Des systèmes de détection cohérente avec traitement numérique du signal (DSP) sont présentement déployés pour la transmission optique de longue portée. La modulation par déplacement de phase en quadrature à deux polarisations (DP-QPSK) est une forme de modulation appropriée pour la transmission optique sur de longues distances (1000 km ou plus). Une autre forme de modulation, le DP-16-QAM (modulation d’amplitude en quadrature) a été récemment utilisée pour les communications métropolitaines (entre 100 et 1000 km). L’extension de la distance maximum de transmission du DP-16-QAM est un domaine de recherche actif. Déterminer si l’utilisation de la détection cohérente pour les transmissions à courtes distances (moins de 100 km) en justifieraient les coûts demeure cependant une question ouverte. Dans cette thèse, nous nous intéresserons principalement au recouvrement de phase et au démultiplexage en polarisation dans les récepteurs numériques cohérents pour les applications à courte distance. La réalisation de systèmes optiques gigabauds cohérents en temps-réel utilisant des formats de modulation à monoporteuse plus complexes, comme le 64-QAM, dépend fortement du recouvrement de phase. Pour le traitement numérique hors-ligne, la récupération de phase utilisant les résultats de décisions (decision-directed phase recovery (DD-PR)) permet d’obtenir, au débit des symboles, les meilleures performances, et ce avec un effort computationnel moindre que celui des meilleurs algorithmes connus. L’implémentation en temps-réel de systèmes gigabauds requiert un haut degré de parallélisation qui dégrade de manière significative les performances de cet algorithme. La parallélisation matérielle et le délais de pipelinage sur la boucle de rétroaction imposent des contraintes strictes sur la largeur spectrale du laser, ainsi que sur le niveau de bruit spectral des sources laser. C’est pourquoi on retrouve peu de démonstrations de recouvrement de phase en temps-réel pour les modulations 64-QAM ou plus complexes. Nous avons analysé expérimentalement l’impact des lasers avec filtres optiques sur le recouvrement de phase realisé en pipeline sur un système cohérent à monoporteuse 64-QAM à 5 Gbaud. Pour les niveaux de parallélisation plus grands que 24, le laser avec filtres optiques a permis une amélioration de 2 dB du ratio signal-à-bruit optique, en comparaison avec le même laser sans filtre optique. La parallélisation du recouvrement de phase entraîne non seulement une plus grande sensibilité au bruit de phase du laser, mais aussi une plus grande sensibilité aux fréquences résiduelles induites par la présence de tonalités sinusoïdales dans la source. La modulation de fréquences sinusoïdales peut être intentionnelle, pour des raisons de contrôle, ou accidentelles, dues à l’électronique ou aux fluctuations environnementales. Nous avons étudié expérimentalement l’impact du bruit sinusoïdal de phase du laser sur le système parallèle de recouvrement de phase dans un système 64-QAM à 5 Gbauds, en tenant compte des effets de la compensation du décalage de fréquence et de l’égalisation. De nos jours, les filtres MIMO (multi-input multi-output) à réponse finie (FIR) sont couramment utilisés pour le démultiplexage en polarisation dans les systèmes cohérents. Cependant, ces filtres souffrent de divers problèmes durant l’acquisition, tels la singularité (les mêmes données apparaissent dans les deux canaux de polarisation) et la longue durée de convergence de certaines combinaisons d’états de polarisation (SOP). Pour réduire la consommation d’énergie exigée dans les systèmes cohérents pour les applications à courtes distances où le délais de groupe différentiel n’est pas important, nous proposons une architecture DSP originale. Notre approche introduit une pré-rotation de la polarisation, avant le MIMO, basée sur une estimation grossière de l’état de polarisation qui n’utilise qu’un seul paramètre Stokes (s1). Cette méthode élimine les problèmes de singularité et de convergence du MIMO classique, tout en réduisant le nombre de filtres MIMO croisés, responsables de l’annulation de la diaphonie de polarisation. Nous présentons expérimentalement un compromis entre la réduction de matériel et la dégradation des performances en présence de dispersion chromatique résiduelle, afin de permettre la réalisation d’applications à courtes distances. Finalement, nous améliorons notre méthode d’estimation à l’aveugle par un filtre Kalman étendu (EKF) à temps discret de faible complexité, afin de réduire la consommation de mémoire et les calculs redondants apparus dans la méthode précédante. Nous démontrons expérimentalement que la pré-rotation de polarisation basée sur le EKF operé au taux ASIC (Application-Specific Integrated Circuits) permet de récupérer la puissance de fréquence d’horloge du signal multiplexé en polarisation ainsi que d’améliorer la performance du taux d’erreur sur les bits (BER) en utilisant un MIMO de complexité réduite. / Coherent detection with digital signal processing (DSP) is currently being deployed in longhaul optical communications. Dual-polarization (DP) quadrature phase shift keying (QPSK) is a modulation format suitable for long-haul transmission (1000 km or above). Another modulation, DP-16-QAM (quadrature amplitude modulation) has been deployed recently in metro regions (between 100 and 1000 km). Extending the reach of DP-16QAM is an active research area. For short-reach transmission (shorter than 100 km), there is still an open question as to when the technology will be mature enough to meet cost pressures for this distance. In this dissertation, we address mainly on phase recovery and polarization demultiplexing in digital coherent receivers for short-reach applications. Implementation of real-time Gbaud (Gsymbol per second) optical coherent systems for singlecarrier higher-level modulation formats such as 64-QAM depends heavily on phase tracking. For offline DSP, decision-directed phase recovery is performed at the symbol rate with the best performance and the least computational effort compared to best-known algorithms. Real-time implementations at Gbaud requires significant parallelizing that greatly degrades performance of this algorithm. Hardware parallelization and pipelining delay on the feedback path impose stringent requirements on the laser linewidth, or the frequency noise spectral level of laser sources. This leads to the paucity of experiments demonstrating real-time phase tracking for 64- or higher QAM. We experimentally investigated the impact of opticallyfiltered lasers on parallel and pipelined phase tracking in a single-carrier 5 Gbaud 64-QAM back-to-back coherent system. For parallelization levels higher than 24, the optically-filtered laser shows more than 2 dB improvement in optical signal-to-noise ratio penalty compared to that of the same laser without optical filtering. In addition to laser phase noise, parallelized phase recovery also creates greater sensitivity to residual frequency offset induced by the presence of sinusoidal tones in the source. Sinusoidal frequency modulation may be intentional for control purposes, or incidental due to electronics and environmental fluctuations. We experimentally investigated the impact of sinusoidal laser phase noise on parallel decision-directed phase recovery in a 5 Gb 64-QAM system, including the effects of frequency offset compensation and equalization. MIMO (multi-input multi-output) FIR (finite-impulse response) filters are conventionally used for polarization demultiplexing in coherent communication systems. However, MIMO FIRs suffer from acquisition problems such as singularity and long convergence for a certain polarization rotations. To reduce the chip power consumption required in short-reach coherent systems where differential group delay is not prominent, we proposed a novel parallelizable DSP architecture. Our approach introduces a polarization pre-rotation before MIMO, based on a very-coarse blind SOP (state of polarization) estimation using only a single Stokes parameter (s1). This method eliminates the convergence and singularity problems of conventional MIMO, and reduces the number of MIMO cross taps responsible for cancelling the polarization crosstalk. We experimentally presented a tradeoff between hardware reduction and performance degradation in the presence of residual chromatic dispersion for short-reach applications. Finally, we extended the previous blind SOP estimation method by using a low-complexity discrete-time extended Kalman filter in order to reduce the memory depth and redundant computations of the previous design. We experimentally verified that our extended Kalman filter-based polarization prerotation at ASIC rates enhances the clock tone of polarization-multiplexed signals as well as the bit-error rate performance of using reduced-complexity MIMO for polarization demultiplexing.

Dans cette thèse, la performance du système CDMA à chevauchement optique (OVCDMA) au niveau de la couche de contrôle d'accès au support (MAC) et l'allocation des ressources au niveau de la couche physique (PRY) sont étudiées. Notre but est d'apporter des améliorations pour des applications à débits multiples en répondant aux exigences de délai minimum tout en garantissant la qualité de service (QoS). Nous proposons de combiner les couches PRY et MAC par une nouvelle approche d'optimisation de performance qui consolide l'efficacité potentielle des réseaux optiques. Pour atteindre notre objectif, nous réalisons plusieurs étapes d'analyse. Tout d 'abord, nous suggérons le protocole S-ALOHA/OV-CDMA optique pour sa simplicité de contrôler les transmissions optiques au niveau de la couche liaison. Le débit du réseau, la latence de transmission et la stabilité du protocole sont ensuite évalués. L'évaluation prend en considération les caractéristiques physiques du système OY-CDMA, représentées par la probabilité de paquets bien reçus. Le système classique à traitement variable du gain (YPG) du CDMA, ciblé pour les applications à débits multiples, et le protocole MAC ±round-robin¿ récepteur/émetteur (R31), initialement proposé pour les réseaux par paquets en CDMA optique sont également pris en compte. L'objectif est d ' évaluer comparativement la performance du S-ALOHA/OY-CDMA en termes de l'immunité contre l'interférence d'accès lTIultiple (MAI) et les variations des charges du trafic. Les résultats montrent que les performances peuvent varier en ce qui concerne le choix du taux de transmission et la puissance de transmission optique au niveau de la couche PRY. Ainsi, nous proposons un schéma de répartition optimale des ressources pour allouer des taux de transmission à chevauchement optique et de puissance optique de transmission dans le système OY-CDMA comme des ressources devant être optimalement et équitablement réparties entre les utilisateurs qui sont regroupés dans des classes de différentes qualités de service. La condition d'optimalité est basée sur la maximisation de la capacité par utilisateur de la couche PHY. De ce fait, un choix optimal des ressources physiques est maintenant possible, mais il n'est pas équitable entre les classes. Par conséquent, pour améliorer la performance de la couche liaison tout en éliminant le problème d'absence d'équité, nous proposons comme une approche unifiée un schéma équitable et optimal pour l'allocation des ressources fondé sur la qualité de service pour des multiplexages temporels des réseaux par paquets en CDMA à chevauchement optique. Enfin, nous combinons cette dernière approche avec le protocole MAC dans un problème d'optimisation d'allocation équitable des ressources à contrainte de délai afin de mieux améliorer le débit du réseau et le délai au niveau de la couche liaison avec allocation équitable et optimale des ressources au niveau de la couche PHY.

Les applications exigeant des très nombreuses données (médias sociaux, diffusion vidéo en continu, mégadonnées, etc.) se développent à un rythme rapide, ce qui nécessite de plus en plus de liaisons optiques ultra-rapides. Ceci implique le développment des transmetteurs optiques intégrés et à bas coût et plus particulirement en photonique sur silicium en raison de ses avantages par rapport aux autres technologies (LiNbO3 et InP), tel que la compatibilité avec le procédé de fabrication CMOS. Les modulateurs optoélectronique sont un élément essentiel dans la communication op-tique. Beaucoup de travaux de recherche sont consacrées au développement de dispositifs optiques haut débit efficaces. Cependant, la conception de modulateurs en photonique sur sili-cium (SiP) haut débit est diffcile, principalement en raison de l'absence d'effet électro-optique intrinsèque dans le silicium. De nouvelles approches et de architectures plus performances doivent être développées afin de satisfaire aux critères réliés au système d'une liaison optique aux paramètres de conception au niveau du dispositif integré. En outre, la co-conception de circuits integrés photoniques sur silicium et CMOS est cruciale pour atteindre tout le potentiel de la technologie de photonique sur silicium. Ainsi cette thèse aborde les défits susmentionnés. Dans notre première contribution, nous préesentons pour la première fois un émetteur phononique sur silicium PAM-4 sans utiliser un convertisseur numérique analog (DAC)qui comprend un modulateur Mach Zehnder à électrodes segmentées SiP (LES-MZM) implémenté dans un procédé photonique sur silicium générique avec jonction PN latérale et son conducteur CMOS intégré. Des débits allant jusqu'à 38 Gb/s/chnnel sont obtenus sans utili-ser un convertisseur numérique-analogique externe. Nous présentons également une nouvelle procédure de génération de délai dans le excitateur de MOS complémentaire. Un effet, un délai robuste aussi petit que 7 ps est généré entre les canaux de conduite. Dans notre deuxième contribution, nous présentons pour la première fois un nouveau fac-teur de mérite (FDM) pour les modulateurs SiP qui inclut non seulement la perte optique et l'efficacité (comme les FDMs précédents), mais aussi la bande passante électro-optique du modulateur SiP (BWEO). Ce nouveau FDM peut faire correspondre les paramètres de conception physique du modulateur SiP à ses critères de performance au niveau du système, facilitant à la fois la conception du dispositif optique et l'optimisation du système. Pour la première fois nous définissons et utilisons la pénalité de puissance du modulateur (MPP) induite par le modulateur SiP pour étudier la dégradation des performances au niveau du système induite par le modulateur SiP dans une communication à base de modulation d'amplitude d'impulsion optique. Nous avons développé l'équation pour MPP qui inclut les facteurs de limitation du modulateur (perte optique, taux d'extinction limité et limitation de la bande passante électro-optique). Enfin, dans notre troisième contribution, une nouvelle méthodologie de conception pour les modulateurs en SiP intégré à haute débit est présentée. La nouvelle approche est basée sur la minimisation de la MPP SiP en optimisant l'architecture du modulateur et le point de fonctionnement. Pour ce processus, une conception en longueur unitaire du modulateur Mach Zehnder (MZM) peut être optimisée en suivant les spécifications du procédé de fabrication et les règles de conception. Cependant, la longueur et la tension de biais du d'éphaseur doivent être optimisées ensemble (par exemple selon vitesse de transmission et format de modulation). Pour vérifier l'approche d'optimisation proposée expérimentale mont, a conçu un modulateur photonique sur silicium en phase / quadrature de phase (IQ) ciblant le format de modulation 16-QAM à 60 Gigabaud. Les résultats expérimentaux prouvent la fiabilité de la méthodologie proposée. D'ailleurs, nous avons augmenté la vitesse de transmission jusqu'à 70 Gigabaud pour tester la limite de débit au système. Une transmission de données dos à dos avec des débits binaires de plus de 233 Gigabit/s/channel est observée. Cette méthodologie de conception ouvre ainsi la voie à la conception de la prochaine génération d'émetteurs intégrés à double polarisation 400+ Gigabit/s/channel. / Data-hungry applications (social media, video streaming, big data, etc.) are expanding at a fast pace, growing demand for ultra-fast optical links. This driving force reveals need for low-cost, integrated optical transmitters and pushes research in silicon photonics because of its advantages over other platforms (i.e. LiNbO3 and InP), such as compatibility with CMOS fabrication processes, the ability of on-chip polarization manipulation, and cost effciency. Electro-optic modulators are an essential component of optical communication links and immense research is dedicated to developing effcient high-bitrate devices. However, the design of high-capacity Silicon Photonics (SiP) transmitters is challenging, mainly due to lack of inherent electro-optic effect in silicon. New design methodologies and performance merits have to be developed in order to map the system-level criteria of an optical link to the design parameters in device-level. In addition, co-design of silicon photonics and CMOS integrated circuits is crucial to reveal the full potential of silicon photonics. This thesis addresses the aforementioned challenges. In our frst contribution, for the frst time we present a DAC-less PAM-4 silicon photonic transmitter that includes a SiP lumped-element segmented-electrode Mach Zehnder modula-tor (LES-MZM) implemented in a generic silicon photonic process with lateral p-n junction and its co-designed CMOS driver. Using post processing, bitrates up to 38 Gb/s/channel are achieved without using an external digital to analog converter. We also presents a novel delay generation procedure in the CMOS driver. A robust delay as small as 7 ps is generated between the driving channels. In our second contribution, for the frst time we present a new figure of merit (FOM) for SiP modulators that includes not only the optical loss and effciency (like the prior FOMs), but also the SiP modulator electro-optic bandwidth ( BWEO). This new FOM can map SiP modulator physical design parameters to its system-level performance criteria, facilitating both device design and system optimization. For the frst time we define and employ the modulator power penalty (MPP) induced by the SiP modulator to study the system level performance degradation induced by SiP modulator in an optical pulse amplitude modulation link. We develope a closed-form equation for MPP that includes the SiP modulator limiting factors (optical loss, limited extinction ratio and electro-optic bandwidth limitation). Finally in our third contribution, we present a novel design methodology for integrated high capacity SiP modulators. The new approach is based on minimizing the power penalty of a SiP modulator (MPP) by optimizing modulator design and bias point. For the given process, a unit-length design of Mach Zehnder modulator (MZM) can be optimized following the process specifications and design rules. However, the length and the bias voltage of the phase shifter must be optimized together in a system context (e.g., baud rate and modulation format). Moreover, to verify the proposed optimization approach in experiment, we design an in-phase/quadrature-phase (IQ) silicon photonic modulator targeting 16-QAM modulation format at 60 Gbaud. Experimental results proves the reliability of our proposed methodology. We further push the baud rate up to 70 Gbaud to examine the capacity boundary of the device. Back to back data transmission with bitrates more than 233 Gb/s/channel are captured. This design methodology paves the way for designing the next generation of integrated dual- polarization 400+ Gb/s/channel transmitters.

Les communications optiques basées sur la photonique sur silicium (SiP) sont au centre des récents efforts de recherche pour le développement des futures technologies de réseaux optiques à haut débit. Dans cette thèse, nous étudions le traitement numérique du signal (DSP) pour pallier aux limites physiques des modulateurs Mach-Zehnder sur silicium (MZM) opérés à haut débit et exploitant des formats de modulation avancés utilisant la détection cohérente. Dans le premier chapitre, nous présentons une nouvelle méthode de précompensation adaptative appelée contrôle d’apprentissage itératif par gain (G-ILC, aussi utilisé en linéarisation d’amplificateurs RF) permettant de compenser les distorsions non-linéaires. L’adaptation de la méthode G-ILC et la précompensation numérique linéaire sont accomplies par une procédure « hardware-in-the-loop » en quasi-temps réel. Nous examinons différents ordres de modulation d’amplitude en quadrature (QAM) de 16QAM à 256QAM avec des taux de symboles de 20 à 60 Gbaud. De plus, nous combinons les précompensations numériques et optiques pour contrevenir surmonter les limitations de bande-passante du système en régime de transmission haut débit. Dans le second chapitre, inspiré par les faibles taux de symbole du G-ILC, nous augmentons la vitesse de transmission au-delà de la limite de bande-passante du système SiP. Pour la première fois, nous démontrons expérimentalement un record de 100 Gbaud par 16QAM et 32QAM en transmission consécutive avec polarisation mixte. L’optimisation est réalisée sur le point d’opération du MZM et sur la DSP. Les performances du G-ILC sont améliorées par égalisation linéaire à entrées/sorties multiples (MIMO). Nous combinons aussi notre précompensation non-linéaire innovante avec une post-compensation. Par émulation de la polarisation mixte, nous réalisons un taux net de 833 Gb/s avec 32QAM au seuil de correction d’erreur (FEC) pour une expansion en largeur de bande de 20% et 747 Gb/s avec 16QAM (une expansion en largeur de bande de 7% du FEC). Dans le troisième chapitre, nous démontrons expérimentalement un algorithme de précompensation numérique basé sur une table de consultation (LUT) unidimensionnelle pour compenser les non-linéarités introduites à l’émetteur, e.g. réponse en fréquence non-linéaire du MZM en silicium, conversion numérique-analogique et amplificateur RF. L’évaluation est réalisée sur un QAM d’ordre élevé, i.e. 128QAM et 256QAM. Nous examinons la diminution en complexité de la LUT et son impact sur la performance. Finalement, nous examinons la généralisation de la méthode de précompensation proposée pour des jeux de données différents des données d’apprentissage de la table de consultation. / Optical communications based on silicon photonics (SiP) have become a focus of the recent research for future high speed optical network technologies. In this thesis, we investigate digital signal processing (DSP) approaches to combat the physical limits of SiP Mach-Zehnder modulators (MZM) driven at high baud rates and exploiting advanced modulation formats with coherent detection. In the first section, we present a novel adaptive pre-compensation method known as gain based iterative learning control (G-ILC, previously used in RF amplifier linearization) to overcome nonlinear distortions. We experimentally evaluate the G-ILC technique. Adaptation of the G-ILC, in combination with linear digital pre-compensation, is accomplished with a quasireal- time hardware-in-the-loop procedure. We examine various orders of quadrature amplitude modulation (QAM), i.e., 16QAM to 256QAM, and symbol rates, i.e., 20 to 60 Gbaud. Furthermore, we exploit joint digital and optical linear pre-compensation to overcome the bandwidth limitation of the system in the higher baud rate regime. In the second section, inspired by lower symbol rate G-ILC results, we push the baud rate beyond the bandwidth limit of the SiP system. For the first time, we experimentally report record-breaking 16QAM and 32QAM at 100 Gbaud in dual polarization back-to-back transmission. The optimization is performed on both MZM operating point and DSP. The G-ILC performance is improved by employing linear multiple input multiple output (MIMO) equalization during the adaptation. We combine our innovative nonlinear pre-compensation with post-compensation as well. Via dual polarization emulation, we achieve a net rate of 833 Gb/s with 32QAM at the forward error correction (FEC) threshold for 20% overhead and 747 Gb/s with 16QAM (7% FEC overhead). In the third section, we experimentally present a digital pre-compensation algorithm based on a one-dimensional lookup table (LUT) to compensate the nonlinearity introduced at the transmitter, e.g., nonlinear frequency response of the SiP MZM, digital to analog converter and RF amplifier. The evaluation is performed on higher order QAM, i.e., 128QAM and 256QAM. We examine reduction of LUT complexity and its impact on performance. Finally, we examine the generalization of the proposed pre-compensation method to data sets other than the original training set for the LUT.

Nous évaluons les performances de systèmes optiques à accès multiple par répartition de codes (OCDMA). Nous concentrons notre étude sur les types de OCDMA qui utilisent des sources optiques à émission continue. Pour un système OCDMA à encodage spectral-temporel, nous présentons une comparaison expérimentale entre les performances d'une source incohérente et d'un laser multi longueurs d'onde lorsque cette source est partagée entre les usagers. Nous démontrons que les performances sont ultimement limitées par le bruit d'intensité des sources incohérentes et par le bruit de battement des sources lasers. Nous démontrons une correspondance entre la simulation et les résultats expérimentaux pour des systèmes d'encodage spectral d'amplitude et d'encodage spectral-temporel. Pour ce faire, la source utilisée est une source incohérente large bande et la correspondance entre les taux d'erreurs binaires mesurés et simulés est démontrée jusqu'à quatre usagers simultanés pour chacun des deux systèmes. À la suite de cette validation du simulateur, les performances pour différents types de codes et pour un système avec paramètres optimisés sont prédites. Les sources incohérentes étant limitées par un bruit d'intensité intrinsèque, d'autres options sont envisagées afin d'améliorer les performances. En particulier, trois configurations de sources lasers multi longueurs d'onde sont envisagées. Les performances peuvent alors être significativement meilleures qu'avec des sources incohérentes, mais demandent un positionnement précis des fréquences centrales des lasers. L'utilisation d'un code correcteur d'erreurs est également étudié afin d'améliorer les performances.

"Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Télécom ParisTech, Paris, France" / L’échange d’informations est devenu une question de première importance et les systèmes optiques leur réponse. En effet, ils permettent de proposer des liens de communication pouvant contenir un flux toujours grandissant de données. Si le développement des liaisons intercontinentales reste au centre de toutes les attentions, la question de la connexion de réseaux plus modestes n’est pas à négliger, tant les notions de centre de données ou de stockage sur le « nuage » prennent de l’ampleur. En particulier, la longueur du lien de transmission joue un rôle central dans la question du coût énergétique. En effet, si pour couvrir de grandes distances, les réseaux optiques doivent se munir de structures robustes, capables de juguler ce flot, les liens courte distance peuvent quant à eux se dispenser de ces éléments onéreux. Pour répondre à ces besoins, cette thèse aborde la problématique des diodes lasers à modulation directe (DML) lesquelles figurent parmi les concurrents les plus incontournables pour les liens courte distance. Ces émetteurs de petite taille brillent notamment par leur faible coût ainsi que par leur facilité d’implémentation dans une chaine de transmission optique et une consommation énergétique - par bits transmis – plus faible que les transmetteurs exploitant la modulation externe. Néanmoins, la modulation directe de la lumière impacte fortement la bande passante de transmission et par conséquent le débit binaire maximal atteignable. Dans cette thèse, nous proposons d’explorer de nouvelles architectures de DMLs à capacité de transmission augmentée compatibles avec des débits supérieurs à 50 Gbps. Dans ce but, deux axes d’étude ont été privilégiés. Le premier repose sur une nouvelle structure DML exploitant des effets non-linéaires combinés comme le levier de gain et l’injection optique. Les simulations révèlent d’excellents résultats avec des bandes passantes prometteuses > 85 GHz et un diagramme de l’œil toujours ouvert à 40 Gbps. De plus, il est démontré que l’utilisation conjointe du levier de gain et de l’injection optique renforce la résistance aux phénomènes de compression du gain et de dérive de fréquence (chirp) garantissant ainsi une utilisation stable du DML dans un système de transmission. Le deuxième axe de la thèse se polarise sur l’étude de transmetteurs dont le volume de cavité se rapproche de la limite de diffraction. Les résultats montrent que le contrôle de l’émission spontanée est un élément vital pour diminuer substantiellement les puissances consommées tout en conservant une bonne dynamique de modulation. Le seuil optique étant atteint avant que le milieu ne soit totalement inversé (seuil électrique), les niveaux de courants de polarisation utilisés sont très faibles, typiquement <1 mA. Pour des dimensions de cavités proches de celles des structures verticales à émission par la surface (VCSELs), des bandes passantes de plus de 60 GHz sont obtenues. En transmission, les mésolasers apparaîssent comme les meilleurs candidats pour la modulation directe avec des diagrammes de l’œil permettant une décision à plus de 50 Gbps pour un courant de 6 mA. Lorsque le volume de cavité devient inférieur à la limite de diffraction (nanolaser), l’émetteur optique ne permet plus de conserver une dynamique de modulation efficace et une transmission compétitive. Couplés aux techniques de traitement de signal déjà employées pour la modulation directe, ce travail montre que les nouveaux composants DML susmentionnés possèdent des capacités d’opération exaltées (> 50 Gbps) ce qui en font d’excellents candidats pour les liens courte distance. / Development of ultrafast chips operating at speeds exceeding 100 Gbps is of paramount importance for increasing the transmission capacity of fiber-based networks, directly impacting G5 wireless networks, internet, local area networks, metropolitan area networks, and long-haul backbones, thus bringing closer the concept of networked society. Although complex modulation formats combined with digital signal post-processing are usually preferred to reach ultra-high modulation bandwidth, the long latency introduced by electronic processing results in a severe communication bottleneck. To this end, direct-detection systems implemented with directly modulated semiconductor lasers remain promising candidates as sources of high-speed intensity modulated signals thanks to their low-cost, well-established fabrication, compactness and most importantly their low energy consumption - by transmitted bits – much lower than transmitters using external modulation of light. In order to improve the performance and capacity of optical networks, it is necessary to enhance the modulation efficiency and 3-dB electro-optical bandwidth of optical transmitters without increasing their intensity noise and inducing excessive frequency chirp as well as intrinsic parasitic effects driven by nonlinear gain suppression or carrier transport delay. In order to improve the modulation characteristics, this PhD thesis explores new architectures of directly modulated lasers with increased transmission capacities compatible with high-speed operations at 50 Gbps and beyond. For this purpose, we first study a new DML exploiting combined non-linear effects such as gain lever and optical injection. Simulations reveal excellent results with promising bandwidths> 85 GHz and an eye diagram still open at 40 Gbps. In addition, it is demonstrated that the joint use of the gain lever and the optical injection greatly enhances the resistance to the gain compression and strongly lowers the frequency chirping making such a DML highly robust in a transmission system environment. The second axis of the thesis is focused on the modulation dynamics of optical transmitters whose cavity volume is closer to the diffraction limit. In such lasers in which the spontaneous emission rate is strongly enhanced, the optical threshold occurs before themedium is totally inverted (electrical threshold e.g. clamping condition). As a consequence, simulations show that nanolasers with cavity volumes below the diffraction limit can operate with extremely low injected currents (<<1 mA) which is desirable for reducing power consumption however without great performance at high-speeds. On the contrary, mesolasers with cavity sizes similar to that of surface-emitting vertical structures (VCSELs) are found to be the best candidates for high-speed operation with 3-dB electro-optics bandwidths as large as 60 GHz and an eye diagram allowing a decision at 50 Gbps for a current of 6 mA. Coupled with the signal processing techniques already employed for direct modulation, this work shows that the aforementioned directly modulated lasers have exalted operating capabilities (>50 Gbps) making them excellent candidates for short-reach communications.

Nous étudions les réseaux optiques pouvant transporter un trafic de données de type Internet. Notre objectif est de transposer les paquets électroniques de données en des paquets optiques et d'effectuer un routage de manière tout-optique. Nous utilisons un multi protocole généralisé par commutation d'étiquettes (GMPLS), où une étiquette optique est assignée à chaque paquet et est utilisée pour le routage. Nous proposons deux structures de réseau différentes basées sur des étiquettes multi longueurs d'onde. Nous contournons les principaux désavantages des scénarios GMPLS optiques proposés précédemment, c'est-à-dire les pertes de fractionnement et les technologies complexes requises. Les structures de réseau proposées sont pratiques, haute-vitesse, simples, redimensionnables et peu coûteuses. Pour la première approche, nous utilisons un encodage spectral d'amplitude (SAC) pour les étiquettes afin d'accomplir le routage très haut débit des paquets. Nous proposons de superposer des étiquettes SAC pour réaliser un adressage hiérarchique et ainsi réduire la taille des tables de correspondance d'adresses ainsi que les pertes de fractionnement. Nous examinons expérimentalement deux formats de paquets optiques, l'un avec étiquette SAC séparable, et l'autre avec données directement encodées par SAC. Pour la seconde approche, nous proposons une structure de réseau basée sur des étiquettes multi longueurs d'onde binaires. Les pertes de fractionnement sont éliminées pour cette approche, la rendant ainsi encore plus facilement redimensionnable que notre proposition SAC. Avec cette technique, les bits des étiquettes sont associés à une sélection de cases Séquentielles optiques. Au nœud, les paquets de longueurs variables sont auto routés par un commutateur multi étages alors que chaque bit de l'étiquette contrôle un étage. Le nœud est redimensionnable et possède des pertes d'insertion fixes. Nous proposons également une solution pour alléger les traitements sophistiqués associés à la substitution d'étiquettes dans les réseaux GMPLS. Nous multiplexons temporellement les étiquettes multi longueurs d'onde binaires pour le chemin complet de commutation optique. Comme démonstration de faisabilité, nous examinons expérimentalement les performances des approches proposées. Finalement, nous proposons une solution pour résoudre les collisions, ce qui n'était pas considéré dans les deux premières structures. Nous considérons qu'une topologie simplifiée, soit une topologie à une liaison à un bond. Les nœuds aux frontières sont coordonnés temporellement avec les nœuds centraux lors de l'établissement du réseau, donc la synchronisation optique en temps continu n'est plus nécessaire. Un algorithme de planification non centralisé aléatoire est utilisé pour éliminer les collisions; aucun tampon optique n'est nécessaire. Un algorithme simple de graphe bipartite est proposé afin de déterminer les connections au commutateur central. Nous simulons le réseau pour un type de trafic réaliste; les résultats confirment la bonne performance de l'algorithme de planification et démontrent que l'architecture proposée est pratique et bien adaptée aux réseaux optiques de commutation par paquets. / We investigate optical networks capable of carrying data-type traffic. Our objective is to map Internet packets into optical packets and route them all-optically. We employ generalized multi-protocol label switching (GMPLS), where an optical label used for routing is assigned to each packet. We propose two different network structures based on multi-wavelength labels. We resolve the main drawbacks of previously proposed scenarios that are impractical and expensive due to high splitting loss and the complex technologies required. Our proposed network structures are practical, high-speed, simple, scalable, and low-cost. In the first approach, we use spectral amplitude codes (SAC) as labels, to accomplish ultrafast packet forwarding. We propose stacking SAC-labels for hierarchical addressing, to reduce the size of lookup tables and splitting loss. We experimentally examine two optical packet formats, one with separable SAC-labels, and the other with SAC-encoded payloads. In the second approach, we propose a network structure based on binary multi-wavelength labels. Splitting losses are eliminated in this approach, rendering it even more scalable than our SAC proposal. In this scheme, the label is mapped bit-by-bit to a selection of wavelength bins. At the forwarding node, variable-length packets are self-forwarded over a multi-stage switch where each label bit controls a switch stage. The forwarding node is scalable and has fixed insertion loss. We also propose a solution to alleviate the sophisticated label swapping processing required in GMPLS networks. We time-multiplex the binary multi-wavelength labels for the entire optical label-switching path. We examine the performance of the proposed schemes experimentally as a proof of concept. Finally, we propose a solution for contention resolution, not addressed in the first two structures. We simplify the network topology to single-hop; the edge nodes are time-coordinated with the core nodes, thus optical synchronizers are not required. A noncentralized randomized scheduling algorithm is used to resolve contention; no optical buffer is required. A simple bipartite-graph matching algorithm is proposed to determine the connections at the core switch. We simulate the network for a realistic traffic type; the results confirm the good performance of the scheduling algorithm and establish that the proposed architecture is practical and desirable for packet-switched optical networks.

L’enregistrement des données de neurones a connu d’énormes progrès au cours des dernières années ; il aide à diagnostiquer les maladies à l’intérieur du cerveau comme la maladie de Parkinson et la dépression clinique. Un grand nombre de patients atteints de Parkinson utilisent un implant neuronal pour réduire les tumeurs et le mouvement rigide. Afin de contrôler le mouvement, une petite électrode est placée sur le cerveau pour réduire et même éliminer les symptômes de Parkinson au moment où une simulation électrique arrive. Le système d’enregistrement de données de neurones exige un lien complet. En utilisant des microélectrodes, on prend les données provenant des neurones dans le cerveau, on les convertis en données numériques et ensuite on transmet ces données numérisées en utilisant une liaison sans fil. Dans ce travail, nous nous concentrons sur l’envoi de données de neurones à partir d’un dispositif implanté à travers la peau en utilisant la lumière. Il y’a différentes façons de transmettre les données sans fil, soit avec antenne, soit avec un émetteur optique ; nous discutons à propos de ces méthodes dans le chapitre de la revue de la littérature. Nous avons choisi de travailler avec Émettant VCSEL ou Vertical Cavity Surface lasers ; une diode laser spécialisée avec une meilleure efficacité et une vitesse élevée par rapport à d’autres dispositifs optiques. La première partie de la recherche était d’étudier la meilleure façon de transmettre des données à travers la peau humaine, le mode de transmission et les propriétés du milieu à travers lequel la lumière se propage. Après avoir choisi le mode de transmission, nous avons conçu un lien intégré en utilisant la technologie de 0,18 um CMOS. Ce lien intégré est constitué de deux parties, du côté de l’émetteur, qui est un moteur apte à entraîner le VCSEL avec un dB bande passante à 3 de 1,3 GHz et une faible consommation de puissance de 12 mW, et un côté récepteur qui se compose d’une photodiode reliée à un VCSEL CMOS amplificateur d’adaptation d’impédance à gain élevé (90 dB) et haute vitesse de (250 Mbps). La deuxième partie était de construire une liaison optique discrète avec des composants à faible coût commercial, donc nous avons conçu deux PCB (Printed Circuit Board) pour le côté émetteur ainsi que le côté récepteur, et nous avons conçu un système mécanique pour aligner l’émetteur et la photodiode. Nous avons ensuite testé notre liaison optique, ce qui a démontré la capacité de transmettre des données par le biais de 3 mm de tissu de porc à un débit binaire de 20 Mbps avec une faible consommation d’énergie de 3MWen utilisant OOK (On Off Keying) la transmission de données, et enfin nous avons fait une comparaison entre nos résultats et d’autres oeuvres. / Neural data recording has seen huge progress during the past few years; it helps for diagnosing diseases inside the brain like Parkinson disease and clinical depression. A big number of Parkinson’s patients use a neural implant to lessen tumors and rigid movement. A small electrode will be placed on the brain. It helps to control motion and when an electrical simulation happens, it helps reduce and even eliminate Parkinson symptoms. The neural data recording system requires a complete link starting by recording neural data using electrodes, convert this data onto digital data and transmit the digitized data using a wireless link. In this work we are focusing on sending neural data from an implanted device through the skin using light. There are different ways to transmit data wirelessly with either antenna or with an optical transmitter; we discuss about those methods in the literature review chapter. We choose to work with VCSEL or Vertical Cavity Surface Emitting Lasers; a specialized laser diode with improved efficiency and high speed compared to other optical devices. The first part of the research was to study the best way to transmit data through the human skin, the method of transmission and the properties of the medium through which the light will propagate. After choosing the method of transmission, we designed an integrated link using 0.18 um CMOS technology. This integrated link consists of two parts, the transmitter side which is a VCSEL driver able to drive the VCSEL with a 3 dB bandwidth of 1.3 GHz and low power-consumption of 12 mW, and a receiver side that consists of a photodiode connected to a CMOS transimpedance amplifier with high gain (90 dB) and high speed of (250 Mbps). The second part was to build a discrete optical link with commercial low cost components, so we designed two PCBs (Printed Circuit Board) for the transmitter and receiver side, and we designed a mechanical system to align the transmitter and the photodiode. We then tested our optical link, and it demonstrated the capability to transmit data through 3 mm of pork tissue at a bit-rate of 20 Mbps with low power consumption of 3 mW using OOK (On Off Keying) data transmission, and finally we did a comparison between our results and other works.

Les convertisseurs de longueur d’onde sont essentiels pour la réalisation de réseaux de communications optiques à routage en longueur d’onde. Dans la littérature, les convertisseurs de longueur d’onde basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur constituent une solution extrêmement intéressante, et ce, en raison de leurs nombreuses caractéristiques nécessaires à l’implémentation de tels réseaux de communications. Avec l’émergence des systèmes commerciaux de détection cohérente, ainsi qu’avec les récentes avancées dans le domaine du traitement de signal numérique, il est impératif d’évaluer la performance des convertisseurs de longueur d’onde, et ce, dans le contexte des formats de modulation avancés. Les objectifs de cette thèse sont : 1) d’étudier la faisabilité des convertisseurs de longueur d’onde basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur pour les formats de modulation avancés et 2) de proposer une technique basée sur le traitement de signal numérique afin d’améliorer leur performance. En premier lieu, une étude expérimentale de la conversion de longueur d’onde de formats de modulation d’amplitude en quadrature (quadrature amplitude modulation - QAM) est réalisée. En particulier, la conversion de longueur d’onde de signaux 16-QAM à 16 Gbaud et 64-QAM à 5 Gbaud dans un amplificateur optique à semi-conducteur commercial est réalisée sur toute la bande C. Les résultats démontrent qu’en raison des distorsions non-linéaires induites sur le signal converti, le point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde est différent de celui obtenu lors de la conversion de longueur d’onde de formats de modulation en intensité. En effet, dans le contexte des formats de modulation avancés, c’est le compromis entre la puissance du signal converti et les non-linéarités induites qui détermine le point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde. Les récepteurs cohérents permettent l’utilisation de techniques de traitement de signal numérique afin de compenser la détérioration du signal transmis suite à sa détection. Afin de mettre à profit les nouvelles possibilités offertes par le traitement de signal numérique, une technique numérique de post-compensation des distorsions induites sur le signal converti, basée sur une analyse petit-signal des équations gouvernant la dynamique du gain à l’intérieur des amplificateurs optiques à semi-conducteur, est développée. L’efficacité de cette technique est démontrée à l’aide de simulations numériques et de mesures expérimentales de conversion de longueur d’onde de signaux 16-QAM à 10 Gbaud et 64-QAM à 5 Gbaud. Cette méthode permet d’améliorer de façon significative les performances du convertisseur de longueur d’onde, et ce, principalement pour les formats de modulation avancés d’ordre supérieur tel que 64-QAM. Finalement, une étude expérimentale exhaustive de la technique de post-compensation des distorsions induites sur le signal converti est effectuée pour des signaux 64-QAM. Les résultats démontrent que, même en présence d’un signal à bruité à l’entrée du convertisseur de longueur d’onde, la technique proposée améliore toujours la qualité du signal reçu. De plus, une étude du point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde est effectuée et démontre que celui-ci varie en fonction des pertes optiques suivant la conversion de longueur d’onde. Dans un réseau de communication optique à routage en longueur d’onde, le signal est susceptible de passer par plusieurs étages de conversion de longueur d’onde. Pour cette raison, l’efficacité de la technique de post-compensation est démontrée, et ce pour la première fois dans la littérature, pour deux étages successifs de conversion de longueur d’onde de signaux 64-QAM à 5 Gbaud. Les résultats de cette thèse montrent que les convertisseurs de longueur d’ondes basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur, utilisés en conjonction avec des techniques de traitement de signal numérique, constituent une technologie extrêmement prometteuse pour les réseaux de communications optiques modernes à routage en longueur d’onde. / Wavelength converters are essential building blocks of future all-optical wavelength-routed optical networks. Wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers have been proposed since they possess many of the features required for the implementation of such networks. In the literature, they have been extensively studied in the context of direct detection optical communication systems. With the recent emergence of commercial coherent systems together with the advances in digital signal processing, there is an imperative need to study the performance of wavelength converters for advanced modulation formats. The objective of this thesis is to investigate the feasibility of wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers for advanced modulation formats and subsequently propose a digital signal processing technique that aims to improve their performance. An experimental investigation of m-ary quadrature amplitude modulation (QAM) wavelength conversion is first performed. In particular, wideband wavelength conversion of 10 Gbaud 16-QAM and, for the first time, 5 Gbaud 64-QAM signals is successfully achieved over the whole C-band using a commercial semiconductor optical amplifier. The results show that the induced nonlinear distortions on the wavelength converted signal lead to a different optimal wavelength converter operating condition compared to wavelength conversion of intensity modulation formats. For wavelength conversion of advanced modulation formats, the tradeoff between the wavelength converted signal power and the nonlinearities dictates the optimal wavelength converters operating condition. The digital signal processing capabilities of coherent receivers renders possible the compensation of the signal impairments in the digital domain after detection. Making use of this, a digital post-compensation technique based on a small-signal analysis of the equations governing the gain dynamics of semiconductor optical amplifiers is developed in order to mitigate the nonlinear distortions imposed on the wavelength converted signal. The proof of concept is realized both via numerical simulations and experimental measurements of 10 Gbaud 16-QAM and 5 Gbaud 64-QAM: the post-compensation technique significantly improve the wavelength converter especially in the case of high-order advanced modulation formats such as 64-QAM. Finally, a thorough experimental investigation of the post-compensation technique performance for 5 Gbaud 64-QAM wavelength conversion is done. The results indicate that the signal quality is still improved even in the presence of a noisy signal at the wavelength converter input. Furthermore, it is shown that the optimal wavelength converter operating condition varies upon the amount of optical loss that follows. In a wavelength-routed optical network, the signal will likely pass through multiple wavelength conversion stages. The experimental investigation is extended to cascaded wavelength conversion stages and, for the first time, dual stage wavelength conversion of 5 Gbaud 64-QAM signal is performed. In this context, the proposed post-compensation technique still successfully improves the wavelength converter performance. The results of this thesis strongly suggest that wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers, together with the use of digital signal processing techniques, is a promising candidate for advanced modulation formats wavelength conversion in future wavelength routed optical networks.

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.