Afin de poursuivre leur montée en débit, les composants des télécommunications par fibre optique nécessitent l'élaboration de nombreuses briques de base : laser, modulateur, photo-détecteur, multiplexeur... et leur intégration avec les circuits de traitement du signal. Cette thèse a pour objectifs de concevoir et de caractériser ces différentes briques actives et passives en utilisant la technologie hybride III-V/Si. Ces briques sont ensuite utilisées dans des circuits photoniques intégrés (PIC) complets d'émission et de réception, qui présentent des avantages tels qu'une. taille réduite, une consommation et un coût de fabrication faibles. . Après une partie d'introduction, plusieurs éléments passifs sont étudiés en détail dans la 2ème partie : guides d 'ondes, virages, diviseurs de puissance, croisements de guides et hybride 90°. Tous ces dispositifs présentent de bonnes performances compatibles avec leur utilisation dans les PICs.La 3ème partie traite le problème du (dé)-multiplexage en longueur d'onde. Trois dispositifs sont étudiés : le démultiplexeur basé sur des résonateurs en anneau, des réseaux échelle et des AWG (arrayed waveguide grating). Pour les réseaux échelles, des performances à l'état de l'art ont été démontrées, d'une part sur un composant de 16 canaux séparés de 100GHz et d'autre part sur un composant de 4 canaux séparés de 20nm avec un profil aplati. Une méthode de simulation d'AWG a ensuite été présentée avec des résultats expérimentaux et théoriques à l'appui. La dernière partie traite des composants dits "actifs" et de l'intégration de toutes les fonctions précédentes dans des circuits photoniques intégrés. Les composants actifs étudiés sont les lasers, les Amplificateurs optiques en semi-conducteurs (SOA), les modulateurs à électro-absorption (EAM) et enfin les jonctions PN sur silicium comme modulateur de phase. Les PICs présentés sont d'abord deux générations de laser accordable intégré avec un EAM avec une transmission à 10Gbit/s sur 50km. Puis sont étudiés des modulateurs I/Q avec source laser accordable intégrée, d'une part avec des jonctions PN en silicium et d'autre part avec des EAM comme modulateurs pour des débits cibles de 25Gbaud/s.Une conclusion générale est tirée à la fin de la thèse. Des perspectives à court et moyen termes sont également tracées. / In order to follow the new needs in terms of optical bandwidth, optical fiber communications require the elaboration of numerous building blocks: laser, modulator, photo-detector...and their integration with signal processing circuits. This thesis has for objective the conception and caracterisation of various active and passive building blocks using the hybrid III-V/Si technology. These building blocks are then used in photonic integrated circuits (PIC) with all the necessary emission and reception functions. This enables a reduced footprint, a lower power consumption and fabrication cost.After an introduction section, several passive elements are studied in detail in the second part: waveguides, bends, power splitters, waveguide crossings and hybrid 90°. All these designs present good performances compatible with their integration in PICsThe third part treats the problem of wavelength (de)-multiplexing. Three types of device were studied: a demultiplexer based on ring resonators, echelle gratings and arrayed waveguide gratings (AWG). For the echelle gratings, state-of-the-art performances were demonstrated, first on a sample with 16 channels separated 100GHz and on the other hand a sample with 4 channels separated 20nm with a flettened profile. A simulation method for the AWG was presented with experimental and theoretical results to support the method.The last part is about "active" devices and the integration of all the previous designs in PICs. The studied active components are the lasers, semi-conductor optical amplifiers (SOA), electro-absorption modulators (EAM) and finally silicon PN junctions used as phase modulators. Two generations of a tunable laser integrated with an EAM were studied with a transmission at 10Gbit/s over 50km. The next section studied I/Q modulators with an integrated tunable laser source, using either PN silicon junction modulators or EAM with a target speed of 25Gbaud/s.A general conclusion is drawn at the end of the thesis. Short term and mid-term perspectives were also drawn.

L'apparition des dernières applications de l'internet à haut débit engendre une augmentation importante des échanges d'informations à travers le monde. Pour éviter une saturation inexorable du réseau de télécommunications, les liaisons par fibre optique avec multiplexage en longueur d'onde (DWDM) se généralisent pour permettre la transmission de données avec un débit actuel maximum de 1Tbit/s. L'aiguillage en longueur d'onde des signaux entre les différentes boucles de ce type de réseau est réalisé à l'aide de Multiplexeurs Insertion- Extraction (MIE). Ce mémoire est consacré à l'étude et à la réalisation de deux MIE réalisés par photoinscription de réseaux de Bragg (=filtres sélectifs en longueur d'onde photoinscrits par un champ d'interférence de lumière laser UV) dans des guides optiques à coeur dopé en germanium. Le premier MIE étudié lors de cette thèse est réalisé sur la base d'un coupleur directif en optique intégrée SiO2/Si dans la zone de couplage duquel deux réseaux de Bragg ont été photoinscrits. Le travail a consisté à améliorer à la fois la fabrication des guides optiques (diminution de leur biréfringence) ainsi que leur photoinscription (meilleure apodisation de la réponse spectrale du spectre réfléchi). La conception et la réalisation de premiers prototypes permettant l'extraction de canaux espacés de 200 GHz ont alors pu être effectuées. La deuxième étude se concentre, quant à elle, sur l'optimisation d'un MIE plus mature basé sur un interféromètre de Mach-Zehnder à réseaux de Bragg réalisé en fibre bicoeur. L'influence néfaste du déphasage engendré par les réseaux de Bragg sur la réponse spectrale de l'interféromètre a été discutée et minimisée. La reconstruction de la dispersion chromatique de ces réseaux via la réponse spectrale de l'interféromètre a aussi été étudiée. Des composants industrialisables pour réseaux d'espacements intercanaux de 100 GHz et 50 GHz ont alors pu être réalisés.

Cette thèse a pour but d’étudier le principe d’un multiplexeur de sortie accordable pour la charge utile d’un satellite de télécommunication. La première étape consiste à analyser les principales topologies de multiplexeur de sortie utilisables et les comparer pour en retirer le meilleur candidat pour cette application. Par la suite, diverses études ont été menées sur des composants passifs imprimés en 3D plastique et métallisés de diverses manières, en cherchant à comprendre comment améliorer au mieux les résultats de ces prototypes. La dernière partie de ce manuscrit détaille la conception d’un multiplexeur à deux canaux pouvant être utilisé sur trois états différents en large bande à 19 GHz. Ces états sont créés par des bandes passantes relatives variant de 1,6 à 4,8 % et une réalisation de deux maquettes sert de preuves de concept et de performance (une en plastique métallisé et la seconde en aluminium usiné). / This thesis is about study of tunable output multiplexer principle for telecommunication satellite payload. The first step is analysis of the main topologies of output multiplexers and to compare them to conclude with the best candidate. Then, several studies were conducted on 3D plastic printed passive components with specific metallizations, searching how to improve results in term of losses and precision. Last part detailed two channels multiplexer design which can be used on three different states of relative bandwidth from 1.6 to 4.8 % at 19 GHz, and realization of two concept proof prototypes (one in metallized 3D printed plastic and another one in machined aluminum).

La demande croissante des réseaux optiques actuels en termes de bande passante résulte en un besoin d'exploiter la capacité offerte par la fibre optique. Un des moyens indispensable pour permettre ceci est l'utilisation du multiplexage en longueur d'onde. Il en résulte la nécessité d'utilisation de dispositifs, parmi lesquels le filtre optique, agiles en longueur d'onde et transparents par rapport aux débits. C'est dans ce contexte que notre travail se situe. La technologie utilisée est celle des filtres interférentiels en polarisation. Contraint par un cahier des charges particulier aux applications télécoms, le principal objectif consiste en l'augmentation des performances de ce type de filtre d'une part, et l'association de fonctionnalités additionnelles nécessaires dans les réseaux d'autre part. En utilisant le principe physique des interférences en polarisation, une structure est alors implémentée, suivant les contraintes liées aux trois paramètres majeurs du filtre que sont le contraste, la fonction d'égalisation et la reconfiguration de la bande passante. Par ailleurs, les architectures des filtres optiques diffèrent selon l'emplacement dans le réseau. Ainsi, si une architecture des plus simples est utilisée à la réception, au niveau des nœuds du réseau, celle-ci devient beaucoup plus complexe, s'adaptant à différents degrés de nœuds, et portent le nom de multiplexeurs optiques à insertion/extraction de longueur d'onde (ROADM). Un dispositif de ce type, basé sur les filtres biréfringents, est donc présenté. Une approche système est ensuite menée dans le but de mettre en évidence les avantages et les limitations de la technologie utilisée

La demande croissante des réseaux optiques actuels en termes de bande passante résulte en un besoin d’exploiter la capacité offerte par la fibre optique. Un des moyens indispensable pour permettre ceci est l’utilisation du multiplexage en longueur d’onde. Il en résulte la nécessité d’utilisation de dispositifs, parmi lesquels le filtre optique, agiles en longueur d’onde et transparents par rapport aux débits. C’est dans ce contexte que notre travail se situe. La technologie utilisée est celle des filtres interférentiels en polarisation. Contraint par un cahier des charges particulier aux applications télécoms, le principal objectif consiste en l’augmentation des performances de ce type de filtre d’une part, et l’association de fonctionnalités additionnelles nécessaires dans les réseaux d’autre part. En utilisant le principe physique des interférences en polarisation, une structure est alors implémentée, suivant les contraintes liées aux trois paramètres majeurs du filtre que sont le contraste, la fonction d’égalisation et la reconfiguration de la bande passante. Par ailleurs, les architectures des filtres optiques diffèrent selon l’emplacement dans le réseau. Ainsi, si une architecture des plus simples est utilisée à la réception, au niveau des nœuds du réseau, celle-ci devient beaucoup plus complexe, s’adaptant à différents degrés de nœuds, et portent le nom de multiplexeurs optiques à insertion/extraction de longueur d’onde (ROADM). Un dispositif de ce type, basé sur les filtres biréfringents, est donc présenté. Une approche système est ensuite menée dans le but de mettre en évidence les avantages et les limitations de la technologie utilisée / The growing needs, in term of bandwidth in optical networks, increase over years. To satisfy these needs, the entire bandwidth of the optical fiber has to be exploited. In this context, the wavelength division multiplexing technique is used to allow the utilization of several wavelengths and results in considerably enhanced network bit-rate. However, such networks must use specific components which have particular wavelength-capabilities. Among these components, one of the most important and critical device is the optical filter. Our work is focused on the implementation of specific optical filters, using the polarization interference filter technology. The main purpose of this work is to enhance the filter rejection ratio, and to add new functionalities such as the amplitude equalization and the bandwidth tuning functions. After satisfying optical network expectations, another point, related to the filter utilization in the network, concern the device architecture which is determined by its network-location. A simple architecture with an input and an output is needed at the reception; meanwhile, a specific one is expected at network nodes. Thus, a new kind of devices is introduced, called reconfigurable optical add/drop multiplexers (ROADM). Therefore, such a device is implemented by the birefringent filter developed in this manuscript. Then, the developed device is placed in a transmission chain, and simulation results underline its limitations, by proceeding to comparison between this structure and typical optical filters. As conclusion of this work, some solutions and perspectives are presented, and very interesting challenges are highlighted

La diffusivité massique est l'une des propriétés physiques qui permet de caractériser les transferts de masse au sein des milieux poreux. Bien que cette grandeur physique soit méconnue, sa mesure est indispensable lors de la modélisation de nombreux procédés tels que le séchage, l'imprégnation, les transferts hydriques à travers l'enveloppe des bâtiments, etc. Dans ce travail de thèse, une méthode de mesure en routine du coefficient de diffusion du matériau bois, dans le domaine hygroscopique, est proposée. Cette évaluation de la diffusivité massique repose sur une méthode inverse qui s'articule en trois étapes complémentaires: l'expérimentation, l'analyse des données expérimentales à partir d'un code numérique nommé TransPore (code de simulation des transferts couplés de chaleur et de masse en milieux poreux) et enfin la détermination du coefficient de diffusion par minimisation de l'écart entre les données expérimentales et celles simulées. L'expérimentation s'appuie sur la mesure de la résistance électrique d'un échantillon de bois en régime transitoire. Un mégohmmètre combiné à un multiplexeur permet de faire les mesures sur plusieurs échantillons à la fois. La version 1-D du code de calcul TransPore permet de calculer la résistance électrique de chaque échantillon de bois grâce au champ de teneur en eau simulée à partir des conditions réelles subies par les échantillons. L'algorithme du Simplex minimise l'écart entre les résultats expérimentaux et théoriques par le biais de l'ajustement de paramètres sensibles dont la diffusivité massique. La fiabilité de cette nouvelle méthode a été établie grâce à la technique de pesée très utilisée pour déterminer la diffusivité massique. L'efficacité de la méthode a permis de caractériser six essences de bois tropicaux et six autres de bois tempérés. Des mesures sont également effectuées pour des bois de hêtre et d'épicéa traités thermiquement et mettent en évidence certaines limites de cette nouvelle méthode de détermination du coefficient de diffusion. En revanche, la technique traditionnelle de pesée donne des résultats tout à fait probants et montre que le traitement thermique réduit d'au moins 60% le coefficient de diffusion massique du bois naturel.

Ces travaux de thèse se situent dans le domaine du multiplexage hyperfréquence pour les systèmes de télécommunication de Guerre Électronique. Ils s'inscrivent dans le cadre d'une étude portant sur la miniaturisation des solutions actuelles de multiplexage visant à réduire l'encombrement et donc le coût de fabrication de ce type de dispositifs Radar. L'objectif est donc de proposer une alternative aux technologies et architectures classiques de multiplexeurs qui, bien que performantes, pâtissent d'un encombrement et d'un poids prohibitifs pour les systèmes aéroportés du futur. Le multiplexage en fréquence permet un découpage d'un spectre électromagnétique en un certain nombre de bandes de fréquence (canaux) dont le nombre, la largeur et l'espacement dépendent de l'application visée. L'objectif de ces travaux est donc d'étudier la faisabilité d'un multiplexeur en technologie planaire, découpant la bande 2-18GHz en 16 canaux contigus. L'enjeu de cette étude concerne autant l'architecture globale du composant que le choix de la topologie des différents filtres qui le composent, afin de respecter un cahier des charges très contraignant en termes de performances électriques ou d'encombrement. La connexion et la cohabitation des différents filtres au sein du multiplexeur est également un paramètre critique de l'étude, et nécessite une attention particulière. Nous proposons ici un découpage en fréquence singulier impliquant l'utilisation d'une architecture originale de multiplexeur utilisant divers composants passifs tels qu'un diviseur de puissance de type Wilkinson, des duplexeurs ou encore plusieurs quadriplexeurs (banques de quatre filtres). Ces travaux ont donc été divisés en sous-blocs dont nous prouvons, pour chacun d'eux, la faisabilité en technologie planaire. Les duplexeurs utilisent une topologie originale dite " flèche " dont nous développons la synthèse et les quadriplexeurs HF sont basés sur la topologie DBR développée au laboratoire. Les quadripexeurs BF sont, quant à eux, basés sur différentes topologies large bande (interdigitée, à stubs CO ou CC). La validité de l'architecture globale proposée est également avérée. Au cours de cette thèse, divers outils d'aide à la conception des circuits hyperfréquences complexes ont été développés afin de simplifier au maximum le flot de conception classique et donc de diminuer les temps de réglage. Plusieurs réalisations et de nombreuses simulations électromagnétiques viennent étayer les résultats et confirmer l'acuité des outils utilisés.

Le trafic dans les réseaux optiques est en constante augmentation depuis de nombreuses années. CISCO affirme qu'il devrait augmenter d'un facteur 13 en 2020. Ceci induit une augmentation de la consommation énergétique et de l'évolution de la taille des réseaux entrainant un accroissement de la complexité des réseaux. Dans ce contexte, pour répondre à l'augmentation du débit dans les réseaux et procure un réseau de télécommunications fiable, il faut prévoir une planification et une ingénierie de réseaux adaptées. Dans ce but, nous étudions dans cette thèse le design d'un nœud de commutation optique ROADM. nous considérons différentes architectures de nœud, composants et sous-systèmes utilisés dans les configurations de nœud RODM "Broadcast and Select" et "Route and Select". Diverses configurations de modules d'insertion/extraction sont analysées ("Colored/colorless, directional/directionless et contentional/contentionless"). Pour ce faire, nous avons développé un simulateur de nœud ROADM dans une plateforme de trafic dynamique et nous avons proposé une stratégie de gestion offline de la contention à l'intérieur du nœud. Nous avons obtenu une réduction du rapport de blocage intra noeud de l'ordre de 1.5. Ensuite, nous nous sommes focalisés sur la planification des futures générations de réseaux optiques métro cœur. Dans ce but, nous avons étudié la possibilité d'une transmission non cohérente à 100 Gb/s en utilisant le format de modulation PDM-DQPSK. Ensuite, nous avons considéré l'implémentation de la PDM-CS-DQPSK. La qualité de transmission de ces deux systèmes a finalement été évaluée / Traffic demand is exponentially increasing in recent years. Cisco forecast claims that by 2020, transport traffic will be 13 times of today's traffic transmission. This incremental traffic demand makes concerns about energy consumption and network scalability as well as increasing the network complexity. In this respect, to adresse the future traffic demand requirement and provide a reliable telecommunication network, precise network planning and engineering are needed. To this aim, we adress the problem of ROADM node design by presenting different architectures, components and subsystems to investigate the Broadcast and Select and Route and Select ROADM node architectures. Colored/colorless, directional/directionless and contentional/contentionless add/drop module configurations are studied. Futhermore, the problem of Intra Node Blocking is investigated by developing a node simulator in a dynamic network traffic platform. In this respect, we propose an offline contention management strategy for an ROADMnode in order to efficiently decrease the Intra Node blocking ration by more than 1.5 order of magnitude. Finally, we focus on network planning by investigating short and medium term network upgrades for metro-core optical network. To this goal, we investigate the possibility of non coherent signal transmission in metro-core segment of hierarchical layered optical network. Quality of transmission for 100 Gbit/s PDM-DQPSK-modulation format is investigated. Then, we propose the implementation of PDM-CS-DQPSK modulation format to transmit 100 Gbit/s signals in ROADM based optical transmission systems

Les travaux portent sur les multiplexeurs optiques fonctionnant à mi-IR pour la source à large bande dans l'application de détection de gaz. Deux configurations ont été étudiées: réseau de guides d'onde (AWG) et réseau concave planaire (PCG). Premièrement, le principe du fonctionnement a été compris afin de développer une solution analytique pour le champ de sortie en utilisant une approximation gaussienne du champ et de l'optique de Fourier. Ensuite, un outil de simulation semi-analytique de la réponse spectrale pour les deux configurations de multiplexeur a été développé dans MATLAB. La distribution normale des erreurs de phase a été introduite dans le modèle semi-analytique AWG, ce qui nous a permis d'étudier la corrélation entre l'écart-type des erreurs de phase et le niveau de diaphonie de la réponse spectrale AWG. AWG à 5,65 μm a été fabriqué à partir de la technologie SiGe / Si à l'aide de l'outil MATLAB pour le calcul des paramètres de conception et de l'outil P.Labeye pour le calcul de la géométrie AWG. Les dispositifs avec des paramètres légèrement variables ont été caractérisés: AWG1 avec guides d'ondes de 4,6 μm et MMI de 9 μm; AWG2 avec guides d'ondes de 4,6 μm et MMI de 11 μm; AWG3 avec guides d'ondes de 4,8 μm et MMI de 9 μm. Des mesures des dispositifs sur la puce 36 (centre de la plaquette) et sur la puce 32 (côté de la plaquette) ont été effectuées et analysées. Les mesures de température de AWG2 et AWG3 (puce 32 et puce 36) aux points cinq points de température ont montré une dépendance linéaire du déplacement spectral avec la température qui a une bonne corrélation avec les prédictions de simulation. / The work focuses on optical multiplexers operating in mid-IR for broadband source in gas sensing application. Two configurations were studies – arrayed waveguide grating (AWG) and planar concave grating (PCG). First, principle of operation was understood in order to develop analytical solution for output field using Gaussian approximation of the field and Fourier Optics. Then, semi-analytical simulation tool of the spectral response for both multiplexer configurations was developed in MATLAB. Normal distribution of phase errors was introduced to semi-analytical AWG model, which allowed us to study the correlation between standard deviation of phase errors and the level of crosstalk of AWG spectral response. AWG at 5.65 µm was fabricated based on SiGe/Si technology using the MATLAB tool for design parameters calculation and P.Labeye’s tool for AWG geometry calculation. Devices with slightly varying parameters were characterized: AWG1 with 4.6 µm waveguides and 9µm MMI; AWG2 with 4.6 µm waveguides and 11µm MMI; AWG3 with 4.8 µm waveguides and 9µm MMI. Measurements of devices on chip 36 (center of the wafer) and chip 32 (side of the wafer) were performed and analyzed. Temperature measurements of AWG2 and AWG3 (chip 32 and chip 36) at points five temperature points showed linear dependence of spectral shift with the temperature which has a good correlation with simulation predictions.