Ce travail de thèse porte sur l'étude de l'autopulsation à 40 GHz générée par verrouillage de modes passif dans les lasers DBR à semi-conducteurs, et de leur application à la récupération d'horloge tout-optique à 40 Gbit/s. Un modèle théorique a montré que le blocage de modes passif dans ces lasers est engendré par mélange à quatre ondes et génère une corrélation des bruits de phase des modes du laser. La signature expérimentale de l'autopulsation est alors la réduction de largeur spectrale du spectre lorentzien du photocourant. L'importance du mélange à quatre ondes a ensuite guidé les démarches de conception de ces composants, et les lasers DBR autopulsants réalisés ont permis l'étude expérimentale du blocage de modes passif, à travers la mesure d'une relation de phase fixe entre modes et la démonstration de la corrélation de leurs bruits de phase. Par la suite, la caractérisation de lasers à boîtes quantiques, développés au III-V Lab, a montré leur potentiel à générer des signaux autopulsants de haute pureté spectrale, avec des largeurs spectrales proches du kHz. Enfin, l'étude de la synchronisation externe du laser autopulsant a montré le rôle clé de la largeur spectrale et l'intérêt des lasers à boîtes quantiques pour les applications telles que la récupération d'horloge tout-optique ou la génération de porteuses optiques micro-ondes. Ces lasers ont d'ailleurs permis la réalisation d'une récupération d'horloge tout-optique à 40 Gbit/s présentant une fonction de transfert de gigue compatible avec le gabarit de la norme ITU-T G825.1. Ce résultat prometteur permet d'envisager l'utilisation de lasers DBR autopulsants dans une interface de régénération.

Le besoin securitaire lie au developpement des cartes a puce intelligentes impose de fortes contraintes quant a la robustesse de fonctionnement de ces dispositifs afin de garantir des performances optimales dans un environnement sans cesse perturbe. Depuis Trois ans, des effets d'annonces, suivies de prudentes introductions commerciales, se sont multiplies pour promouvoir aupres des operateurs telecoms un nouveau concept de carte SIM : une carte, Mega, Very Large ou SuperSIM, offrant des capacites memoires etendues aptes a supporter de nouveaux services de gestion de contenus et, surtout, disposant d'un protocole de communication bien plus rapide que celui specifie par l'ISO7816-3 (9, 6kbits/s en standard). L'augmentation de ce taux de transfert est donc un enjeu important pour ce marche. Une des solutions envisagees serait d'utiliser la performance de la norme USB (Universal Serial Bus) qui est une interface rapide, bidirectionnelle, isochrone et de faible cout, dont les connections sont gerees dynamiquement. En depit de sa simplicite, cette solution a un cout. En effet, l'isochronisme n'est pas assure par le transfert d'une base de temps au travers de la connexion. Ainsi le lecteur et l'element connecte (host et device) doivent generer leurs propre reference. Cependant, celles-ci doivent avoir une precision compatible, aussi bien au niveau des taux de transfert que du nombre d'elements faisant partie de la chaine de communication. L'objectif de cette these est d'une part, la recherche de solutions innovantes et de faible cout permettant la recuperation d'horloge lors de la transmition de donnees entre la carte a puce et son lecteur en se servant du protocole USB, et d'autre part, de demontrer la faisabilite de la solution par l'implementation d'une structure robuste, a faible puissance, pour les applications Smart-Card.

Dans le contexte des réseaux de transmission optiques à haut débit, l'on s'intéresse à la récupération d'horloge, fonction critique au niveau de la réception et de la régénération des signaux. À plusieurs dizaines de gigabits par seconde par canal, les boucles à verrouillage de phase électroniques remplissant traditionnellement cette tâche sont difficiles à réaliser. Or il est possible d'en reproduire le schéma à l'aide de composants optiques non-linéaires plus rapides, notamment les amplificateurs optiques à semi-conducteurs.<br />Après une mise en contexte et quelques généralités sur le principe de fonctionnement desdits boucles de phase et amplificateurs optiques, nous présentons deux systèmes de récupération d'horloge utilisant le mélange à quatre ondes dans ces derniers. Cet effet non-linéaire est observé et étudié, ainsi que les dispositifs de récupération d'horloge, dont le fonctionnement est démontré expérimentalement sur des signaux optiques de type RZ et NRZ à 10 Gbps. Des mesures de taux d'erreurs montrent une pénalité négligeable ; on obtient une bande d'accrochage de l'ordre de quelques dizaines de kilohertz, et une gigue de l'ordre de la picoseconde.<br />Bien que ce débit ne soit plus très impressionnant de nos jours, ces schémas, reposant sur des effets non-linéaires ultrarapides, peuvent être étendus à une utilisation à des débits beaucoup plus élevés (de l'ordre de plusieurs centaines de gigabits par seconde voire au-delà) et à la récupération d'horloge fractionnelle, pour des applications de démultiplexage temporel. Les expériences correspondantes restent à effectuer, ainsi que l'utilisation de composants non-linéaires à faible bruit tels que les fibres optiques microstructurées et le niobate de lithium périodiquement orienté.

Face à l'augmentation constante du trafic lié notamment à Internet, la demande de capacité dans les réseaux cœur ne cesse de croitre : le débit par canal des systèmes WDM a atteint 40 Gbit/s et va bientôt atteindre 100 Gbit/s. A partir de 40 Gbit/s, le traitement tout optique du signal peut offrir une solution intéressante pour réduire la consommation ainsi que le coût des systèmes optiques du futur. L'objectif de cette thèse est de développer des portes optiques non linéaires et d'explorer des méthodes de récupération d'horloge optiques, toutes à base des semiconducteurs, pour la régénération tout optique de signaux à un débit égal ou supérieur à 40 Gbit/. La dynamique ultrarapide du gain des amplificateurs optiques à semiconducteur (SOA) est étudiée afin de l'exploiter pour développer des fonctions simples et compactes permettant la remise en forme du signal. Concernant la fonction de resynchronisation, différentes récupérations d'horloge tout optiques ont été étudiées dans cette thèse. La première partie des travaux a été consacrée entièrement aux portes optiques non linéaires à base des SOA pour des applications à la régénération 2R. L'expérience pompe sonde permettant mesurer le temps de récupération du gain a été réalisée pour étudier la dynamique des SOA. Dans cette thèse, il a été démontré que le SOA massif à fort confinement et le SOA ultra-long à boîtes quantiques sont les plus adaptés pour un fonctionnement à 40 Gbit/s avec des temps de récupération du gain respectivement de 20 ps et 10 ps. Les études expérimentales ainsi que numériques ont mis en évidence la contribution importante des effets intrabandes à la dynamique du gain lorsque des SOA sont saturés par des impulsions courtes (quelques picosecondes). Le SOA massif de fort confinement a été associé avec un absorbant saturable (SA) pour constituer une fonction de régénération 2R complète. L'efficacité du régénérateur SOA SA pour la remis en forme du signal à 40 Gbit/s a été démontrée expérimentalement and numériquement. La deuxième partie des travaux a été dédiée à la récupération d'horloge à base de lasers auto pulsants en vue d'une application à la régénération 3R à 40 Gbit/s. Nous avons proposé une technique originale pour évaluer la performance des fonctions de récupération d'horloge, qui consiste à remoduler l'horloge récupérée. Une nouvelle configuration a été élaborée pour améliorer la qualité de l'horloge récupérée par le laser auto pulsant à base de matériau massif. Elle consiste à introduire un pré filtrage passif devant le laser. La sensibilité à la polarisation des récupérations d'horloge a été également étudiée. La récupération d'horloge utilisant le laser massif suivi par le laser à boîtes quantiques a montré son insensibilité à la polarisation du signal injecté par la mesure du taux d'erreur binaire. Enfin, une étude préliminaire sur la tolérance des récupérations d'horloge à la dispersion modale de polarisation a été menée.

Cette thèse est basée sur l'étude des propriétés d'un laser fibré à blocage de modes actif opérant à un taux de répétition supérieur à 10 Gb/s. Par laser fibré nous entendons que la fibre optique fait partie intégrante de la cavité optique de notre laser. Elle joue le rôle de milieu de propagation du signal optique reliant chaque composant de la cavité laser. Ce laser comporte aussi un amplificateur optique à semiconducteurs (SOA) comme milieu amplificateur, dont le gain est modulé par un signal optique externe. L'objectif de ces travaux consiste à proposer une méthode élégante, simple et bas coût, de génération tout-optique d'impulsions "propres" dédiées à la télécommunication optique. Par impulsions "propres", nous entendons une impulsion se rapprochant au mieux d'une forme mathématique reconnue intéressante à la propagation dans une fibre comme la fonction soliton ou la gaussienne limitées par la diffraction. L'hypothèse qu'une forte dispersion négative de la cavité laser, produite par l'insertion d'une fibre à dispersion négative, pouvant largement contribuer à améliorer les propriétés de fonctionnement du laser et des impulsions générées, a constitué la motivation majeure à l'élaboration de ce projet de thèse. Cette étude propose une approche à la fois théorique et expérimentale.

L'intégration optoélectronique d'un récepteur dans une transmission sur fibre optique concerne l'assemblage de trois principales fonctions : la photodétection, la récupération d'horloge et la régénération des données. Cette thèse contribue au développement d'un tel concept avec, d'une part, l'étude d'une structure de photodiode appelée UTC (Uni-Travelling Carrier) compatible avec le transistor bipolaire à double hétérojonction (TBdH), et d'autre part, la réalisation dans cette même technologie TBdH d'un oscillateur commandé en tension ou VCO (Voltage-Controlled Oscillator) pour la récupération d'horloge et des données à 40 et 43 Gbit/s. La photodiode UTC présente de très bonnes performances en bande passante et en courant de saturation par rapport à la photodiode PIN classique. La première partie de ce travail présente une étude approfondie de la structure UTC ainsi que son intégration avec la structure TBdH sur substrat InP. La compatibilité entre ces deux structures a été validée avec quelques critères à respecter. En particulier, le dopage et l'épaisseur de la base constituent les principaux compromis entre la sensibilité et la rapidité du dispositif. Le VCO de type différentiel permettra, après intégration dans une boucle à verrouillage de phase ou PLL (Phase-Locked Loop), de générer un signal stable fournissant deux phases d'horloge complémentaires aux circuits numériques, notamment au circuit de décision utilisé pour la régénération des données. L'architecture « à varactor interne » choisie offre un fort potentiel pour la réalisation des VCO de très hautes fréquences. Le circuit VCO réalisé au cours de cette thèse présente de bonnes performances en plage d'accord (10%) autour de la fréquence d'oscillation de 45 GHz. La précision de cette fréquence est liée aux modèles du transistor et de la ligne coplanaire utilisés dans la simulation, ainsi qu'à la reproductibilité technologique. Ces résultats permettent de franchir une étape importante et nécessaire à la réalisation d'un récepteur monolithique à base de TBdH InP pour les applications à très haut débit.

L'objectif de ce travail est d'étudier les avantages de la technologie CMOS/SOI 0.13µm partiellement désertée, pour la conception des circuits d'interface des liens haut débit (10 et 40Gbit/s). Nous avons identifié une fonction critique: la récupération de l'horloge et des données (CDR). L'étude de cette fonction nous a conduit à une analyse approfondie de l'oscillateur commandé en tension (VCO). Neuf circuits VCO et oscillateurs 10GHz ont ainsi été conçus pour valider les choix technologiques offerts par le CMOS/SOI. Les performances mesurées démontrent l'intérêt du CMOS/SOI pour les applications à hautes fréquences. Pour les applications à 40Gbit/s, nous avons ensuite conçu, réalisé et testé un VCO multi-phases 4x10GHz. Les résultats expérimentaux montrent une amélioration significative de la figure de mérite lorsque l'on compare ce circuit en CMOS/SOI avec les résultats précédemment publiés.