L'augmentation du trafic de données met énormément de pression sur les systèmes de communications par fibre optique qui doivent répondre à la demande tout en maintenant les coûts d'opération et la consommation énergétique les plus faibles possibles. Pour palier à ce problème, une solution intéressante consiste à utiliser des interconnections optiques reconfigurables ne nécessitant peu ou pas de conversion électro-optique intermédiaire, notamment dans les centres de données. On parle ici de transparence dans les réseaux optiques. Pour concevoir ces dispositifs photoniques, la plateforme intégrée silicon-on-insulator (SOI) est très prometteuse. En effet, elle offre la possibilité de concevoir des composants intégrés qui sont compacts, polyvalents, évolutifs et sophistiqués, le tout en réduisant les coûts de production. Ce mémoire porte sur l'étude, sur la conception et sur la fabrication de filtres à micro-cavités en anneau d'ordre élevé sur SOI et à leur utilisation dans des systèmes de multiplexage en longueur d'onde reconfigurables, transparents et insensibles à la polarisation. L'objectif de ce travail est plus particulièrement d'adresser le défi complexe qui consiste à développer un système de ce type, possédant toutes les caractéristiques visées par les équipements qui sont déployés à grande échelle. La première partie de ce travail a comme objectif de présenter les systèmes de communications optiques et le problème qui est adressé dans son contexte. C'est aussi à ce moment que sera introduite en détails la plateforme SOI qui offre des outils pour répondre au problème. Ensuite, en seconde partie, il sera question des filtres à micro-cavité en anneau et des méthodes de design permettant de les modéliser afin de les intégrer dans des systèmes complexes. Ces filtres sont cependant très sensibles au processus de fabrication et il est donc nécessaire de présenter un méthodologie permettant de corriger leur réponse en post-fabrication, chose qui sera faite en troisième partie. Enfin, la dernière section de ce travail de recherche porte sur l'intégration des concepts développés dans les sections précédentes afin de bâtir un système complet de multiplexage en longueur d'onde reconfigurable, transparent et insensible en polarisation. Enfin, même s'il reste beaucoup de travail d'analyse et de conception devant nous, cette recherche montre de manière non-exhaustive les avantages et les limitations fondamentales que peuvent avoir les filtres à micro-résonateurs en anneau implémentés dans les réseaux transparents reconfigurables. / Increase in data traffic puts a lot of pressure on optical communication systems which must provide for its users while maintaining operation costs and energy consumption as low as possible. A solution to overcome those problems consists in using reconfigurable optical inter-connects which do not require any electro-optical conversion, especially in data centers. This is known as optical network transparency. In order to build the optical components required to implement optical network transparency, the silicon-on-insulator (SOI) platform provides very promising solutions. It offers the possibility to design highly-scalable integrated devices with a small footprint and low fabrication costs. This memoir aims to study the design and fabrication of high-order microring resonator filters on the SOI platform and their usage in reconfigurable, transparent and polarization insensitive wavelength division multiplexing (WDM) optical communications systems. The main goal of this work is to address the complex challenges of designing such components for widespread usage, having all the specifications that are required for their implementation. In the first part of this work, optical communications systems and the problem that will be addressed will be discussed in its context. At this point, the silicon-on-insulator platform which offers helpful tools for responding to the issue will be introduced. Then, in the second part, high-order microring filters will be introduced as a solution and their principles and applications will be discussed. Those filters are unfortunately very sensitive to the fabrication process and it is thus necessary to discuss the methodology required in order to mitigate those effects at the post-fabrication level. This methodology will be discussed in the third part of this work. Then, in the final part of this memoir, all the concepts previously introduced will be consolidated in order to build a complete reconfigurable and transparent WDM system that is insensitive to polarization. There is still a lot of work ahead of us and even though this research is not exhaustive, it shows the advantages as well as fundamental limitations of high-order microring filters when implemented in transparent and reconfigurable optical networks.

Ce mémoire présente la caractérisation et l'étude de différents microrésonateurs optiques ainsi que leur utilisation pour la génération d'effets non linéaires. Avec leur capacité à confiner très efficacement la lumière, les microrésonateurs optiques sont des candidats intéressants à la génération non linéaire de micropeignes de fréquences grâce au principe de mélange à quatre ondes en cascade. Leur petite taille permet des espacements entre les fréquences générées pouvant aisément se situer de 10 à 1000 GHz, des taux de répétitions difficilement accessibles pour les lasers à mode bloqués conventionnels. Depuis plusieurs années, la communauté scientifique s'intéresse à cette alternative miniaturisée afin d'obtenir des peignes de fréquences avec des propriétés particulières. Le mémoire présentera la caractérisation de différents types de microrésonateurs optiques, microsphères de SiO2 et de GTZN (germano-tellurites), microtige de SiO₂ et microdisque de SiO₂ afin de déterminer des candidats potentiels à la génération d'effets non linéaires. Les candidats retenus seront ensuite utilisés afin de générer des fréquences par mélange à quatre ondes en cascade. Une étude préliminaire des fréquences générées sera ensuite décrite. / This master thesis presents the characterization and study of optical microresonators and their utilization for non linear effects generation. With the capacity to efficiently confine light, optical microresonators are promising candidates to generate microcombs via cascaded fourwave mixing. Their small size allows easy access to mode spacing ranging from 10 to 1000 GHz. Such repetition rates are hardly reachable with usual mode locked lasers. For many years, the scientific community has been interested into this miniaturized alternative in order to obtain frequency combs with peculiar properties. The master thesis will hence present the characterization of differents types of microresonators to determine their non linear effects generation potential. Best candidates will be used to generate cascaded four-wave mixing. A preliminary study about the generated frequencies will then be described.

La caractérisation de résonateurs de facteurs de surtension très élevés (> 10^8) est difficilement réalisée à partir des méthodes expérimentales conventionnelles en régime stationnaire. Nous proposerons une méthode hybride spectrale/temporelle permettant la mesure du facteur de surtension global et la discrimination, de manière univoque, des facteurs Q_0 intrinsèque et Q_e extrinsèque du dispositif. Par cette simple mesure, nous déterminons le régime de couplage et les propriétés dispersives de micro-cavités. Dans un second temps, nous présenterons différentes architectures à base de cavités couplées actives donnant accès un à degré de liberté supplémentaire quant au contrôle de la dispersion. Nous étudierons successivement le phénomène de transparence induite pour la réalisation d'états de lumière lente puis la dispersion induite dans le cas de deux et trois cavités. Dans ce dernier cas, la modulation des pertes intrinsèques mène à un contrôle actif du facteur de qualité de la structure. La démonstration expérimentale de ce principe montre la possibilité d'ingénierie du facteur Q par l'utilisation de structures photoniques artificielles actives.

Les microrésonateurs à modes de galerie en matériaux amorphes sont faciles à produire par des techniques de fusion. Leur facteur de qualité est cependant limité à quelques 108 du fait du phénomène de contamination de surface ou d'une absorption résiduelle plus importante que celle des matériaux cristallins. Nous avons développé deux méthodes utilisant des micro-résonateurs actifs, fabriqués par fusion de poudres de verres ZBLALiP dopés Erbium, permettant de dépasser cette limite. Il est tout d'abord possible de compenser les pertes en introduisant du gain optique dans le micro-résonateur. Des facteurs de qualité chargés de 5×109 correspondant à un facteur de qualité intrinsèque de 1010 ont ainsi pu être mesurés. En plus d'une augmentation du facteur de qualité, le gain interne offre un paramètre supplémentaire de contrôle du couplage, cela nous a permis d'obtenir tous les régimes de couplage d'un résonateur à partir du sous couplage jusqu'au régime d'amplification sélective. Nous avons atteint en particulier le régime de transparence, un micro-résonateur dans un tel régime peut trouver des applications comme ligne à retard variable transparente ayant un retard de groupe qui peut être modifié en jouant sur le taux de couplage entre le résonateur et la ligne d'accès. La deuxième méthode consiste à augmenter très fortement la valeur de l'indice de groupe du milieu par des effets de lumière lente. Un indice de groupe d'environ 4×106 a été obtenu via le phénomène d'Oscillations Cohérentes de Populations (OCP) ce qui caractérise un très fort ralentissement de la lumière. Ceci nous a permis d'augmenter, dans une micro-cavité, le temps de stockage des photons de 200 ps à 2,5 ms ce qui correspond à un facteur Q de 3×1012. / Glass-based whispering gallery mode (WGM) microresonators are easy to produce by melting techniques. However, they suffer from surface contamination or residual absorption which limits their long term quality factor to only about 108. We show that an optical gain provided by erbium ions can compensate for residual losses. Moreover it is possible to control the coupling regime of an ultrahigh Q-factor microresonator from undercoupling to spectral selective amplification by changing the pumping rate. We demonstrate a critically coupled fluoride glass WGM microresonator with a diameter of 220 μm and a loaded Q-factor of 5,3×109. We also show that by introducing slow-light effects in a monolithic WGM microresonator it is possible to enhance the photon lifetime by several orders of magnitude and circumvent fabrication limitations. We experimentally demonstrate Erbium-doped fluoride glass microresonators with a photon lifetime up to 2,5 ms at room temperature, corresponding to a Q-factor of 3×1012 at 1530 nm, by combining WGM resonance effect and population oscillations.

Les microrésonateurs à mode de galerie passifs à base de cristal ou de verre fabriqués par la méthode de fusion possèdent un facteur de qualité limité à quelques 10E8. Ceci est généralement dû à la contamination de la surface du résonateur lors de sa fusion. Dans ces travaux, nous proposons de contourner cette limitation en utilisant des microrésonateurs actifs pour compenser les pertes. Afin de caractériser les microrésonateurs actifs de très haut facteur de qualité ainsi obtenu, nous nous appuyons sur la méthode CRDM (Cavity Ring Down Measurement). Cette méthode interférométrique est d'une part bien adaptée à la caractérisation de résonateurs de très haut facteur de qualité et d'autre part elle permet de remonter de manière univoque aux facteurs de qualité intrinsèque Qo et extrinsèque Qe du résonateur. Dans un régime de compensation de pertes, nous avons pu atteindre tous les régimes de couplage et obtenus des facteurs de qualité intrinsèques excédant les 10E10. En régime d'amplification sélective, nous avons démontré expérimentalement que l'on pouvait obtenir des gains élevés allant jusqu'à 33 dB et des retards de groupe excédant 2,3 µs dans ces microrésonateurs actifs. Ces microrésonateurs de très haut facteur de qualité et de très haute finesse peuvent présenter un couplage modal se manifestant par un doublet de résonances. Une confrontation théorie/expérience avec la méthode CRDM permet de mesurer un écart très faible entre les doublets. Par ailleurs, ces microrésonateurs présentant un fort confinement spatial et une forte surtension, sont propices à l'observation d'effets non-linéaires. Une modélisation intégrant l'effet thermique et l'effet Kerr a été réalisée. Une confrontation théorie/expérience nous a permis d'estimer la puissance réellement injectée dans le mode ainsi qu'à estimer le volume du mode. / Glass-based whispering gallery mode (WGM) microresonators are easy to produce by melting techniques. However, they suffer from surface contamination which limits their long term quality factor to only about 10E8. In this thesis, we show that an optical gain provided by erbium ions can compensate for residual losses. The optical characterization method is based on frequency-swept “Cavity-Ring-Down-Measurement”. This method can fully describe the linear properties of microcavities such as coupling regime and group delay. In compensation loss regime we demonstrate that it is possible to control the coupling regime of an ultrahigh Q-factor microresonator from undercoupling to spectral selective amplification. Under the selective amplification regime, we obtain an internal Q-factor exceding 10E10. In selective amplification, we experimentally show that it is possible to obtain high amplification up to 33 dB and a high group delay. The microresonators with high Q-factor and high finesse could give rise to a modal coupling which exhibits a splitting of the resonance in the transmission. A characterization of this phenomenon with the cavity ring down method was realized. Moreover, these microresonators, are conducive to the non-linear effect observation. A model incorporating the thermal effect and the Kerr effect has been achieved. Confrontation between theory and experiment allowed us to estimate the real optical power injected into the mode as well as estimating the mode volume.

Les microrésonateurs à mode de galerie passifs à base de cristal ou de verre fabriqués par la méthode de fusion possèdent un facteur de qualité limité à quelques 10E8. Ceci est généralement dû à la contamination de la surface du résonateur lors de sa fusion. Dans ces travaux, nous proposons de contourner cette limitation en utilisant des microrésonateurs actifs pour compenser les pertes. Afin de caractériser les microrésonateurs actifs de très haut facteur de qualité ainsi obtenu, nous nous appuyons sur la méthode CRDM (Cavity Ring Down Measurement). Cette méthode interférométrique est d'une part bien adaptée à la caractérisation de résonateurs de très haut facteur de qualité et d'autre part elle permet de remonter de manière univoque aux facteurs de qualité intrinsèque Qo et extrinsèque Qe du résonateur. Dans un régime de compensation de pertes, nous avons pu atteindre tous les régimes de couplage et obtenus des facteurs de qualité intrinsèques excédant les 10E10. En régime d'amplification sélective, nous avons démontré expérimentalement que l'on pouvait obtenir des gains élevés allant jusqu'à 33 dB et des retards de groupe excédant 2,3 µs dans ces microrésonateurs actifs. Ces microrésonateurs de très haut facteur de qualité et de très haute finesse peuvent présenter un couplage modal se manifestant par un doublet de résonances. Une confrontation théorie/expérience avec la méthode CRDM permet de mesurer un écart très faible entre les doublets. Par ailleurs, ces microrésonateurs présentant un fort confinement spatial et une forte surtension, sont propices à l'observation d'effets non-linéaires. Une modélisation intégrant l'effet thermique et l'effet Kerr a été réalisée. Une confrontation théorie/expérience nous a permis d'estimer la puissance réellement injectée dans le mode ainsi qu'à estimer le volume du mode.

Cette étude a pour but la conception de microrésonateurs basses fréquences réalisés par une technique de microfabrication collective : la LIGA-UV. Il est donc nécessaire dans un premier temps de connaître les propriétés mécaniques du matériau choisi pour la réalisation, à savoir le nickel obtenu par électroformage. On détermine donc le module de Young ainsi que l'amortissement interne du matériau grâce au plus simple des microrésonateurs à savoir une micropoutre encastrée-libre. La démarche suivie lors de la phase de conception de ces microrésonateurs est la suivante : tout d'abord développer un modèle analytique qui permet de déterminer le maximum de paramètres géométriques. Ensuite, l'utilisation d'un modèle éléments finis, qui prend en compte plus de paramètres, permet d'affiner la géométrie grâce à des conditions aux limites proches de la réalité et de simuler le fonctionnement du microsystème. Ainsi, cette démarche a été suivie par la réalisation et la caractérisation de microrésonateurs en nickel à mode de flexion dans le plan qui vibrent à 70 kHz. L'excitation et la détection se font par le biais de peignes interdigités. Les fréquences expérimentales sont confrontées aux résultats des simulations avec une corrélation très satisfaisante. Enfin, un prototype de microrésonateur qui vibre à 6 MHz et dont l'originalité réside dans son mode de contour ou mode de Lamé a été réalisé. La vibration qui a lieu dans le plan a ses nœuds aux quatre coins et au centre de la plaque. L'excitation du microrésonateur se fait de manière électrostatique, quant à la détection elle se fait par l'intermédiaire d'un interféromètre laser hétérodyne. Les résultats ont montré un coefficient de qualité Q d'environ 1200 à l'air. Ce type de microrésonateur est le candidat idéal pour la réalisation d'un oscillateur intégré sous vide qui entraînerait une nette amélioration de ses performances mécaniques.