Ces trois années de thèse balayent la conception, la fabrication et la caractérisation de lasers III V sur silicium à 1.31 µm pour les data-communications. Le design des sources englobe notamment l’optimisation du couplage entre l’empilement III V et le silicium, effectué grâce à un taper adiabatique, ainsi que l’étude de la cavité laser inscrite, comme le taper, dans le silicium. Trois types de cavités à base de réseaux ont été étudiées: les cavités à contre-réaction distribuée (DFB pour distributed feedback), celles à réseaux de Bragg distribuées (DBR pour distributed Bragg reflector) et enfin celles à réseaux de Bragg échantillonnées (SGDBR pour sampled-grating DBR). Deux solutions ont été abordées concernant les lasers DFB: le réseau, inscrit dans le guide silicium sous la zone de gain, est soit gravé au-dessus du guide Si, soit sur les côtés. La seconde possibilité, appelée ‘DFB lasers couplés latéralement’, simplifie la fabrication et élargit les possibilités de design.Les lasers DFB fabriqués sont très prometteurs en terme de puissance (avec jusque 20 mW dans le guide) ainsi que pour leur pureté spectrale (avec une différence de plus de 50 dB entre le mode principal et le mode suivant). Une accordabilité spectrale de plus de 27 nm a été obtenue en continu avec les lasers SGDBR tout en conservant une très bonne pureté spectrale et une puissance de plus de 7 mW dans le guide. / This 3 years work covers the design, the process and the characterization of III-V on silicon lasers at 1.31 µm for datacommunication applications. In particular, the design part includes the optimization of the coupling between III V and Si using adiabatic tapers as well as the laser cavity, which is formed within the Si. Three types of lasers were studied, all of them based on cavities which consist of gratings: distributed feedback (DFB) lasers, distributed Bragg reflector (DBR) lasers and finally sampled-grating DBR (SGDBR) lasers. Regarding the DFB lasers, two solutions have been chosen: the grating is either etched on top or on the edges of the Si waveguide to form so called vertically or laterally coupled DFB lasers. The latter type, quite uncommon among hybrid III V on Si technologies, simplifies the process fabrication and broadens the designs possibilities.Not only the lasers demonstrated show high output powers (~20 mW in the waveguides) but also very good spectral purities (with a side mode suppression ratio higher than 50 dB), especially for the DFB ones. The SGDBR devices turn out to be continuously tunable over a wavelength range higher than 27 nm with a good spectral purity as well and an output power higher than 7 mW in the waveguide with great opportunities of improvement.

L'industrie nucléaire montre un intérêt croissant pour les technologies basées sur les fibres optiques pour la transmission des données et comme capteurs. Les fibres optiques offrent plusieurs avantages et les capteurs utilisant cette technologie n'ont pas besoin d'alimentation électrique au point de détection, ils ont une réponse rapide et peuvent être facilement multiplexés : dans le cas d'un capteur de température plusieurs thermocouples peuvent être substituées par une seule fibre, diminuant les déchets. Les réacteurs à fission nucléaire constituent un des environnements les plus agressifs : la dose de rayonnement gamma est de l'ordre du GGy avec une forte fluence de neutrons et une température de fonctionnement supérieure à 300°C pour les réacteurs actuels, connus comme de génération III. Ce travail a été réalisé en collaboration avec la société AREVA, industriel français actif dans le domaine de l'énergie, dans le but de réaliser un capteur de température résistant à l'environnement d'un réacteur nucléaire de génération IV, réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium liquide. La technologie actuellement utilisée, les thermocouples, présente une dérive de la mesure due au rayonnement et un temps de réponse d'une seconde. Afin de supprimer la dérive, de réduire le temps de réponse et d'augmenter la précision, un capteur de température à réseau de Bragg a été choisi. Pour comprendre le comportement d'un tel système dans un environnement difficile, nous avons utilisé une approche expérimentale basée sur des techniques complémentaires comme l'atténuation induite par le rayonnement, photoluminescence, résonance paramagnétique électronique et spectroscopie Raman / The nuclear industry shows an increasing interest in the fiber optic technology for both data communication and sensing applications in nuclear plants. The optical fibers offer several advantages and the sensors based on this technology do not need any electrical power at the sensing point, they have a quick response and they can be easily multiplexed: in the case of a temperature sensor, several thermocouples can be substituted by a single fiber, resulting in a decrease of the waste material. The fission reactors are a very harsh environment: it is characterized by the highest dose of gamma-rays, of the order of magnitude of GGy, besides a high flux of neutrons and high operating temperature (300°C for the current reactors, known as generation III). This work has been carried out in collaboration with AREVA, a French industrial conglomerate active in the energy domain, with the aim of realizing a temperature sensor resistant to the environment of nuclear reactor of generation IV, in particular a Sodium-cooled Fast Reactor. The currently used technology, the thermocouples, presents a drift of the measurement due to irradiation, that needs a calibration, and a long response time on the order of seconds. In order to remove the drift, to reduce the response time and to increase the precision, a Fiber Bragg Grating temperature sensor was chosen, in regard to all the advantages of the optical fibers. To understand the behavior of such system in a harsh environment, as the nuclear reactor core, we used an experimental approach based on complementary techniques such as radiation-induced attenuation, photoluminescence, electron paramagnetic resonance and Raman spectroscopies

La distribution par fibre optique de signaux de type « ultra-wideband (UWB)» requiert le développement de nouvelles technologies photoniques qui seront le sujet d'étude de cette thèse. Nous commençons avec un démonstration expérimentale d'une technique de sculpture d'impulsions qui offre une solution économique et à faible consommation de puissance pour les systèmes UWB . Dans cette étude, nous procédons à l'apodisation de deux réseaux Bragg identiques avec une variation de période linéaire qui sont placés aux deux entrées d'un photodétecteur balancé. L'apodisation est réalisée par l'application d'un profile de température à l'aide d'éléments résistif de petite dimensions, ce qui permet une consommation énergétique réduite et une bonne résolution spectrale. Le filtrage spectral d'une source laser puisée suivi d'une conversion fréquence-temps par propagation dans une fibre optique standard permet de générer une impulsion UWB efficace d'un point de vue énergétique pour les communications à courte portée dans la bande spectrale de 3 a 10 GHz. Dans un deuxième temps, pour générer des signaux passe-bande à haute fréquence, nous avons utilisé un laser puisé à commutation de gain. Après la conversion optique/électrique des impulsions en utilisant des filtres optiques et RF appropriés, nous réussissons à générer des signaux large bande dans des bandes spectrales ayant des fréquences centrales de 25, 35 et 45 GHz. Nous examinons diverses configurations de filtres permettant cette conversion selon qu'il y ait ou non transmission dans une fibre optique. Finalement, nous démontrons la détection de signaux RF dans le domaine optique par le design et la fabrication de filtres adaptés. Notre récepteur utilise un modulateur de Mach-Zehnder pour faire la conversion électrique-optique et des filtres à base de réseau de Bragg comme filtres adaptés. Nous examinons la performance du récepteur pour deux conditions de polarisation différentes du Mach-Zehnder. Nous avons conçu des filtres adaptés pour ces deux cas et nous discutons de la performance résultant.

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Dans la littérature, les réseaux de Bragg intégrés sur silicium sont relativement simples par rapport à leurs contreparties fibrées. Cependant, la fabrication de réseaux plus élaborés permettrait d’améliorer la capacité de traitement du signal des circuits sur silicium. Cette thèse s’attarde donc aux difficultés encourues lors de la conception, de la fabrication et de la caractérisation de réseaux de Bragg sur silicium ayant une réponse spectrale élaborée. Tout d'abord, afin de caractériser la réponse spectrale complexe des réseaux, l’utilisation de filtrage temporel est proposée afin de supprimer les réflexions parasites. Cela a permis d’utiliser des algorithmes de reconstruction fournissant une caractérisation complète de ces structures. De plus, l’ajout d’un filtrage des hautes fréquences spatiales a permis de réduire considérablement le bruit des mesures. Par la suite, les principales sources de distorsions de la réponse spectrale des réseaux ont été identifiées, soit la rugosité des guides et la variation de leur épaisseur. L’impact de ces phénomènes a été étudié numériquement et analytiquement et, pour la première fois, la longueur de corrélation de ces sources de bruit a été caractérisée expérimentalement sur une longueur suffisante. Finalement, deux techniques permettant de diminuer l’impact de ces phénomènes ont été proposées, ce qui a permis de fabriquer les réseaux de Bragg sur silicium ayant la plus petite largeur de bande publiée à ce jour. Également, nous avons fait les premières démonstrations d’apodisation de réseaux de Bragg utilisant uniquement la phase de ces derniers (c.-à-d. apodisation en phase et par superposition). Contrairement aux techniques déjà proposées, ces dernières ont l'avantage de ne pas introduire de distorsions de l'indice effectif, ils sont plus robuste aux erreurs de fabrication et sont compatibles avec l’apodisation de réseaux à corrugations de très petites amplitudes. Finalement, afin d'augmenter la longueur des réseaux tout en gardant leur dimension compatible avec la taille des puces de silicium, les réseaux ont été courbés en forme de spirale compacte. Pour ce faire, la période des réseaux a été modifiée afin de compenser l'effet de la courbure sur l'indice effectif. Ainsi, nous avons démontré que des réseaux de 2 mm de long pouvaient être intégrés sur une surface de 200 µm x 190 µm sans ajout de dégradation spectrale et, surtout, sans restriction sur la structure du design. Ces résultats sont significatifs, car un contrôle précis de la phase et de l’amplitude des réseaux combinés avec la capacité de fabriquer de réseaux longs sont nécessaire afin de réaliser des filtres optiques intégrés avec des réponses spectrales élaborées. Ainsi, le travail présenté dans cette thèse ouvre la porte à de nouveaux designs à base de réseaux de Bragg. / In the literature, integrated Bragg gratings in Silicon-on-Insulator are relatively simple compared to their fibre Bragg grating counterpart. However, elaborate gratings could improve the signal processing capability of the silicon platform. Thus, this thesis addresses the issues that prevent the design, the fabrication and the characterization of Bragg gratings having elaborate spectral response in the silicon platform. Firstly, in order to precisely characterize Bragg gratings complex spectral response, we proposed to suppress parasitic reflections using temporal filtering. The results obtained with measurement technique, when used with an integral layer peeling algorithm, allowed us to retrieve the amplitude and phase profiles of the grating thus providing a complete characterization of the structure. Moreover, the addition of a low-pass spatial filter allowed improving the characterization process by reducing the measurement noise. Secondly, the main sources of distortion of Bragg gratings spectral response have been identified to be the sidewall roughness and the wafer height fluctuation. An exhaustive study of the impact of these phenomena has been done both numerically and analytically. Furthermore, for the first time, the autocorrelation of these noise sources has been characterized experimentally on a sufficient length. Finally, improvements in the waveguide designs have reduced significantly these effects which allowed the fabrication of Bragg gratings in silicon with the smallest bandwidth published to date. Thirdly, the first demonstration of apodized Bragg gratings using only phase modulation of the structure has been done (i.e. phase apodisation and superposition apodisation). Unlike already published techniques, the later ones have the advantage to be robust to deep-UV lithography and fabrication errors. Furthermore, they do no introduce distortions into the grating phase profile and they are compatible with gratings having small recesses. Finally, in order to increase the grating length while keeping their dimension compatible with the silicon chip size, we proposed to bend them in a compact spiral shape. To do this properly, the curvature impact on the effective index has been modeled and compensated successfully by modifying the grating period. Thus, we have shown that 2 mm long gratings can be integrated on a surface of 200 µm x 190 µm without the addition of spectral degradation and without restrictions on the design structure. These results are of importance because longer grating structures with weaker coupling coefficients and a precise control both on its phase and amplitude are required in order to achieve integrated optical filters with elaborate spectral responses. Thus, we believe that the work presented in this thesis open the door to many new grating-based optical filter designs compatible with integrated optics technologies.

Ce mémoire présente une nouvelle méthode permettant de caractériser la phase spectrale d'impulsions courtes se propageant dans de la fibre optique. L'information sur la phase des impulsions est extraite de l'analyse du signal temporel généré par l'interférence entre deux bandes spectrales sélectionnées par un réseau de Bragg. L'accord du réseau de Bragg, par l'application d'une contrainte sur la fibre optique, permet de déterminer la phase relative de toutes les composantes spectrales. Afin d'obtenir une bonne résolution spectrale, le réseau de Bragg est constitué d'une structure de type Fabry-Perot distribué qui transmet deux bandes spectrales distinctes selon la polarisation du signal indicent. Nous traitons le cas d'une modulation en amplitude périodique du signal analysé, avec une validation expérimentale, et nous menons des simulations pour une modulation en amplitude pseudoaléatoire. Nous discutons des limites de cette méthode de caractérisation et nous mettons en évidence l'importance de bien contrôler la polarisation du signal incident. Finalement, nous expliquons pourquoi cette méthode ne s'applique pas à une modulation en amplitude pseudo-aléatoire.

Les réseaux de Bragg occupent une place importante dans le secteur des composants optiques fibrés. En effet, ils permettent de filtrer et contrôler la lumière qui voyage à travers les réseaux de télécommunication. Ils réalisent cette tâche en réfléchissant une partie du signal autour d’une longueur d’onde appelée longueur d’onde de Bragg. Traditionnellement, leur fabrication se fait par irradiation d’une fibre de silice à un faisceau laser UV. Dans ce cas, l’écriture est limitée à la silice en raison des mécanismes de photosensibilité propre à la matrice de ce verre et qui sont malheureusment nécessaires à l’inscription des réseaux. Dans certains cas, ceci peut être problématique. En effet, pour le développement de sources lasers tout-fibres, une application technologique d’importance, il est d’usage que la cavité soit basée sur une fibre à composition exotique qui ne possèdent pas nécessairement les mêmes mécanismes de photosensibilité que la silice. Le développement récent de sources lasers ultrarapides et ultraintenses présente une solution à ce problème. En effet, en utilisant des impulsions femtosecondes, il est maintenant possible de prendre avantage d’une multitude d’effets non linéaires, qui eux sont universels, afin de générer la photosensibilité souhaitée. À ce jour, la plupart des travaux se sont réalisés grâce à des impulsions de 800 nmen longueur d’onde. Or, il s’avère qu’utiliser une longueur d’onde plus courte comporte certains avantages. Premièrement, ceci permet l’accès à des longueurs d’onde Bragg plus faibles. Ceci pourrait être utile dans le développement de sources lasers émettant dans le visible. Par ailleurs, des impulsions à plus haute énergie génèrent davantage d’effets nonlinéaires ce qui, théoriquement, se traduit pas une plus grande photosensibilité du milieu. Pour ces raisons, une longueur d’onde d’inscription de 400 nm a été choisie pour la réalisation de ces travaux. Par ailleurs, la technique d’écriture par balayage d’un masque de phase a été utilisée pour fabriquer les réseaux. Cette technique, qui n’avait jamais encore été étudiée pour l’écriture femtoseconde à 400 nm, est basée sur l’interférence des deux premiers ordres de diffraction d’un masque de phase. De plus, il est possible de balayer la fibre de façon longitudinale et transversale grâce à une platine de translation et un actuateur piézoélectrique de manière à maximiser la réflectivité du réseau et contrôler ses caractéristiques spectrales. Grâce à ce montage, l’écriture à 1 [mu]m dans une fibre de silice a été optimisée. Dans les conditions de focalisation de notre expérience, il faut, pour d’obtenir un taux d’écriture maximal, que la distance fibre-masque soit entre 1,7 nm et 3 mm, que l’énergie des impulsions soit entre 250 et 400 [mu]J et que la vitesse de déplacement de la platine soit la plus faible possible (v = 1 mm/min est généralement utilisée). Par ailleurs, nous avons montré que le recuit thermique de réseaux inscrits dans de la fibre de silice non photosensibilisée, hydrogénée et deutérisée résorbent leurs pertes sans pour autant sacrifier leurs performances. Le profil des filaments a également été caractérisé grâce à des mesures de réfractométrie en champ proche. Sans balayage transversal, nous avons constaté que les filaments traversant la fibre était en régime unique. Dans le cas avec balayage à une fréquence de 20 Hz, nous avons montré que la zone de changement d’indice, bien qu’étendue, était non uniforme. Des simulations numériques et des mesures de tensions aux bornes de l’actuateur piézoélectrique, nous a montré que pour assurer l’uniformité, il fallait respecter un rapport fréquence piézoélectrique sur vitesse de déplacement de la platine ne dépassant pas 0,01 avec une fréquence piézoélectrique ne dépassant pas 1 Hz. Finalement, l’uniformité est aussi affecter par l’amplitude de balayage transversale par rapport au rayon de la fibre en raison de l’effet de la courbure de la fibre. Pour éviter une déformation trop importante, il est de mise que ce rapport soit en deçà de 0,1. Un autre aspect des travaux à porter sur l’écriture de réseaux à pas courts pour le visible. En utilisant un masque de phase uniforme de pas [lambda] = 655 nm, il a été possible d’inscrire un réseau de deuxième ordre à 480 nm. Les pertes importantes causées par la présence de nombreuses bandes d’absorption associées aux centres de couleurs ont été résorbées à un niveau de 8,8 %. Finalement, des contributions aux projets respectifs de mes collègues Vincent Fortin et Jérôme Leclerc-Perron soit le développement d’un laser Raman dans le verre fluoré et celui d’un laser pulsé tout-fibre pour l’infrarouge ont été faites en inscrivant des réseaux pour leur cavité laser.

Le mélange de deux faisceaux laser sur un photo-détecteur permet de générer un signal radiofréquence jusqu'au THz. Par corrélation des deux sources optiques, le signal obtenu peut acquérir la pureté spectrale requise pour les réseaux de communications radio sur fibre. Notre travail porte sur la méthode de corrélation par accrochage optique sur un peigne de fréquences. L'injection optique permet de transférer le bruit de phase d'un laser maître, pris comme référence, à un laser esclave. En utilisant deux harmoniques d'un laser modulé en fréquence comme sources distinctes d'injection, les bruits de phase des deux lasers esclaves sont corrélés et la différence de fréquences est multiple de la fréquence primaire. Nous avons réalisé une étude théorique générale de l'injection dans les lasers semi-conducteur à cavité complexe, en particulier les lasers DFB, en mettant notamment en évidence l'asymétrie géométrique du bruit. Nous avons relié théoriquement le degré de corrélation entre les deux lasers aux paramètres d'injection et au bruit de phase. L'expression a été confirmée par des mesures sur le contraste de franges d'interférences et le spectre du photo-courant hétérodyne. Ces battements temporels ont été mis en regard avec l'optique de Fourier et le speckle. Nous avons étudié la pureté spectrale du battement et établi les limites fondamentales de cette technique en fonction de la qualité de l'oscillateur primaire, des propriétés spectrales des lasers, des paramètres d'injection et de transport sur fibre. Les mesures de bruit de phase sur le signal généré expérimentalement, pour différentes conditions d'injection, sont en très bon accord avec les expressions analytiques.

Améliorer la sécurité routière passe par une meilleure compréhension des causes d'accidents. Il est nécessaire de développer des observatoires discrets pour étudier la manière de conduire de tous les automobilistes. Une partie de cette analyse implique l'utilisation de capteurs mesurant les trajectoires des véhicules sur une portion de route. Deux capteurs innovants ont été crées pour pallier au manque de capteurs suffisamment précis : le premier est un capteur à fibres optiques présentant une succession de réseaux de Bragg et le second, protégé par un brevet, est fondé sur une technologie résistive. Ils ont été soumis à une expérimentation sur une route départementale. Le capteur optique s'avère performant mais coûteux. Le deuxième n'est pas assez robuste mais présente des perspectives intéressantes.

La demande en constante progression de sources laser compactes et efficaces conduit à rechercher des architectures nouvelles pour accroître la puissance des diodes laser. La solution la plus prometteuse consiste à utiliser plusieurs lasers identiques de puissance modérée en parallèle. Pour conserver la qualité spatiale du faisceau, il est nécessaire d'induire une relation de phase constante entre les lasers. Nous présentons une étude théorique et expérimentale de la mise en phase passive d'une barrette de diodes laser de puissance. Pour cela, nous exploitons les propriétés de filtrage angulaire et spectral des réseaux de Bragg volumiques dans une cavité externe. Deux solutions ont été étudiées : la première exploite l'effet d'auto-imagerie Talbot et la seconde effectue un filtrage sélectif des composantes angulaires de l'émission de la barrette. Un modèle théorique permettant de déterminer le comportement modal de chacune de ces cavités a été réalisé. Dans le cas de la cavité Talbot, en collaboration avec l'Université de Nottingham, la cavité a également été modélisée en prenant en compte les propriétés internes des diodes laser. Expérimentalement, plusieurs architectures adaptées à des géométries de barrettes différentes ont été étudiées, qui ont toutes donné lieu à une émission cohérente. Nous montrons que l'utilisation d'un réseau de Bragg volumique intra-cavité permet à la fois d'améliorer la cohérence entre les lasers et de stabiliser le spectre d'émission. Enfin, nous présentons une solution originale utilisant des filtres de phase permettant de convertir le faisceau cohérent multilobe provenant de la cavité laser en un faisceau de profil gaussien.