Le travail de thèse porte sur une étude d'impact de différentes structures SOA sur la transmission optique de signaux OFDM modulés en intensité et reçus en détection directe (IMDD-OOFDM), dans le cadre des réseaux d'accès de nouvelle génération (σGPτσ). Dans la première partie du travail, nous avons d’abord validé expérimentalement la modélisation d’un RSτA sur une large plage d’utilisation. Ce modèle a ensuite été implémenté dans le cadre d'une plate-forme de co-simulation pour les systèmes de transmission IMDD-OOFDM et pour la conversion en longueur d'onde de signaux OOFDM avec une validation expérimentale. Une analyse approfondie des performances de transmission a été ensuite menée en termes de puissance optique et de longueur d’onde injectées, de longueur de fibre, de l’émission spontanée amplifiée (ASE), de la bande passante électrique et des non-linéarités du RSτA. Nous avons notamment montré théoriquement qu’une capacité minimale de transmission de 8,9 Gb/s sur 100 km pouvait être atteinte sur une plage de 100 nm avec le RSOA utilisé et avec l’aide d’une modulation adaptative (AMττFDM). Nous avons également démontré expérimentalement, pour la première fois à notre connaissance, la conversion de longueur d'onde de signaux optiques OOFDM-16QAM sur une plage de 70 nm en utilisant l'effet XGM du RSOA. Dans la seconde partie, nous avons développé la modélisation de plusieurs structures de SOA : un SOA à îlots quantiques (QD SOA), un SOA bi-électrodes et deux SOA cascadés en configuration contra-propagative. Nous avons étudiés leurs performances en transmission à l’aide de la modulation AMττFDM. Nous avons montré que ces structures présentent une capacité de transmission allant jusqu’à 30 Gb/s avec des distances de transmission jusqu'à 60 km. Nous avons montré également que le QD-SOA présente de meilleures performances en termes de capacité de transmission pour des distances allant jusqu'à 140 km en comparaison avec les deux autres configurations. / The thesis work deals with study of different SOA structures impact on the transmission of intensity modulation and direct detection OFDM signals in the context of the next generation access networks. In the first part of the work, we have experimentally validated a comprehensive wideband RSOA field model. It was the nused as part of a co-simulation platform for IMDD-OOFDM and OOFDM wavelength conversion transmission systems. Thanks to this co-simulation platform that presents good agreement with the measurement, and our experimental setup, we analyze the transmission performance in terms of optical input power, fiber length, ASEnoise, electrical bandwidth and RSOA nonlinearities. We showed by simulation that an AMOOFDM signal transmission over a 100 nm wavelength range with a minimum transmission capacity of 8.9 Gb/s for fiber lengths up to 100 km can be reached. Finally, we experimentally demonstrated, for the first time to the best of our knowledge, the feasibility of performing wave length conversion over 70 nm of OOFDM-16QAM optical signals using the XGM effect in an RSOA. In the second part of this work we develop a simplified quantum dot –SOA and two electrode SOAintensity modulator models and study their effect on a numerical OFDM IMDD transmission system, we also study a two cascaded SOA in a counter propagating configuration as an intensity modulator. We find that for the three configurations we can achieve a high transmission capacity of around 30 Gb/s for transmission distances up to 60 Km, we also find that the QD-SOA will have the best performance in terms of transmission capacity for distances up to 140 Km in comparison with the two other SOA configurations.

Le futur système de transmission multicanaux (WDM) pourrait mettre à profit l'utilisation d'amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA), pour bénéficier notamment de leur grande bande passante optique pour l'amplification du signal. Dans ce travail, nous étudions l’influence des SOA sur la transmission cohérente de signaux OFDM optiques (CO OFDM). Cette technique, récemment proposée, permet à la fois d’augmenter l'efficacité spectrale de la transmission et de compenser les imperfections linéaires du canal optique. Nous avons développé, dans ce travail, une chaîne expérimentale de transmission de signaux à formats de modulation complexes tout-optiques et une plateforme de simulation au niveau système. Les résultats obtenus par simulation, au niveau composant et au niveau système, sont en très bon accord avec ceux obtenus par les mesures expérimentales à la fois pour des formats de modulation QPSK et QPSK CO-OFDM. À travers différentes mesures et simulations, l’étude a permis de cerner clairement l’influence des paramètres du SOA sur la qualité de transmission des données. Les non-linéarités induites par le SOA, telles que le couplage phase amplitude, l’auto modulation du gain et de la phase (SGM et SPM), la modulation croisée du gain et de la phase (XGM et XPM) et le mélange à quatre ondes (FWM), jouent de façon importante sur les performances de ce format de modulation multi-porteuses ; leur influence a donc été analysée avec précision. Les connaissances acquises permettront à l’avenir d’une part de mieux définir les conditions d’utilisation des SOA dans les réseaux de transmission et d’autre part aideront à l’optimisation de nouvelles structures de SOA conçues pour la transmission de données à très haut débit utilisant des formats de modulation complexes. / Future wavelength division multiplexing (WDM) systems might take advantage from the use of semiconductor optical amplifiers (SOA), especially to benefit from their large optical bandwidth for signal amplification. In this work, we study the influence of SOAs on the coherent optical-OFDM (CO OFDM) transmission system. This recently proposed technique allows both to increase the spectral efficiency of the transmission and to compensate the linear imperfections of the optical channel. In this work, we have developed an experimental setup for signal transmission operating with advanced optical modulation formats and a system level simulation platform. Simulation results, both at the component level and at the system level, are in very good agreement with those obtained from experimental measurements in the case of both QPSK and QPSK CO-OFDM signals. The study has clearly identified, through various measurements and simulations, the influence of SOA parameters on the quality of data transmission. Nonlinearities induced by the SOA, such as phase-amplitude coupling, self gain and phase modulation (SGM and SPM), cross gain and phase modulation (XGM and XPM) and the four-wave mixing (FWM) affect the performances of this multicarrier modulation format. Their influence is studied very precisely in this work. This acquired knowledge will allow, on the one hand, better defining the conditions of use of SOAs in the transmission networks and, on the other hand, helping to optimize new structures of SOA designed for very high bit rate data transmissions using complex modulation formats.

Ce travail porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation d’une photodiode très haut débit (UTC PD) et son intégration avec un préamplificateur optique à semi-conducteur (SOA) pour les liaisons optiques à courte distance à 100 Gbit/s en bandes C et O. Il porte également sur la conception d'un duplexeur (Tx / Rx) avec liaison montante en bande C et liaison descendante en bande O. L'intégration monolithique d’un SOA avec une photodiode haut débit sans filtre optique entre les deux présente des avantages majeurs parmi lesquels: - Augmentation de la distance de transmission. - Augmentation du nombre d'utilisateurs connectés. - Diminution des coûts globaux de fabrication incluant l’assemblage. La première partie de cette étude porte sur l'optimisation SOA pour un fonctionnement à forte puissance (Psat). Un faible facteur de bruit (NF) et une faible dépendance à la polarisation (PDL) sont requis pour les récepteurs préamplifiés. De plus, un fonctionnement du et opérer en régime linéaire est nécessaire pour les schémas de modulation complexes. Le SOA actuel possède un gain de 18 dB avec un facteur de bruit de 8 dB, une faible PDL (<2 dB), et une bonne puissance de saturation en entrée (-8 dBm). Grâce à l’optimisation de la structure verticale du SOA et de son couplage avec la fibre les performances attendues sont améliores : Psat >-5 dBm, NF <8 dB, PDL et gain similaire. D'autre part, les interconnexions électriques de la photodiode ont été optimisées ce qui a permis de démontrer des photodiodes avec une bande passante supérieure à 100 GHz. Les photodiodes présentent un fort coefficient de réponse (R) (0,6 A/W à 1,3 μm et 0,55 A/W à 1,55 μm) et une faible PDL <1 dB. Un fort courant de saturation de 14 mA à 100 GHz a aussi été démonté. Enfin, la caractérisation des SOA-UTC réalisés a montré simultanément une très forte responsivité (95 A/W), une faible dépendance à la polarisation PDL (<2 dB), un faible NF (8 dB) et une large bande passante à 3 dB (> 95 GHz), qui placent nos composants au meilleur niveau de l’état de l’art avec un produit gain-bande record de 6,1 THz. Les Mesures numériques à 64 Gbit/s montrent que notre récepteur atteint une sensibilité de -17 dBm pour un taux d'erreur de 10-9, et la sensibilité attendue à 100 Gbit/s est de -14 dBm / This work focuses on the design, fabrication and measurements of a uni-travelling carrier high speed photodiode (UTC PD) and its integration with a semiconductor optical preamplifier (SOA) for short reach 100 Gbit/s optical links, in O- and C- bands. This work also focuses on the design of a duplexer (Tx/Rx) with downstream in O-band and upstream in C-band. The SOA monolithic integration with a high speed PD without an optical filter in between yields major benefits among which: - Increase in the transmission distance. - Increase in the split ratio correlated to the number of connected users. - Decrease of the overall fabrication and assembling cost. The first part of this work is dedicated to optimizing the SOA for high power operation (Psat). The low noise figure (NF), and polarization dependence loss (PDL) are critical parameters for a preamplified receiver. Also complex modulation formats require linear gain regime of the SOA. The current SOA presents 18 dB gain with NF (8 dB), low PDL (<2 dB), and good input power saturation (-8 dBm). Thanks to further optimization of the SOA vertical structure and coupling with the optical fiber, the expected SOA performance is higher Psat >-5 dBm, NF <8 dB, similar PDL and gain. Secondly, the electrical interconnects of the photodiode is optimized to increase the photodiodes’ bandwidth, which allows to demonstrate photodiode with >100 GHz bandwidth. The PD presents high responsivity (R) (0,6 A/W at 1,3 μm and 0.55 A/W at 1,55 μm) and low PDL <1 dB. Also the saturation photocurrent is high (14 mA at 100 GHz). Finally, the SOA-UTC demonstrates high responsivity (95 A/W), low PDL (<2 dB), low NF (8 dB) and a wide 3 dB bandwidth (>95 GHz), which yields a record gain-bandwidth product of 6.1 THz. Large signal measurements at 64 Gbit/s show that our receiver reaches a low sensitivity of -17 dBm for a bit error rate of 10-9, and is expected to reach -14 dBm at 100 Gbit/s