La matière sombre est considérée comme l'un des plus grands mystères dans la cosmologie moderne. En effet, on peut dire que l’on connaît plus sur ce que la matière sombre n'est pas que sur sa vraie nature. La collaboration SuperCDMS travaille sans répit pour réussir à faire la première détection directe de la matière sombre. À cet effet, la collaboration a eu recours à plusieurs expériences et simulations à diverses échelles, pouvant aller de l'usage d'un seul détecteur semi-conducteur, jusqu'à la création d'expériences à grande échelle qui cherchent à faire cette première détection directe de la matière sombre. Dans ce texte, on verra différentes méthodes pour nous aider à mieux comprendre les erreurs systématiques liées à la position du détecteur utilisé dans le cadre des expériences IMPACT@TUNL et IMPACT@MTL, soit l'usage des simulations et de la radiologie industrielle respectivement. On verra aussi comment l'implémentation de la méthode de réduction de variance connue comme échantillonnage préférentiel, peut aider à améliorer l'exécution des simulations de l'expérience à grande échelle planifiée pour le laboratoire canadien SNOLAB. En outre, on verra comment l'échantillonnage préférentiel s'avère utile non seulement pour mieux profiter des ressources disponibles pour la collaboration, mais aussi pour avoir une meilleure compréhension des source de bruits de fond qui seront présentes à SNOLAB, tels que les signaux générés par la désintégration radioactive de divers isotopes. / Dark matter is one of the biggest mysteries of modern-day cosmology. Simply put, we know much more about what it is not, rather than what it actually is. The SuperCDMS collaboration works relentlessly toward making the first direct detection of this type of matter. To this effect, multiple experiments and simulations have been performed, ranging from small-scale testing of the detectors to large-scale, long-term experiments, looking for the actual detection of dark matter. In this work, I will analyze different methods to help understand the systematic errors linked to detector position in regard to the small-scale experiments IMPACT@TUNL and IMPACT@MTL, through simulation and industrial radiography respectively. We will also see how the implementation of the variance reduction method known as importance sampling can be used to improve the simulation performance of the large-scale experiment in the Canadian laboratory SNOLAB. Additionally, we will see how this method can provide not only better management of the computing resources available to the collaboration, but also how it can be used to better the understanding of the background noises, such as the signals generated by radioactive decay of different isotopes, that will be present at SNOLAB.

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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 document présente la problématique de la détection directe de matière noire dans le cadre des expériences XENON100 et MIMAC. Après une introduction générale sur la matière noire et sur les signaux attendus dans un détecteur terrestre, les deux projets sont passés en revue en se concentrant sur les aspects expérimentaux. L'accent est mis particulièrement sur la caractérisation des performances des détecteurs et sur les bruits de fonds associés.

L'expérience EDELWEISS-III est dédiée à la détection directe de matière noire sous forme de WIMPs. Ces particules massives devraient constituer plus de 80% de la masse de l'univers et être détectables via leur diffusion élastique sur un noyau de l'absorbeur d'un détecteur. Le taux d'événements WIMPs attendu étant très faible (<1/kg/an) , une méthode de double mesure chaleur/ionisation est réalisée afin de discriminer les reculs électroniques issus du fond et , des reculs nucléaires engendrés par les neutrons et WIMPs. Le travail de thèse a consisté en l'étude des signaux induits par le piégeage de charges. Un modèle analytique de son impact sur les signaux des voies ionisation et chaleur est présenté. Les prédictions du modèle, confortées par leur accord avec les données et une simulation numérique, ont donné lieu à diverses applications : amélioration des résolutions, sensibilité à la profondeur des dépôts d'énergie, caractérisation du piégeage de charges dans les cristaux. L'analyse des données du Run308 est détaillée et les résultats interprétés en terme de limite d'exclusion. Cette analyse a mis au jour la présence d'un bruit de fond neutron limitant pour la recherche de WIMPs de haute masse (>20GeV). La dernière partie est consacrée à une étude de l'optimisation des détecteurs cryogéniques aux WIMPs de basse masse. Ce travail, réalisée via un test statistique de rapport de vraisemblance profilé, a permis d'étudier l'influence des divers paramètres expérimentaux sur le potentiel d'exclusion. Les conclusions de cette analyse, conjointement aux résultats du Run308, ont mené l'expérience EDELWEISS à privilégier la recherche de WIMPs de basse masse (<20GeV) / The EDELWEISS-III experiment is dedicated to direct dark matter searches aiming at detecting WIMPS. These massive particles should account for more than 80% of the mass of the Universe and be detectable through their elastic scattering on nuclei constituting the absorber of a detector. As the expected WIMP event rate is extremely low (<1/kg/year), a double measurement heat/ionization is performed to discriminate electronic recoils originating from _ and backgrounds and nuclear recoils induced by neutrons and WIMPs. The first part of the thesis work consisted in studying the signals induced by charge carrier trapping. An analytical model of its impact on both ionization and heat signals is presented. The model predictions, through their agreement with both data and a numerical simulation, lead to various applications : improvement of the resolutions, statistical sensitivity to energy deposit depths, characterization of trapping within the crystals. The analysis of the Run308 data is detailed and its results are interpreted in terms of an exclusion limit on the WIMP-nucleon cross section (SI). This study brings to light the presence of a limiting neutron background for high mass WIMP searches (>20GeV). Finally, a study dedicated to the optimization of solid cryogenic detectors to low mass WIMP searches is presented. This study is performed on simulated data using a statistical test based on a profiled likelihood ratio that allows for statistical background subtraction and spectral shape discrimination. This study combined with results from Run308, has lead the EDELWEISS experiment to favor low mass WIMP searches (<20GeV)

L'évolution des Réseaux Locaux Domestiques (RLD) est influencée par l'augmentation irréfrénée du nombre de terminaux connectés dans nos domiciles et par le déploiement de réseaux d'accès optiques haut débit qui délivrent désormais des services dépassant le Gigabit/s. Pour continuer à échanger efficacement les données, les RLD doivent évoluer vers le multi-Gigabit/s, et plus particulièrement la très appréciée connectivité sans fil. Les systèmes radio actuels ont des capacités limitées, néanmoins de nouveaux standards dont le débit excède 7Gbit/s voient le jour. Mais comme ces derniers exploitent la bande millimétrique, entre 57 et 66 GHz, leur couverture radio est limitée à la taille d'une pièce. En effet, à de telles fréquences, les pertes en espace libre sont très élevées et les ondes ne traversent pas les murs. Cette thèse propose de résoudre cette limitation au moyen de solutions Radio sur Fibre (RoF pour Radio over Fiber). Cette technique consiste à capturer les signaux radio émis dans une première pièce, puis à les convertir en signaux optiques pour les transmettre par fibre optique jusqu'à une seconde pièce où ils seront réémis. Plusieurs transducteurs RoF seront donc installés dans le domicile et interconnectés entre eux au moyen d'une infrastructure optique adaptée, créant ainsi des systèmes se comportant à la fois comme répéteurs and comme système de distribution. Pour le marché du RLD, de telles solutions sont compétitives que si elles sont bas coût. Par conséquent, ce travail se focalise sur la modulation directe avec détection directe (IM-DD) en Fréquence Intermédiaire (FI). En d'autres termes, le signal radio à 60GHz est translaté à une plus faible fréquence, autour de 5GHz, pour moduler directement un laser, puis il est restitué à 60GHz après la détection directe. Concernant la fibre optique, la multimode silice (MMF) est privilégiée puisqu'elle permet l'utilisation de composants optoélectroniques bas coût et largement disponible. Cette thèse propose différentes architectures RoF, de la point-à-point reliant deux pièces à la multipoint-à-multipoint agissant comme un bus logique. Après une caractérisation analogique des composants optoélectroniques, du lien RoF et du câble domestique, ces architectures sont construites et caractérisées étape par étape sur la base d'une modulation OFDM conforme aux standards radio 60GHz. Des transmissions temps réel entre terminaux commerciaux sont également réalisées afin de valider ces architectures. Pour finir, des infrastructures RoF avancées sont proposées. Premièrement, les systèmes RoF peuvent être améliorés si l'accès à leur couche optique est contrôlé par la couche MAC radio. Cette approche est donc étudiée, démontrant ainsi sa faisabilité. Deuxièmement, les systèmes optiques, perçus par les utilisateurs comme des produits premium, doivent supporter aussi bien les services de base du RLD que ceux qui vont émerger dans les années à venir. Ainsi, des infrastructures multiservice and multiformat innovantes transportant sur un unique câble optique des données IP, la télévision hertzienne et satellite, les signaux radio 60GHz et d'autres formats spécifiques tels que l'HDMI sont proposées puis testées / The evolution of the Home Area Network (HAN) is lead by the proliferation of connected devices inside the home and the deployment of high broadband access network which now allows the delivery of services that can exceed 1Gbit/s. To ensure efficient in-house exchanges, the HAN has to move rapidly toward multi-Gigabit/s connections, in particular the wireless connectivity generally preferred by the customers. Current wireless systems have limited capacities, but new radio standards delivering data-rates up to 7Gbit/s are emerging. Nevertheless, as they address the unlicensed millimeter-wave band, from 57 to 66 GHz, their radio coverage is limited to a single room. Indeed, at such frequencies, the free-space losses are high and the waves do not cross the walls. This thesis proposes to solve this problem by means of the Radio over Fiber (RoF) technology. This consists in capturing the 60GHz radio signals emitted in one room, converting them into optical signals for transmission through optical fibers, and reemitting them in another room. Thus, several RoF transducers will be installed in the home and interconnected by a suitable optical infrastructure to create systems acting at the same time as repeaters and as distribution systems. From the viewpoint of the HAN market, such systems will be competitive only if they are low cost. As a consequence, this work focuses on direct modulation with direct detection (IM-DD) at Intermediate Frequency (IF). In other words, the 60GHz signal is down-converted at a lower frequency around 5GHz before the laser modulation and up-converted to 60GHz after the photodetection. Concerning the optical fiber, silica multimode fiber (MMF) is privileged as it allows the use of low cost and largely available optoelectronic devices working at 850nm.The thesis proposes different RoF architectures, from point-to-point interconnecting two rooms to multipoint-to-multipoint acting as logical buses. After an analog characterization of the optoelectronic components, the RoF link and the domestic cable, these architectures are designed, built and characterized step by step using OFDM modulation according to existing wireless 60GHz standards. Real-time transmissions between commercial devices have also been performed to validate these architectures. Moreover, advanced RoF infrastructures are proposed. First, the RoF systems can be easily improved if the access to their optical media is managed by the radio MAC layer. This approach is therefore studied showing its feasibility. Secondly, an optical system, seen by users as a premium product, has to support the legacy home services commonly used as well as the new ones that could emerge in the future. Thus, innovative multiservice and multiformat infrastructures conveying on a unique optical cable wired IP data, broadcast terrestrial or satellite television, the 60GHz wireless connectivity, and specific formats as HDMI signals are proposed and tested

SuperCDMS (Super Cryogenic Dark Matter Search) est une expérience de détection directe de la matière sombre qui utilise des détecteurs cryogéniques au silicium et au germanium capables de mesurer des dépôts d'énergie aussi petits que quelques eV. L'un des défis les plus importants de la recherche de la matière sombre est de réussir à bloquer les nombreux bruits de fond. Une de ces sources de bruit de fond est la production de plasmons par la diffusion Compton, un phénomène ne déposant généralement qu'une dizaine d’eV et affectant surtout les détecteurs à semi-conducteurs. Dans cet ouvrage, nous allons estimer le taux de production de ces plasmons et démontrer qu'il est primordial de tenir compte de ce bruit de fond avant de pouvoir affirmer avoir trouvé la matière sombre. Un autre enjeu majeur de SuperCDMS est l'étalonnage de ses détecteurs à très faible énergie. En effet, la matière sombre est supposée interagir avec le noyau des atomes. Toutefois, il n'existe présentement aucune donnée sur le degré d'ionisation pour des reculs nucléaires de moins de 0,7 keVnr dans le silicium, où keVnr représente l'énergie déposée en keV lors d'une collision nucléaire (nr). Dans la deuxième partie de cet ouvrage, nous allons montrer comment l'expérience IMPACT (Ionization Yield Measurement with Phonons At Cryogenic Temperature), une sous-expérience de SuperCDMS composée de membres de SuperCDMS, compte mesurer ce degré d'ionisation pour des reculs nucléaires entre 0,1 et 4 keVnr dans le silicium. Connaître ce degré d'ionisation est d'une grande importance pour SuperCDMS car il permet de reconstruire l'énergie déposée par une particule de matière sombre lorsqu'elle effectue une collision nucléaire dans ses détecteurs de matière sombre. / SuperCDMS (Super Cryogenic Dark Matter Search) is an experiment for the direct detection of dark matter that uses cryogenic silicon and germanium detectors which can measure energy deposition as low as a few eV. One of the biggest challenges in the search for dark matter is to block the various background events. One of those background source is the excitation of plasmons by Compton scattering, a phenomenon that generally deposits about ten eV and which affects mainly semiconductor detectors. In this work, we will estimate the production rate of plasmons and argue that we must understand this background in order to claim evidence of dark matter. One of SuperCDMS's other challenges is the calibration of its detectors at very low energy. Indeed, dark matter is known to interact with the atom's nucleus, but unfortunately, there is no data at the moment about the ionization yield of nuclear recoils below 0,7 keVnr in silicon, where keVnr is the energy deposited in keV in a nuclear recoil (nr). In the second part of this work, we will show how the IMPACT experiment (Ionization yield Measurement with Phonons At Cryogenic Temperature), a sub-experiment of SuperCDMS composed of members of SuperCDMS, aims to measure the ionization yield for nuclear recoils between 0,1 and 4 keVnr in silicon. It is important for SuperCDMS to know this ionization yield to reconstruct the energy deposited in their detectors by a nuclear recoil from a dark matter particle.

Les centres de données deviennent de plus en plus importants, allant de petites fermes de serveurs distribuées à des grandes fermes dédiées à des tâches spécifiques. La diffusion de services "dans le nuage" conduit à une augmentation incessante de la demande de trafic dans les centres de données. Dans cette thèse, nous étudions l'évolution des réseaux dans les centres de données et proposons des solutions à court et à long terme pour leur intra-connexion physique. Aujourd'hui, la croissance de la demande de trafic met en lumière la nécessité urgente d’interfaces à grande vitesse capables de faire face à la bande passante exigeant de nouvelles applications. Ainsi, à court terme, nous proposons de nouveaux transpondeurs optiques à haut débit, mais à faible coût, permettant la transmission de 200 Gb /s utilisant des schémas de modulation en intensité et à détection directe. Plusieurs types de modulations d’impulsions en amplitude avancées sont explorés, tout en augmentant la vitesse à des débits symboles allant jusqu’à 100 GBd. La génération électrique à haute vitesse est réalisé grâce à un nouveau convertisseur analogique-numérique intégré, capable de doubler les vitesses des entrées et de générer des signaux à plusieurs niveaux d’amplitude. Cependant, le trafic continuera sa croissance. Les centres de données actuels reposent sur plusieurs niveaux de commutateurs électroniques pour construire un réseau d'interconnexion capable de supporter une telle grande quantité de trafic. Dans une telle architecture, la croissance du trafic est directement liée à une augmentation du nombre des composants du réseau, y-compris les commutateurs avec plus de ports, les interfaces et les câbles. Le coût et la consommation d'énergie qui peut être attendus à l'avenir est intenable, ce qui appelle à une réévaluation du réseau. Par conséquent, nous présentons ensuite un nouveau concept fondé sur la commutation de "slots" optiques (Burst Optical Slot Switching, i.e. BOSS) dans lequel les serveurs sont connectés via des nœuds BOSS à travers des anneaux de fibres multiplexé en longueur d'onde et en temps, et organisés dans une topologie en tore. Au cours de cette thèse, nous étudions la mise en œuvre des nœuds BOSS; en particulier, la matrice de commutation et les transpondeurs optiques. L'élément principal au sein de la matrice de commutation est le bloqueur de slots, qui est capable d'effacer n’importe quel paquet (slot) sur n’importe quelle longueur d'onde en quelques nanosecondes seulement. D'une part, nous explorons l'utilisation d'amplificateurs optiques à semi-conducteurs comme portes optiques à utiliser dans le bloqueur des slots, et étudier leur cascade. D'autre part, nous développons un bloqueur de slots intégré monolithiquement capable de gérer jusqu'à seize longueurs d'onde avec la diversité de polarisation. Ensuite, nous présentons plusieurs architectures de transpondeur et nous étudions leur performance. La signalisation des transpondeurs doit répondre à deux exigences principales: le fonctionnement en mode paquet et la résistance au filtrage serré. D'abord, nous utilisons des transpondeurs élastiques qui utilisent des modulations Nyquist N-QAM, et qui adaptent le format de modulation en fonction du nombre de nœuds à traverser. Ensuite, nous proposons l'utilisation du multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence en cohérence optique (CO-OFDM). Avec une structure de paquet inhérente et leur grande adaptabilité fréquentielle, nous démontrons que les transpondeurs CO-OFDM offrent une capacité plus élevée et une meilleure portée que leurs homologues Nyquist. Finalement, nous comparons notre solution BOSS avec la topologie Clos replié utilisée aujourd'hui. Nous montrons que notre architecture BOSS nécessite 400 fois moins de transpondeurs et de câbles que les réseaux de commutation électronique d'aujourd'hui, ce qui ouvre la voie à des centres de données hautement évolutifs et durables / Data centers are becoming increasingly important and ubiquitous, ranging from large server farms dedicated to various tasks such as data processing, computing, data storage or the combination thereof, to small distributed server farms. The spread of cloud services is driving a relentless increase of traffic demand in datacenters, which is doubling every 12 to 15 months. Along this thesis we study the evolution of data center networks and present short- and long-term solutions for their physical intra-connection. Today, rapidly-growing traffic in data centers spotlights the urgent need for high-speed low-cost interfaces capable to cope with hungry-bandwidth demanding new applications. Thereby, in the short-term we propose novel high-datarate low-cost optical transceivers enabling up to 200 Gb/s transmission using intensity-modulation and direct-detection schemes. Several advanced pulse amplitude modulation schemes are explored while increasing speeds towards record symbol-rates, as high as 100 GBd. High-speed electrical signaling is enabled by an integrated selector-power digital-to- analog converter, capable of doubling input baud-rates while outputting advance multi-level pulse amplitude modulations. Notwithstanding, data centers’ global traffic will continue increasing incessantly. Current datacenters rely on high-radix all-electronic Ethernet switches to build an interconnecting network capable to pave with such vast amount of traffic. In such architecture, traffic growth directly relates to an increase of networking components, including switches with higher port-count, interfaces and cables. Unsustainable cost and energy consumption that can be expected in the future calls for a network reassessment. Therefore, we subsequently present a novel concept for intra-datacenter networks called burst optical slot switching (BOSS); in which servers are connected via BOSS nodes through wavelength- and time-division multiplexed fiber rings organized in a Torus topology. Along this thesis we investigate on the implementation of BOSS nodes; in particular, the switching fabric and the optical transceivers. The main element within the switching fabric is the slot blocker, which is capable of erasing any packet of any wavelength in a nanosecond time-scale. On the one hand, we explore the use of semiconductor optical amplifiers as means of gating element to be used within the slot blocker and study their cascadability. On the other hand we develop a monolithically integrated slot blocker capable of handling up to sixteen wavelength channels with dual-polarization diversity. Then we present several transceiver architectures and study their performances. Transceivers’ signaling needs to fulfill two main requirements: packet-mode operation, i.e. being capable of recovering few microsecond –long bursts; and resiliency to tight filtering, which occurs when cascading many nodes (e.g. up to 100). First we build packet-mode Nyquist-pulse-shaped N-QAM transceivers, which adapt the modulation format as a function of the number of nodes to traverse. Later we propose the use of coherent-optical orthogonal frequency division multiplexing (CO-OFDM). With inherent packet structure and high spectral tailoring capabilities, we demonstrate that CO-OFDM-based transceivers offer higher capacity and enhanced reach than its Nyquist counterpart. Finally, we compare our BOSS solution to today’s Folded Clos topology, and show that our BOSS architecture requires x400 fewer transponders and cables than today’s electronic switching networks, which paves the way to highly scalable and sustainable datacenters

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

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