cannot be used. However, it has been shown that by using a large mode area fiber (LMA), a splice less single mode laser cavity can be made and that counter-pumping yields the best efficiency. Numerical simulations allowed us to understand that the power distribution inside of the laser creates an uneven heating between the FBG, making extra considerations mandatory to avoid spectral shift between the gratings. The project has shown that it is conceivable to commercialise a splice less laser emitting 1 kW in a near future and that the current available technology would allow such a realisation.

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.

Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Afin de rendre les télécommunications optiques disponibles au plus grand nombre, le rapport coût/fonctions entrainé par la production de composants photoniques doit être fortement réduit. Or, un procédé permet de repousser les limites des dispositifs classiques basés sur un seul matériau. Il s'agit de l'intégration hybride. Cette technique fait intervenir deux échantillons ou plus pour optimiser les composants. C'est pourquoi ce projet de maîtrise s'est concentré sur le développement de nouvelles technologies de fabrication pouvant appuyer l'hybridation. En fait, ce document aborde le sujet à partir des trois directions suivantes: Direction 1: Collage moléculaire basse température à base de titane oxydé par plasma. Dans ce premier cas, le but est d'obtenir des collages moléculaires dont la forte adhésion permet de faire de l'intégration hybride en dessous de 300 [degrés Celsius]. Pour y arriver, une couche intermédiaire de titane oxydé par plasma est utilisée. Cela rend possible le collage d'échantillons de petites tailles, de matériaux différents et possédants des microstructures. Direction 2: Intégration de réseaux de Bragg verticaux dans des circuits planaires optiques. Dans ce second cas, le but est d'intégrer des réseaux de Bragg verticaux sur des branches de jonctions"Y" grâce à une lithographie mixte (photolithographie et électrolithographie combinés). Cela rend possible l'étude de dispositifs non disponibles commercialement. Direction 3: Coupleur SU-8/Silicium à faibles pertes. Dans ce dernier cas, le but est de faire le prototypage rapide de coupleurs dont les simulations prédisent une grande efficacité de couplages (>75%). Ces composants tirent profit de la plateforme silicium-sur-isolant (SOI ) et d'une photorésine, la SU-8. Cela rend possible la fabrication et le test de la première génération de ces coupleurs. L'ensemble de ces travaux ouvre la voie à des projets de microfabrication de dispositifs photoniques hybride complets et fonctionnels à l'Université de Sherbrooke.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre des systèmes d'accès optiques haut débit où la bande passante de la fibre est partagée entre plusieurs utilisateurs. Principalement, nous considérons les sytèmes de comunication à accès multiple par répartition de codes optique (OCDMA: Optical Code Division Multiple Access). Cependant, ces systemes ont pour inconvénients d'être limitée en termes de capacité de multiplexage et de subir des interférences dues aux utilisateurs non désirés. Afin d'augmenter le nombre d'utilisateurs de ces systèmes, nous proposons deux architectures systèmes OCDMA. La première est une architecture système hybride WDM/OCDMA à encodage temporel integrant une source large bande découpée spectralment afin de multiplier le nombre d'utilisateurs multiplexés OCDMA par le nombre de canaux WDM générés. La seconde est une architecture système OCDMA à encodage spectral en phase qui permet d'implémenter des codes bipolaires. De même, nous avons réduit les interférences d'accès multiple (MAI : Multiple Access Interference) rencontrées dans ces systèmes OCDMA du fait des utilisateurs interférents, en utilisant un absorbant saturable après décodage des données de l'utilisateur désiré. Dans le cadre du projet ANR SUPERCODE, nous avons étudié la génération d'une source continuum optique et l'implémentation d'un absorbant saturable, basées sur l'exploitation d'effets d'optique non-linéaire dans des fibres spéciales ; conçu et implémenté des codeurs et décodeurs tout-optique via des réseaux de Bragg photo-inscrits dans des fibres optiques; puis réalisé l'intégration système des architectures proposées, ainsi que l'étude et l'evaluation des performances obtenues.

Le cadre général de cette thèse est l'étude de nouvelles sources laser de forte luminance pour le pompage des amplificateurs, à fibre dopée erbium (EDFA), en particulier dans le domaine des télécommunications. Actuellement, les EDFA sont pompés par des diodes laser monomodes spatiales émettant à 980 nm une puissance maximale continue d'environ 300 mW sur une surface émettrice de 1 mM par 3 mM. Les diodes laser de plus forte puissance ont une surface émettrice plus large, typiquement 1 mM sur 100 à 200 mM. Il en résulte une dégradation de la qualité spatiale du faisceau dans le plan parallèle à la fonction de la diode. Dans cette direction, le faisceau est 10 à 20 fois limité par la diffraction, ce qui est un problème pour les applications qui nécessitent une forte densité de puissance sur une petite surface (comme par exemple le pompage des EDFA ou le pompage longitudinal des lasers solides). L'enjeu est de disposer d'une source laser monomode spatiale délivrant une puissance continue de l'ordre du watt à 980 nm. Lors de cette thèse, nous avons étudié deux voies. La première solution consiste à améliorer la qualité spatiale d'un faisceau de diode laser en effectuant un filtrage angulaire du faisceau. La technique utilisée est la mise en cavité externe d'une diode laser de puissance. Le filtrage angulaire est réalisé par un réseau de Bragg que nous avons conçu. La seconde solution pour obtenir une émission vers 980 nm dans un faisceau monomode spatial est d'utiliser le faisceau fortement multimode d'une diode laser de puissance pour pomper un cristal massif. Les cristaux dopés avec des ions ytterbium sont intéressants car ils peuvent présenter une raie d'émission vers 980 nm. Le problème est qu'il s'agit alors d'une vraie transition laser à 3 niveaux. Nous avons montré que par un bon choix de la matrice d'accueil et des conditions de pompage, il est possible de réaliser un laser efficace émettant vers 980 nm en pompage continu.