Ce travail de thèse est consacré à l'étude d'architectures de fonctions optiques à base d'amplificateurs optiques à semi-conducteurs pour la conversion de longueur d'onde et la régénération tout-optique à très haut débit.<br />Après une présentation générale des systèmes de transmission optique, et notamment des dégradations subies par le signal lors de son transport, les principes de la conversion de longueur d'onde et de la régénération tout-optique sont abordés. Les notions de portes optiques, de fonction caractéristique, de régénération 1R, 2R et 3R sont introduites et expliquées, puis la problématique de caractérisation des fonctions optiques pour la conversion de longueur d'onde et surtout la régénération est traitée. Enfin, un état de l'art des différentes techniques est présenté.<br />L'amplificateur à semi-conducteurs (SOA) présentant de nombreux attraits pour les applications de conversion de longueur d'onde et de régénération, celui-ci a constitué le coeur des fonctions optiques étudiées.<br />Ainsi, l'association de deux convertisseurs en longueur d'onde, un miroir à boucle optique non-linéaire (NOLM-SOA) et un double étage de SOA (DSSOA), a permis de réaliser un régénérateur 3R original. L'introduction de celui-ci dans une boucle à recirculation de 100 km a montré sa capacité régénérative puisqu'une transmission sans erreur à 10 Gbit/s et sur 100 000 km a ainsi pu être réalisée. De plus, ce dispositif a montré une très grande stabilité, notamment aux variations de polarisation du signal de données. Une étude approfondie a mis en évidence qu'un même SOA peut être plus ou moins sensible à la polarisation selon sa configuration d'utilisation (auto-saturation, saturation croisée, selon les longueurs d'onde des signaux, leurs polarisations ...). Nous avons ainsi établi que le phénomène à l'origine de cette modification de sensibilité est un mélange d'ondes entre la pompe et la sonde conduisant à une dissymétrie du spectre de gain dépendante des états de polarisation respectifs des deux ondes.<br />Enfin, la montée en débit a constitué la dernière étape de ces travaux. Les SOA étant limités par le temps de récupération du gain, la problématique du raccourcissement et de mesure de ce temps a été traitée. Puis de nouvelles architectures, à base de SOA, compatibles avec les très hauts débits ont été recherchées. Une technique à base de modulation de phase croisée dans un SOA convertie en modulation d'amplitude par un filtre décalé a été étudiée à différents débits et pour différentes conditions de filtrage. Une conversion de longueur d'onde sans erreur à 80 Gbit/s a été obtenue grâce à un filtrage décalé vers les courtes longueurs d'onde.

Nous présentons dans ce rapport de thèse plusieurs études relatives à l'amélioration des signaux optiques d'information numérique dans les systèmes de télécommunications à très haut débit. L'amélioration du taux d'extinction des sources impulsionnelles permet une meilleure stabilité des signaux multiplexés temporellement (OTDM), en réduisant l'interférence entre les symboles. L'utilisation de portes optiques non-linéaires permet de régénérer le signal dans les liaisons dites “ point à point ” ainsi qu'aux nœuds de commutation des futurs réseaux tout-optiques. Les principales réalisations de cette thèse portent sur : <br />- La remise en forme d'impulsions optiques améliorant le taux d'extinction, par mélange à quatre ondes dans les amplificateurs à semi-conducteurs (SOA) <br />- La réalisation et la caractérisation de deux fonctions optiques non-linéaires à base de semi-conducteurs pour la régénération des signaux supérieurs à 10 Gbit/s : le Double-Etage de SOA et le miroir optique non-linéaire à base de SOA (NOLM-SOA). Les résultats présentés dans la thèse sont obtenus à partir des simulations et de mesures expérimentales en environnement système.

La géométrie innovante du laser à cavité verticale présente un attrait considérable pour quelques applications spécifiques telles que les interconnexions optiques massivement parallèles ou l'ordinateur optique qui nécessitent des réseaux uni- ou bi-dimensionnels de lasers à faible courant de seuil. Dans le dessein de réaliser un laser à cavité verticale monolithique émettant aux longueurs d'onde d'intérêt pour les télécommunications optiques (1,3-1,55 µm), le système semiconducteur AlGaAsSb permet d'atteindre de très haut pouvoirs réflecteurs pour les miroirs de Bragg, qui constituent les éléments clés de ce type de composant. La pierre angulaire de ce travail a été d'établir les conditions de croissance par Épitaxie par Jets Moléculaires des couches antimoniures sur InP et sur GaSb. En particulier l'accord de maille de AlGaAsSb sur InP a été obtenu malgré les difficultés liées à une lacune de miscibilité à ces compositions. Le choix de multipuits GaInSb dans des barrières de AlGaAsSb comme zone active sur GaSb émettant à 1,55 µm, nous a permis d'atteindre une émission laser à température ambiante sur des lasers à émission par la tranche, ce résultat constituant une première mondiale. La réalisation de miroirs de Bragg performants aux longueurs d'onde de 1,55 µm et 2 µm valide les grandes potentialités du système semiconducteur AlGaAsSb/AlAsSb pour la fabrication de lasers à cavité verticale fonctionnant dans le proche infrarouge. De même la croissance d'une structure à cavité verticale 3l centrée à 1,5 µm montre la faisabilité de lasers à cavité verticale totalement monolithiques sur GaSb pour les applications aux télécommunications optiques.

Ce travail de thèse porte sur la caractérisation et la compréhension des propriétés optiques d'un milieu semi-conducteurs à boîtes quantiques InAs/InP(311)B obtenues par épitaxie. Cette étude est menée dans le cadre de la réalisation de lasers à modulation directe et d'amplificateurs optiques multi-canaux sans diaphonie. Après un rappel du contexte des réseaux de télécommunications optiques, nous rappelons les principes physiques du fonctionnement d'un ensemble de boîtes quantiques ainsi que les spécificités de ce milieu par rapport aux composants à base de matériaux massifs, de puits quantiques ou de "" segments "" quantiques. Ensuite, nous présentons les caractérisations effectuées par pompage optique sur des guides planaires à boîtes quantiques. Les résultats de l'oscillation laser obtenue sont discutés. Les mesures de gain, de pertes et du remplissage par les porteurs du milieu à boîtes quantiques sont ensuite présentées. La mise en perspective des différentes caractérisations permet une discussion du caractère inhomogène de nos boîtes quantiques à température ambiante. En complément de ces mesures est effectuée une étude sur la polarisation de l'émission du milieu.Enfin, nous présentons les résultats obtenus sur un amplificateur à guide monomode. La mise en place d'une technique de mesure pompe - sonde et les résultats ainsi obtenus sous saturation de l'absorption du niveau fondamental sont présentés. Nous terminons par une discussion de la largeur homogène sous saturation de l'absorption et sur le potentiel particuliers des boîtes quantiques pour le traitement du signal optique multi-canaux sans diaphonie inter-canal.

Avec l’avènement des objets connectés, la bande passante nécessaire dépasse la capacité des interconnections électriques et interface sans fils dans les réseaux d’accès mais aussi dans les réseaux coeurs. Des systèmes photoniques haute capacité situés dans les réseaux d’accès utilisant la technologie radio sur fibre systèmes ont été proposés comme solution dans les réseaux sans fil de 5e générations. Afin de maximiser l’utilisation des ressources des serveurs et des ressources réseau, le cloud computing et des services de stockage sont en cours de déploiement. De cette manière, les ressources centralisées pourraient être diffusées de façon dynamique comme l’utilisateur final le souhaite. Chaque échange nécessitant une synchronisation entre le serveur et son infrastructure, une couche physique optique permet au cloud de supporter la virtualisation des réseaux et de les définir de façon logicielle. Les amplificateurs à semi-conducteurs réflectifs (RSOA) sont une technologie clé au niveau des ONU(unité de communications optiques) dans les réseaux d’accès passif (PON) à fibres. Nous examinons ici la possibilité d’utiliser un RSOA et la technologie radio sur fibre pour transporter des signaux sans fil ainsi qu’un signal numérique sur un PON. La radio sur fibres peut être facilement réalisée grâce à l’insensibilité a la longueur d’onde du RSOA. Le choix de la longueur d’onde pour la couche physique est cependant choisi dans les couches 2/3 du modèle OSI. Les interactions entre la couche physique et la commutation de réseaux peuvent être faites par l’ajout d’un contrôleur SDN pour inclure des gestionnaires de couches optiques. La virtualisation réseau pourrait ainsi bénéficier d’une couche optique flexible grâce des ressources réseau dynamique et adaptée. Dans ce mémoire, nous étudions un système disposant d’une couche physique optique basé sur un RSOA. Celle-ci nous permet de façon simultanée un envoi de signaux sans fil et le transport de signaux numérique au format modulation tout ou rien (OOK) dans un système WDM(multiplexage en longueur d’onde)-PON. Le RSOA a été caractérisé pour montrer sa capacité à gérer une plage dynamique élevée du signal sans fil analogique. Ensuite, les signaux RF et IF du système de fibres sont comparés avec ses avantages et ses inconvénients. Finalement, nous réalisons de façon expérimentale une liaison point à point WDM utilisant la transmission en duplex intégral d’un signal wifi analogique ainsi qu’un signal descendant au format OOK. En introduisant deux mélangeurs RF dans la liaison montante, nous avons résolu le problème d’incompatibilité avec le système sans fil basé sur le TDD (multiplexage en temps duplexé). / With the advent of IoT (internet of things) bandwidth requirements triggered by aggregated wireless connections have exceeded the fundamental limitation of copper and microwave based wireless backhaul and fronthaul networks. High capacity photonic fronthaul systems employing radio over fiber technology has been proposed as the ultimate solution for 5G wireless system. To maximize utilization of server and network resources, cloud computing and storage based services are being deployed. In this manner, centralized resources could be dynamically streamed to the end user as requested. Since on demand resource provision requires the orchestration between the server and network infrastructure, a smart photonic (physical layer)PHY enabled cloud is foreseen to support network virtualization and software defined network. RSOAs (Reflective Semiconductor Optical Amplifier) are being investigated as key enablers of the colorless ONU(Optical Network Unit) solution in PON (Passive Optical Network). We examine the use of an RSOA in radio over fiber systems to transport wireless signals over a PON simultaneously with digital data. Radio over fiber systems with flexible wavelength allocation could be achieved thanks to the colorless operation of the RSOA and wavelength reuse technique. The wavelength flexibility in optical PHY are inline with the paradigm of software defined network (SDN) in OSI layer 2/3. The orchestration between optical PHY and network switching fabric could be realized by extending the SDN controller to include optical layer handlers. Network virtualization could also benefit from the flexible optical PHY through dynamic and tailored optical network resource provision. In this thesis, we investigate an optical PHY system based on RSOA enabling both analog wireless signal and digital On-Off Keying (OOK) transportation within WDM (Wavelength Division Multiplexing) PON architecture. The RSOA has been characterized to show its potential ability to handle high dynamic range analog wireless signal. Then the RF and IF radio over fiber scheme is compared with its pros and cons. Finally we perform the experiment to shown a point to point WDM link with full duplex transmission of analog WiFi signal with downlink OOK signal. By introducing two RF mixer in the uplink, we have solved the incompatible problem with TDD (Time Division Duplex) based wireless system.

La génération d'impulsions courtes et de fréquence de répétition élevée est une fonction essentielle dans les systèmes de communication modernes. De plus, un faible niveau de bruit est requis afin d'avoir des systèmes performants. Les lasers à semiconducteurs à blocage de modes permettent justement d'émettre des impulsions subpicosecondes à des fréquences supérieures à plusieurs centaines de GHz. L'utilisation d'une nouvelle génération de structures à fils ou boîtes quantiques, pour la réalisation des zones actives de ces lasers, a conduit à des impulsions très courtes et de haute fréquence avec de très faibles niveaux de bruits, inférieurs à ceux mesurés sur les structures usuelles à puits quantiques. Le laboratoire CNRS Foton-INSA a une expérience de longue date dans la croissance de fils et de boîtes quantiques de haute qualité en InAs sur substrat d'InP. Le but de cette thèse a été d'expérimenter ces structures pour la réalisation de lasers à blocage de modes. Dans un premier temps ces structures ont été caractérisées par des techniques de mesure de photoluminescence et d'électroluminescence afin de sélectionner les plus adaptées pour la réalisation de lasers monomodes à deux sections, l'une amplificatrice et l'autre à absorption saturable afin d'initier le blocage de modes. Les lasers à boîtes quantiques ont présenté un comportement instable. Il s'agit d'une bifurcation du pic d'émission optique vers deux directions dont l'écart augmente avec le courant d'injection. L'origine de ce phénomène a été attribuée à des groupes de boîtes quantiques caractérisées probablement par leur différence de taille. Le blocage de modes a effectivement été obtenu dans des lasers à fils quantiques à une fréquence de 10,6 GHz et de 41 GHz. La caractérisation des impulsions a révélé une forte dérive en longueur d'onde de celles-ci. En effet, une fibre optique monomode d'environ 545 m a été nécessaire pour compresser ces impulsions et atteindre une durée aussi courte qu'une picoseconde. Le niveau de bruit de ces lasers s'avère être 30 fois plus faible que le niveau le plus bas mesuré sur les composants à puits quantiques.

Ce mémoire de thèse est consacré à l’étude d’une liaison tout-optique longue de 10 km dédiée à l’extension d’un observatoire câblé de fond de mer existant afin d’atteindre de nouvelles zones d’exploration. Les travaux de recherche qui y sont rapportés démontrent la faisabilité de cette liaison tout-optique entre un instrument déporté et une station terrestre avec une seule fibre optique longue de 10 km, qui transmet simultanément la puissance, nécessaire à l’alimentation de l’instrument (quelques centaines de milliwatts), et des données bidirectionnelles en temps réel.Le contexte de cette thèse est présenté au travers d’un état de l’art sur les observatoires câblés et sur la puissance sur fibre. Le choix de la fibre unique et la présence de fortes puissances optiques complexifient la mise en oeuvre de cette extension tout-optique, et sont à l’origine de l’apparition d'interactions entre l’énergie optique dédiée à l'alimentation (@1480 nm) et les données échangées (@1550 nm). Tout au long de ce document, les choix technologiques retenus sont argumentés et les effets optiques non linéaires tels que les diffusions Raman, Brillouin, Rayleigh, l’Émission Spontanée Amplifiée (ASE) sont décrits, modélisés et analysés expérimentalement. L’extension tout-optique proposée a été caractérisée à la fois en régimes statique et dynamique par des mesures du bilan de liaison, du rapport signal à bruit (SNR) et du taux d’erreur binaire (BER). Les résultats obtenus montrent la possibilité de fournir 160 mW électrique à l’instrument déporté en utilisant une source optique continue de 33 dBm sans dégrader excessivement les données bidirectionnelles transmises simultanément (BER<10-7). / This thesis is devoted to the study of a 10 km long all-optical network dedicated to extend a current cabled seafloor observatory, in order to reach new exploration areas. The research work described in this thesis demonstrates the feasibility of this all-optical link between a remote instrument and a shore station with a single 10 km long optical fiber, which simultaneously transmits the energy required to supply the instrument (several hundred milliwatts) and bidirectional data in real time.The thesis context is presented trough an analysis of the cabled seafloor observatories and of the power-over-fiber. The choice of a single optical fiber and the presence of high optical power complicate the implementation of this all-optical extension, and they cause the appearance of interactions between the optical energy dedicated to the power supply (@1480 nm) and the exchanged data (@1550 nm). Throughout this document, the technological choices are explained and the optical nonlinear effects are described, simulated and analyzed experimentally, such as Raman, Brillouin, and Rayleigh scattering and Amplified Spontaneous Emission (ASE). The proposed all-optical extension has been characterized in static and dynamic regimes with measures of the optical link budget, the Signal-to-Noise Ratio (SNR), and the Bit Error Ratio (BER). The results show the possibility to power the remote instrument with 160 mW, when using a continuous high optical laser source of 33 dBm without huge degradation of the bidirectional data transmitted simultaneously (BER<10-7).

Les télécommunications laser en espace libre sont limitées en portée par la turbulence atmosphérique. L'optique adaptative, par la correction de la phase turbulente à l'émission du faisceau, a permis d'étendre leur domaine d'exploitation.Toutefois, sur de longues distances de propagation, cette correction n'est plus suffisante et il faut également précompenser l'amplitude du faisceau émis. De premières études numériques ont montré que le principe de retournement temporel, ou plus exactement de conjugaison de phase bidirectionnelle itérative, conduirait à des conditions satisfaisantes de focalisation du faisceau laser en fort régime de turbulence.Le principe de conjugaison de phase n'ayant été étudié que théoriquement jusque-là, mon travail de thèse s'est attaché à mettre en oeuvre un démonstrateur expérimental pour quantifier les performances de cette technique dans des conditions maîtrisées. En parallèle, une simulation de bout en bout de l'expérience a permis d'évaluer l'influence d'erreurs d'étalonnage sur les performances finales de la correction et de valider les résultats expérimentaux obtenus. Les points durs de la mise en oeuvre d'un système de télécommunications laser en espace libre ont ainsi été identifiés.L'ensemble de ces travaux constitue la toute première démonstration expérimentale du principe de retournement temporel optique. D'autres domaines d'application comme les lasers de puissance ou la propagation à travers des milieux biologiques très diffusants, nécessitant également de corriger le faisceau à l'émission, sont concernés. / Free Space Optical communications (FSO) are range limited due to atmospheric turbulence. Adaptive optics can mitigate turbulence effects by adding a phase modulation on the emitted laser beam. However, both phase and amplitude modulation are needed to perform long range FSO. Previous numerical studies have shown that iterative phase conjugation is an efficient modulation technique for lasercom systems.This PhD thesis is dedicated to the development and the realization of the first experimental demonstration of the iterative phase conjugation principle in a controlled turbulence environment. An optical bench, representative of a long range propagation through strong turbulence, has been scaled down to few-meters propagation in visible.Several methods for complex field measurement and modulation are numerically studied. Selected methods are implemented and tested, such as a novel focal plane technique for complex field measurement. Finally, iterative phase conjugation is performed and results cross-correlated with an end-to-end model representative of the optical bench.This work is the first experimental demonstration of the optical phase conjugation principle. Applications can be found in other fields than lasercoms, such as high power lasers or propagation through highly diffusing biological tissues, both in need of laser emission modulation.

Afin de réaliser la convergence de l'infrastructure optique des réseaux d'accès fixes et mobiles, l'objectif de cette thèse est d'étudier les solutions pour la distribution de porteuses radio natives à travers des réseaux d'accès optiques typiques. La première partie décrit les contextes et les principales propriétés physiques des réseaux d'accès optiques et radio : depuis les systèmes Fiber To The Home (FTTH) actuellement déployés et leurs évolutions attendues, en passant par l'actuel système radio Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) jusqu'aux exigences des futurs systèmes modernes de téléphonie mobile. Ceci permet de fixer le cadre de l'environnement optique dans lequel les fonctionnalités Radio over Fiber (RoF) devront être intégrées, et d'anticiper les figures de mérite, se rapportant aux systèmes radios, auxquelles une attention particulière devra être protée durant la mise en oeuvre. La seconde partie montre l'intérêt et les possibilités de réutiliser l'infrastructure optique des réseaux d'accès fixes pour les systèmes de radio distribuée. Ensuite est proposé un inventaire des techniques RoF analogiques et numériques, ainsi qu'une discussion quant à leur intégrabilité dans des systèmes FTTH courants. La troisième partie traite du calcul formel et de simulations d'un système de transmission RoF analogique, où la liaison optique est soit passive ou optiquement pré-amplifiée, et voire amplifiée à l'émission. L'objectif est de fournir des résultats numériques en complément aux résultats pratiques (seconde moitié de la quatrième partie) pour lesquels le rapport signal à bruit est le souci majeur. Pour cela nous utilisons successivement des expressions formelles, et des résultats numériques obtenus pour des signaux sinusoïdaux et pour des signaux UMTS plus réalistes. La quatrième et dernière partie concerne les résultats expérimentaux : d'une part ceux concernant les architectures à base de récepteur APD et à portée étendue grâce à un SOA exploité de manière bidirectionnelle, et ayant pour figure de mérite principale l'EVM ; d'autre part les résultats ayant pour figure de mérite l'ACLR, qui pour les systèmes radio dans le sens descendant, est un paramètre critique, et s'avérant être plus important que l'EVM. C'est pourquoi sont présentées des architectures RoF compatibles avec les budgets PON, permettant de surmonter les non-linéarités d'ordre 3 induites par la dispersion chromatique et le chirp du laser, qui dégradent les performances de ACLR / In order to realize the convergence of the optical infrastructure of fixed and mobile access networks, the objective of this thesis is to study the solutions for distributing native radio carriers through typical optical access networks.The first Part describes the contexts and the main physical properties of the optical and radio access networks: from nowadays deployed Fiber To The Home (FTTH) systems, and their expected evolutions, to the current radio system Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) towards the expected requirements of modern mobile radio systems. This allows to settle the optical environment in which the Radio over Fiber(RoF)-functionalities will have to be integrated, and to know on which radio systems'figures of merits to focus on when implementing it. The second Part shows the benefit and possibilities of re-using the optical infrastructure of the fixed access networks for distributed radio systems. Then a review of the analog and digital RoF techniques is proposed, and their feasibility of integration into legacy FTTH systems is discussed. The third part deals with the computing and simulations of an analog RoF-system where the optical link is either passive or optically pre-amplified, and even boosted. The goal is to provide numerical results to the practical lab. results of the second half of the fourth part where the Signal to Noise Ratio (SNR) matters. Therefore successively formal expressions, numerical results for simple 2-tone signals and more realistic UMTS signals are considered. The fourth and last part deals with the obtained practical results. These can be split into two main categories : Error Vector Magnitude (EVM)-oriented results where an Avalanche Photo-Detector (APD) is used for legacy and extended-reach PON architectures using a direction shared Semiconductor Optical Amplifier (SOA) ; and an Adjacent/Alternate Channel power Leakage Ratio (ACLR)-driven part where the focus is seton a very critical figure of merit of radio systems, especially in the downlink. The latter part turned out to be mandatory and prevailing over the initially considered EVM concerns. Hence several RoF architectures, compatible with PONs, are introduced in order to overcome the non-linearities undergone by the RoF-signals, induced by the chromatic dispersion of the PON's fiber and the laser chirp, and degrading the ACLR performances

De nos jours, les liaisons par fibres optiques monomode ou multimodes équipent de plus en plus de bâtiments, de lieux et sites de transports publics (gares, aéroports, autoroutes, ports ou plateformes multimodales). Ceci est dû au débit important qu’offre la fibre optique et à son atténuation très faible sur de longues distances. Afin de gérer au mieux la transmission au sein de la fibre optique, les performances de divers codes à une dimension 1D OOC et PC et deux dimensions 2D-MWOOC sur les récepteurs conventionnels ont été étudiées. Cependant, les performances obtenues restent limitées lorsque le nombre d’utilisateurs croit significativement. En ne tenant pas compte du bruit causé par les composants du système, la dégradation des performances est principalement due aux interférences d’accès multiples (IAM). De ce fait, nous proposons dans le cadre de cette thèse d’optimiser les performances du récepteur PIC en ajoutant un facteur de compensation qui permet de réduire au mieux les interférences d’accès multiples. Ceci est étudié avec les codes optiques à deux dimensions 2D-PC/PC que nous générons. Des expérimentations sur un banc d’essai optique en laboratoire sont effectuées pour illustrer la mise en oeuvre de multiservices. Une validation de certains résultats théoriques est également menée sur un simulateur dédié. / Nowadays, public transport spaces (train stations, airports, highways, ports or multimodal platforms) and buildings are being more and more equipped by single mode or multimode optical fibers. The high throughput offered and the very low attenuation over long distances proposed by optical fiber are indeed very promising. For a better management of optical fiber transmissions, the performance of various one-dimensional 1D OOC and PC codes, and twodimensional2D- MWOOC codes on conventional receivers have been previously studied.These studies show that a good level of performance is only available to a restricted number of users. Assuming noiseless components in the system, the performance degradation is mainly due to multiple access interference (MAI). Therefore, we propose in this thesis to optimize the performance of PIC receivers by adding a compensation factor that can best reduce the MAI. This is studied with two-dimensional optical codes 2D-PC/PC that we have generated. Experiments on a laboratory test bench were made to implement multiple services. The theoretical studies and the channel optical transmission simulations were also validated by using a dedicated simulator tool.