Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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

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Les dernières décennies ont été témoins d'une flambée sans précédent du trafic de données, nécessitant un besoin urgent de liaisons optiques ultra-rapides. Cela a donné l'impulsion aux systèmes de transmission optique à haute capacité de nouvelle génération. Dans ces systèmes, des modulateurs optiques intégrés ayant une bande passante élevée, économe énergétiquement, compacts, stables et adaptés à une intégration à grande échelle sont très demandés. La plate-forme de photonique sur silicium (SiP), bien qu'elle souffre de l'absence d'effets électro-optiques inhérents dans la silice, s'est néanmoins avéré être une solution rentable pour les transmetteurs de haute capacité puisqu'elle tire parti du processus CMOS mature. Par conséquent, un effort considérable a été consacré au développement d'appareils de haute performance sur cette plate-forme. Cette thèse se concentre sur les transmetteurs SiP pour la prochaine génération de réseaux optiques où l'espace, en tant que dernière dimension physique, est proposé pour surmonter le « manque de capacité » associé à la technologie actuelle. Pour construire de tels transmetteurs, il faut intégrer un ensemble de modulateurs optiques dans une seule puce. Ces modulateurs doivent simultanément se caractériser par un fonctionnement à grande vitesse, une faible consommation d'énergie, un encombrement réduit et une grande stabilité. Les modulateurs SiP bien connus, tels que les modulateurs à micro-anneaux (MRM) et les modulateurs Mach-Zehnder (MZM), ne répondent pas à tous les critères susmentionnés. Les MRM présentent une faible performance en termes de stabilité et les MZM sont gourmands en énergie. C'est pourquoi nous étudions des modulateurs SiP nouveaux et avancés dans deux chapitres de cette thèse. Pour la première fois, nous faisons la démonstration de modulateurs SiP basés sur la conversion de mode. Lorsqu'opérés en réflexion, les modulateurs de Bragg offrent un rendement élevé ainsi qu'un fonctionnement à grande vitesse. Cependant, les modulateurs fonctionnant en réflexion sont gênés par le manque de circulateurs sur puce. Nous abordons cette question et présentons expérimentalement un modulateur SiP basé sur des guides d'ondes asymétriques à réseau de Bragg suivis d'un coupleur directionnel asymétrique (ou jonction Y asymétrique), offrant des opérations en réflexion sans avoir besoin de circulateurs et avec de faibles pertes sur la puce. Dans notre deuxième contribution, nous faisons la démonstration du premier modulateur à lumière lente basé sur des résonateurs à réseau de Bragg couplés (BGR), un MZM assisté par des BGR couplés. Les BGR, composés de cavités à faible facteur Q en série, ralentissent les ondes optiques dans une large bande passante optique (quelques nanomètres). Cela permet au modulateur d'améliorer la modulation de phase sur une gamme de longueurs d'onde de fonctionnement relativement large, ce qui se traduit par des performances plus stables par rapport aux modulateurs à résonance unique (p. ex., les MRM). Atteignant un bon équilibre dans les indicateurs de performance, le MZM assisté par les BGR peut être reconnu comme un choix potentiel pour les futurs systèmes de multiplexage par répartition en longueur d'onde/espace (SDM/WDM). Suite à notre démonstration pionnière, nous étudions, comme troisième contribution, l'impact de l'effet de lumière lente sur la performance des modulateurs SiP, le compromis existant entre efficacité et vitesse en particulier. Lorsque l'efficacité est améliorée dans des modulateurs SiP typiques, soit en augmentant la capacité de la jonction PN (dans les MZM), soit en introduisant des structures hautement résonantes (dans les MRM), cela entraîne également une augmentation de la constante de temps RC ou de la durée de vie des photons, respectivement, et donc une diminution de la largeur de bande électro-optique (EO). Dans ce chapitre, nous proposons de remettre en question ce compromis pour les modulateurs à lumière lente et d'étudier s'ils sont capables de surpasser les modulateurs SiP typiques. À cette fin, il est nécessaire de disposer de modèles complets de la réponse EO de ces modulateurs, intégrés soit avec des électrodes en bloc, soit avec des électrodes mobiles. À l'aide de ces modèles, nous comparons les modulateurs à lumière lente avec les MZM convectifs. Nous examinons également différentes méthodes de conception pour réduire les V[indice π] des modulateurs SiP afin qu'ils puissent répondre aux exigences des pilotes COMS et des interfaces électriques pour la prochaine génération de transmetteurs SiP. Dans notre quatrième contribution, nous faisons état d'un modulateur tout silicium à lumière lente qui permet un fonctionnement à grande vitesse du PAM sans utiliser de convertisseur numérique-analogique (CNA) électrique. Les BGR sont intégrés dans chaque bras d'un MZM an de ralentir les ondes optiques, ce qui améliore la modulation de phase sur une bande passante optique relativement importante. Le signal optique PAM à 4 niveaux est généré par une conception segmentée dans des déphaseurs à lumière lente avec deux signaux de commande binaires, ce qui élimine le besoin d'un CNA à grande vitesse. Ce modulateur combine les avantages d'un encombrement ultra-compact, d'une faible consommation d'énergie, d'une large bande passante électro-optique et d'un fonctionnement stable en présence de variations de température. Les guides d'ondes à lumière lente présentent de bonnes performances avec de faibles variations de la longueur d'onde centrale et de la largeur de bande sur la plaquette. Ce modulateur devrait être singulièrement intéressant pour les applications qui nécessitent un groupe de modulateurs compacts sur une seule puce. Enfin, pour notre cinquième contribution, nous poursuivons l'objectif de développer des transmetteurs optiques SDM à haute performance adaptés aux systèmes de transmission optique à haute capacité de la prochaine génération. Nous proposons des transmetteurs optiques présentant un rendement énergétique élevé, une densité de bande passante élevée, une stabilité relativement élevée et entièrement intégrés dans la plateforme SiP (une solution rentable). Nous discutons des méthodologies de conception et des exigences de ces transmetteurs SDM qui consistent en des modulateurs à lumière lente (MZMs assistés par des BGRs) suivis d'un multiplexeur modal sur puce. Nous ciblons les systèmes à courte et longue portée en concevant respectivement des modulateurs PAM à électrodes groupées et des modulateurs IQ à électrodes à ondes progressives. Afin de multiplexer spatialement les signaux provenant des modulateurs, nous faisons la démonstration d'une conception de multiplexeurs modaux sur puce basée sur des coupleurs directionnels asymétriques. Nous mettons en cascade trois de ces coupleurs pour créer quatre canaux spatiaux (TE0, TE1, TE2 et TE3). Pour réaliser une transmission MDS complète. Cette sortie multiplexée spatialement doit être injectée dans une fibre à noyau elliptique faiblement multimode supportant les mêmes modes. / Recent decades have witnessed an unprecedented surge in data traffic, necessitating an urgent need for ultra-fast optical links. This has provided the impetus for the next-generation high-capacity optical transmission systems. In these systems, integrated optical modulators that are high-bandwidth, power efficient, compact, stable, and suited-for-large-scale-integration are highly demanded. The silicon photonics (SiP) platform, although it suffers from the lack of inherent electro-optic effects in silicon, has nevertheless offered a cost-effective solution for high-capacity transmitters leveraging the mature CMOS process. Hence, a tremendous effort has been dedicated to developing high-performance devices in this platform. This thesis focuses on SiP transmitters for the next generation of optical networks where space, as the last physical dimension, is offered to overcome the "capacity crunch" associated with the current technology. To build such transmitters, a set of optical modulators is required to be integrated into a single chip. These modulators should simultaneously feature high-speed operation, low energy consumption, compact footprint, and stability. Well-known SiP modulators, such as micro-ring modulators (MRMs) and Mach-Zehnder modulators (MZMs), do not meet all the aforementioned criteria. MRMs present a poor performance in terms of stability and MZMs are energy-hungry. Hence, we investigate novel and advanced SiP modulators in two chapters of this thesis. As our first contribution, for the first time, we demonstrate mode-conversion based SiP modulators. If operated in reflection, Bragg modulators offer high efficiency as well as high-speed operation. However, modulators operating in reflection are hindered by the lack of on-chip circulators. We address this issue and experimentally present a SiP modulator based on asymmetric Bragg grating waveguides followed by an asymmetric directional coupler (or asymmetric Y-junction), offering operation in reflection without the need for circulators and with low on-chip loss. In our second contribution, we demonstrate the first slow-light modulator based on coupled Bragg-grating resonators (BGRs), an MZM assisted by coupled BGRs. BGRs, composed of low-Q-factor cavities in series, slow down optical waves in a broad (a few nanometers) optical bandwidth. This enables the modulator to enhance phase modulation across a relatively wide operating wavelength range, resulting in more stable performance compared to single-resonance-based modulators (e.g., MRMs). Achieving a good balance in the performance indicators, the MZM assisted by BGRs can be recognized as a potential choice for future space/wavelength division multiplexing (SDM/WDM) systems. Following our pioneering demonstration, as the third contribution, we study the impact of the slow-light effect on the performance of SiP modulators, the existing trade-off between efficiency and speed in particular. When efficiency is enhanced in typical SiP modulators, either by increasing PN junction capacitance (in MZMs) or by introducing highly resonant structures (in MRMs), it also leads to increasing the RC time constant or the photon lifetime, respectively; thus, spoiling the electro-optic (EO) bandwidth. In this chapter, we aim to challenge this tradeoff in slow-light modulators and investigate whether they are capable of outperforming typical SiP modulators. To this end, comprehensive models for the EO response of these modulators integrated either with lumped electrodes or with travelling-wave electrodes are required. Using these models, we compare slow-light modulators with convectional MZMs. We also examine different design methodologies for reducing V[subscript π] of SiP modulators so that they can meet the requirements of CMOS drivers and electrical interfaces for the next generation of SiP transmitters. In our fourth contribution, we report a slow-light all-silicon modulator that enables high-speed PAM operation without using an electrical digital-to-analog converter (DAC). BGRs are integrated into each arm of a MZM in order to slow down optical waves, enhancing the phase modulation over a relatively large optical band width. Optical 4-level PAM signal is generated using a segmented design in slow-light phase shifters with two binary driving signals, eliminating the need for a high-speed DAC. This modulator combines advantages of ultra-compact footprint, low energy consumption, large electro-optic bandwidth, and stable operation in the presence of temperature variations. The slow-slight waveguides show good performance with small variances in center wavelength and bandwidth across the wafer. This modulator should be singularly interesting for applications that require a group of compact modulators on a single chip. Finally as our fifth contribution, we pursue the goal of developing high-performance optical SDM transmitters suited for next-generation high-capacity optical transmission systems. We propose optical transmitters featuring high power efficiency, high bandwidth density, relatively high stability, and fully integrated in the SiP platform (a cost-effective solution). We discuss design methodologies and requirements of these SDM transmitters which consist of slow-light modulators (MZMs assisted by BGRs) followed by an on-chip mode multiplexer. We target both short-reach and long-haul systems in designing PAM modulators with lumped electrodes and IQ modulators with travelling-wave electrodes, respectively. In order to spatially multiplex the signals coming from the modulators, we demonstrate a design of on-chip mode multiplexers based on asymmetric directional couplers. We cascade three of these couplers to create four spatial channels (TE0, TE1, TE2, and TE3). To realize a full SDM transmission, this spatially multiplexed output should be injected into a few-mode elliptical-core fiber supporting the same modes.

Les réseaux de capteurs sont formés d’un ensemble de dispositifs capables de prendre individuellement des mesures d’un environnement particulier et d’échanger de l’information afin d’obtenir une représentation de haut niveau sur les activités en cours dans la zone d’intérêt. Une telle détection distribuée, avec de nombreux appareils situés à proximité des phénomènes d’intérêt, est pertinente dans des domaines tels que la surveillance, l’agriculture, l’observation environnementale, la surveillance industrielle, etc. Nous proposons dans cette thèse plusieurs approches pour effectuer l’optimisation des opérations spatio-temporelles de ces dispositifs, en déterminant où les placer dans l’environnement et comment les contrôler au fil du temps afin de détecter les cibles mobiles d’intérêt. La première nouveauté consiste en un modèle de détection réaliste représentant la couverture d’un réseau de capteurs dans son environnement. Nous proposons pour cela un modèle 3D probabiliste de la capacité de détection d’un capteur sur ses abords. Ce modèle inègre également de l’information sur l’environnement grâce à l’évaluation de la visibilité selon le champ de vision. À partir de ce modèle de détection, l’optimisation spatiale est effectuée par la recherche du meilleur emplacement et l’orientation de chaque capteur du réseau. Pour ce faire, nous proposons un nouvel algorithme basé sur la descente du gradient qui a été favorablement comparée avec d’autres méthodes génériques d’optimisation «boites noires» sous l’aspect de la couverture du terrain, tout en étant plus efficace en terme de calculs. Une fois que les capteurs placés dans l’environnement, l’optimisation temporelle consiste à bien couvrir un groupe de cibles mobiles dans l’environnement. D’abord, on effectue la prédiction de la position future des cibles mobiles détectées par les capteurs. La prédiction se fait soit à l’aide de l’historique des autres cibles qui ont traversé le même environnement (prédiction à long terme), ou seulement en utilisant les déplacements précédents de la même cible (prédiction à court terme). Nous proposons de nouveaux algorithmes dans chaque catégorie qui performent mieux ou produits des résultats comparables par rapport aux méthodes existantes. Une fois que les futurs emplacements de cibles sont prédits, les paramètres des capteurs sont optimisés afin que les cibles soient correctement couvertes pendant un certain temps, selon les prédictions. À cet effet, nous proposons une méthode heuristique pour faire un contrôle de capteurs, qui se base sur les prévisions probabilistes de trajectoire des cibles et également sur la couverture probabiliste des capteurs des cibles. Et pour terminer, les méthodes d’optimisation spatiales et temporelles proposées ont été intégrées et appliquées avec succès, ce qui démontre une approche complète et efficace pour l’optimisation spatio-temporelle des réseaux de capteurs. / Sensor networks consist in a set of devices able to individually capture information on a given environment and to exchange information in order to obtain a higher level representation on the activities going on in the area of interest. Such a distributed sensing with many devices close to the phenomena of interest is of great interest in domains such as surveillance, agriculture, environmental monitoring, industrial monitoring, etc. We are proposing in this thesis several approaches to achieve spatiotemporal optimization of the operations of these devices, by determining where to place them in the environment and how to control them over time in order to sense the moving targets of interest. The first novelty consists in a realistic sensing model representing the coverage of a sensor network in its environment. We are proposing for that a probabilistic 3D model of sensing capacity of a sensor over its surrounding area. This model also includes information on the environment through the evaluation of line-of-sight visibility. From this sensing model, spatial optimization is conducted by searching for the best location and direction of each sensor making a network. For that purpose, we are proposing a new algorithm based on gradient descent, which has been favourably compared to other generic black box optimization methods in term of performance, while being more effective when considering processing requirements. Once the sensors are placed in the environment, the temporal optimization consists in covering well a group of moving targets in the environment. That starts by predicting the future location of the mobile targets detected by the sensors. The prediction is done either by using the history of other targets who traversed the same environment (long term prediction), or only by using the previous displacements of the same target (short term prediction). We are proposing new algorithms under each category which outperformed or produced comparable results when compared to existing methods. Once future locations of targets are predicted, the parameters of the sensors are optimized so that targets are properly covered in some future time according to the predictions. For that purpose, we are proposing a heuristics for making such sensor control, which deals with both the probabilistic targets trajectory predictions and probabilistic coverage of sensors over the targets. In the final stage, both spatial and temporal optimization method have been successfully integrated and applied, demonstrating a complete and effective pipeline for spatiotemporal optimization of sensor networks.

Le développement des télécommunications optiques à haute capacité fait des multiplexeurs en longueur d'onde un sujet brûlant des récentes recherches. Dans cette thèse, nous proposons et démontrons des réseaux sélectifs planaires ou (Arrayed Waveguide Grating, AWG) basés sur une plateforme de Nitrure de silicium (SiN) comme multiplexeur ou démultiplexeur. Dans le premier chapitre, nous comparons les guides d'onde en silicium et en nitrure de silicium et confirmons que le SiN sera considéré comme la plateforme principale de ce travail. Nous présentons des simulations des guides d'onde de SiN qui forme les AWGs, incluant les guides d'onde planaires, les guides d'onde à bande, les guides d'onde courbés et les guides d'onde fuselée utilisant FDTD solution et Mode solution d'Ansys Lumerical. L'influence des paramètres de conceptions des AWGs en SiN tels que la longueur focale, la distance séparant les guides d'onde, l'espacement entre les ouvertures adjacentes et les pertes de propagation liées à la fabrication sur les performances est aussi étudié en utilisant sur un modèle semi-analytique. Les AWGs communs sont typiquement conçus pour les modes électriques transverses (TE). Pour améliorer la capacité de transmission des réseaux WDM, dans le second chapitre, nous présentons un AWG insensible à la polarisation conçus avec des guides d'onde en SiN. L'insensibilité à la polarisation des AWGs est obtenue lorsque l'espace intercanal et la longueur d'onde centrale des deux modes sont alignés pour un même AWG. L'alignement de l'espace intercanal entre les deux états de polarisations est obtenu en optimisant la géométrie du réseau de guide d'onde, alors que l'insensibilité de la longueur d'onde centrale est obtenue en séparant les deux états de polarisations et en ajustant leur angle d'incidence à l'entrée du coupleur en étoile pour compenser la dispersion entre les modes dans l'AWG. Un multiplexeur de longueur d'onde 1 × 8 avec un espacement entre les canaux de 100 GHz et une diaphonie de −16 dB est démontré expérimentalement. Dans la conception d'un AWGs en SiN, un espacement d'une largeur supérieur à 10 µm entre des guides d'ondes identiques minimise le couplage parasite augmentant ainsi leur empreinte. Dans le troisième chapitre, nous présentons un AWG ultra-compact 1×8 ayant une séparation de 100 GHz entre les canax rendu possible grâce à des guides d'onde en super-réseaux supprimant le couplage entre les guides d'onde. Bénéficiant de la haute densité du super-réseau, cet AWG possède une empreinte compacte de 4.3mm × 0.6mm, ce qui est plus que 2 fois plus petit qu'un AWG conventionnel ayant des performances similaires à celui présenté dans le second chapitre. Le SL-AWG montre aussi une faible perte d'insertion de 3.4 dB et une faible diaphonie de −18 dB. À part le couplage entre les guides d'onde discuté dans le troisième chapitre, l'erreur de phase produite par les variations de fabrication a l'impact le plus important sur les performances de l'AWG. Il a été étudié que leurs performances sont liées à la longueur du réseau de guide d'onde déterminant l'erreur de phase. Toutefois, il existe encore un écart de quantification de l'impact de la longueur du réseau et les variations de fabrication sur les performances de l'AWG. Dans le quatrième chapitre, nous présentons une analyse statistique de l'AWG en présence d'erreurs de phase dans les guides d'onde. Des figures de mérites importantes pour la performance incluant les pertes d'insertion, la diaphonie et la non-uniformité sont paramétrées en fonction de la longueur de cohérence, un paramètre physique qui caractérise l'accumulation d'erreur de phase dans les guides d'ondes optique. Une longueur de cohérence de 23.7 mm au niveau de la matrice pour les guides d'onde de SiN peut être extraite en mesurant les variations dans la longueur d'onde de résonnance d'un interféromètre de Mach-Zhender. Au travers de simulations Monte-Carlo, nous examinons l'impact de l'erreur de phase sur les performances de l'AWG avec une espace entre les canaux de 100 GHz et 200 GHz. / The development of optical communications with high transmission capacity makes wavelength division multiplexing (WDM) systems a hot topic of recent research. In this thesis, we propose and demonstrate arrayed waveguide gratings (AWGs) based on a SiN platform as the multiplexers or demultiplexers. In the first chapter, we compare the material and waveguides between silicon and silicon nitride. We present numerical simulations of the SiN waveguides, including slab waveguides, strip waveguides, bent waveguides and tapered waveguides, using FDTD solutions and MODE solutions from Ansys Lumerical. These waveguides are used to form an AWG in this thesis. The influences of SiN AWGs designed parameters including focal length, separation of arrayed waveguides, gaps between adjacent apertures and propagation loss on the performances are studied based on a semi-analytical model. Common AWGs are typically designed in TE mode. In order to improve the transmission capacity in WDM system, in the second chapter, we present a polarization insensitive AWG built with SiN waveguides. The polarization insensitive AWGs are obtained when both the channel spacing and the center wavelength are aligned for TE and TM modes in a single AWG. The channel spacing polarization insensitivity is obtained by optimizing the geometry of the arrayed waveguides whereas the central wavelength polarization insensitivity is obtained by splitting the two polarization states and adjusting their angle of incidence at the input star coupler. A 100 GHz 1×8 AWG with crosstalk below −16 dB is demonstrated experimentally. In the design of SiN AWGs, the gaps of wider than 10 µm between adjacent identical waveguides are designed to minimize parasitic coupling. However, these gaps suppress further shrinking the footprint of AWGs. In the third chapter, we present an ultra-compact 100 GHz 1 × 8 SiN AWG enabled by a novel concept of the waveguide superlattice suppressing coupling between waveguides. Benefiting from the densely arrayed waveguides patterning with waveguide superlattice, this superlattice AWG has a compact footprint of 4.3 mm × 0.6 mm, which is more than two times smaller than a conventional AWG with similar performance. The SL-AWG also shows a low insertion loss of 3.4 dB and a low crosstalk level of −18 dB. Beside the coupling between waveguides discussed in the third chapter, the phase errors due to fabrication variations have a considerable impact on the performance of AWGs. It is shown that their performances are related to the length of arrayed waveguides determining the phase errors. However, there lacked a practical way to quantify the impact of arrayed waveguide length and fabrication variations on the performances of AWGs. In the fourth chapter, we present a statistical analysis of AWGs in presence of phase errors of arrayed waveguides. The important figures of merits including insertion loss, crosstalk and non-uniformity, are parameterized by the coherence length, a physical parameter that characterizes the accumulated phase errors in an optical waveguide. A die-level coherence length of 23.7 mm for the SiN waveguides is extracted by measuring variation of resonant wavelength of Mach-Zehnder interferometers. Through Monte Carlo simulations, we present the impacts of phase errors on performance of 1 × 4 AWGs with 200 GHz and 100 GHz channel spacings.

Les capteurs à fibre optique distribués (DFS) tirant parti des mécanismes de diffusion se produisant dans l’élément détecteur de fibre, à savoir la diffusion de Rayleigh, Raman et Brillouin, ont été un sujet de recherche intense au cours des trois dernières décennies. Ils offrent de nombreuses applications pratiques classées en raison des avantages inhérents, tels que la petite taille, le poids léger, la sensibilité élevée, les performances excellentes, la durabilité intrinsèque dans des environnements difficiles, l’immunité aux interférences électromagnétiques (EMI), etc. En particulier, le DFS basé sur le processus de diffusion stimulée de Brillouin (SBS), appelé analyse temporelle optique de domaine de Brillouin (BOTDA), présente la capacité potentielle de réaliser la télédétection sur de longues distances, typiquement des dizaines de kilomètres et des centaines de kilomètres récemment. La fibre optique servant non seulement d’élément de détection, mais également de moyen de guidage de la lumière, est capable de détecter divers paramètres physiques d’intérêt, tels que la température, les contraintes, les pressions et les champs acoustiques. Ces measurandes peuvent être détectés directement ou indirectement le long de la fibre entière. Les systèmes de pergélisol dans le Nord canadien sont fortement perturbés par les changements climatiques dus au réchauffement de la planète; le dégel du pergélisol affecte à son tour les environnements et les communautés. Afin de réaliser une surveillance en temps réel de la stabilité des infrastructures, un réseau de détection BOTDA doté d'un nouveau transducteur à fibre optique est proposé pour surveiller les modifications physiques, notamment les pressions interstitielles, la température et le déplacement dans le pergélisol. Le principal défi consiste à mesurer simultanément les pressions d’eau interstitielle positive et négative, et à faire la distinction entre ces measurandes au sein d’un même transducteur. Lors de la première tentative, un polymère d'hydrogel est utilisé pour construire le transducteur, qui peut se dilater ou se contracter du fait de l'absorption ou de la libération d'eau par le matériau afin de détecter les pressions positives et négatives dans la plage cible de -100 kPa à +100 kPa le long d'un pergélisol système. Une fibre multi-cœur (MCF) bien conçue, incorporée dans le transducteur polymère, sera développée dans le but ultime de disposer de fonctionnalités de détection simultanée de plusieurs paramètres. / Distributed optical fibre sensors (DOFS) taking advantage of the scattering mechanisms occurring within the fibre sensing element, i.e. Rayleigh, Raman and Brillouin scattering, have been an intense research subject over the last three decades. They offer widespread practical in-filed applications due to the inherent advantages possessed, such as small size, light weight, high sensitivity, excellent performance, intrinsic durability to harsh environment, immunity to electromagnetic interference (EMI), and so on. Particularly, the one based on stimulated Brillouin scattering (SBS) process, so-called Brillouin optical time-domain analysis (BOTDA), presents the potential capability to perform remote sensing over long distance, typically tens of kilometres and extended to hundreds of kilometres recently. Optical fibre acting as not only a sensing element but also as a light guidance medium is able to detect a variety of physical parameters of interest, such as temperature, strain, pressure and acoustic fields to name a few. These measurands can be sensed either by directly or indirectly along the whole fibre. Permafrost systems in Northern Canada are strongly disturbed by the climate changes due to global warming; the thawing permafrost is in turn affecting the environments and communities. In order to achieve real-time surveillance of the stability of infrastructures, a BOTDA sensing network with novel fibre transducer is proposed to monitor the physical changes including positive/negative pore water pressures, temperature and displacement along permafrost environments. The main challenge is to measure simultaneously the positive and negative pore water pressures and to discriminate among those measurands within a single transducer. As an initial attempt, a hydrogel polymer is deployed to build the transducer, which can expand or shrink due to water absorption or release by the material to detect positive and negative pressures in the target range of -100 kPa to +100 kilopascal along a permafrost system. A well-designed multi-core fibre (MCF) incorporated into the polymer trans