Dissertations / Theses on the topic 'Dispositifs électro-optiques'

L'objectif de ce travail est de concevoir, fabriquer et caractériser des commutateurs électro-optiques à haute diaphotie de type Digital Optical Switch réalisés en optique intégrée sur InP. Nous avons commencé ce travail par une conception approfondie de nos commutateurs, à l'aide de logiciels de modélisation numérique (Analyse modale, BPM2D et BPM3D) développés à l'IEMN et adaptés à nos dispositifs, et proposé une forme originale de la structure guidante et des électrodes. Une première réalisation a conduit à des diaphoties ne présentant que 20dB ; en parallèle, des dispositifs spécifiques nous ont permis d'analyser les mécanismes liés aux effets d'injection de porteurs libres; Par rétrosimulation, nous avons mis en évidence l'origine de l'écart entre diaphotie mesurée et prévue théoriquement (>30dB) ; nous avons apporté les modifications technologiques nécessaires. La caractérisation de ces nouveaux composants a montré des diaphoties supérieures à 40dB, correspondant à un record pour ce type de dispositif. Nous terminons ce mémoire par quelques perspectives.

Ce travail concerne les études expérimentales et théoriques de la réponse électro-optique de cellules de cristaux liquides SmC* en configuration torsadée. Les effets des paramètres physiques du cristal liquide, du confinement et ceux de la présence d'impuretés ioniques sur le comportement des cellules ont été clairement identifiés et analysés. Une attention particulière a été portée sur les rôles de la polarisation spontanée et de la dynamique des charges ioniques. Le modèle statique que nous avons développé a permis d'analyser les influences combinées de la structure torsadée et du vecteur polarisation spontanée Ps sur l'intensité transmise. Les divergences de Ps se traduisent par l'apparition de charges de polarisation. Ce modèle a permis de calculer la distribution de l'angle azimutal j(z), le champ électrique interne et la transmission de la lumière par les cellules placées entre polariseurs parallèles. Les courbes de transmission en fonction de la tension appliquée présentent une forme en « V ». Cette forme est principalement liée à la polarisation spontanée, à l'épaisseur de la cellule et aux couches d'alignement. Le modèle dynamique proposé rend compte des décalages, du « V », observés expérimentalement. L'interaction des charges ioniques avec les charges de polarisation modifie profondément les distributions de j(z) et donne lieu à un champ ionique interne. La présence de ce champ ioniques quand aucune tension n'est appliquée est à l'origine de deux modes de fonctionnement. Aux hautes fréquences (i. E F>10Hz) ce champ influence la distribution de j(z) et l'allure de la courbe de transmission est déformée, le paramètres pertinent est alors la densité en charge ionique. Aux basses fréquences, selon la densité et la mobilité ionique, les charges ioniques se redistribuent continuellement en suivant les charges de polarisation et le champ appliqué. La distribution de j(z), et par suite,la courbe de transmission, sont donc profondément modifiées. Les mesures de la transmission électro-optique confirment l'ensemble des résultats et montrent que les forces d'ancrages jouent un rôle important.

Les modulateurs développés actuellement pour les télécommunications optiques à haut débit souffrent généralement, dans leur partie DC, d’un phénomène de dérive, dont les causes ne sont pas totalement élucidées. Afin de trouver des origines de cette dérive nous avons commencé par caractériser un modulateur Mach-Zehnder commercial. Ceci nous a permis d’identifier l’existence de trois phénomènes : un premier phénomène à temps de réponse rapide lié à la couche de silice, un deuxième lié à l’anisotropie du substrat et un troisième phénomène corrélé aux hétérogénéités de surface induites lors de la fabrication du composant. Cette analyse nous a conduit à envisager une solution aux problèmes des dérives liées à la relaxation des charges dans la structure du composant. Cette solution consiste à compenser les dérives liées à l’anisotropie du substrat de LiNbO3 par celles dues aux hétérogénéités électriques de surface. Afin de mettre en oeuvre cette solution nous avons développé un modèle physique basé sur les équations de Maxwell qui permet de calculer la carte de conductivité idéale permettant de supprimer la dérive à long terme. Ce calcul nécessite la connaissance des temps de réponse caractéristiques du substrat de LiNbO3. C’est pourquoi nous avons mis en place deux bancs de mesures, un montage de Sénarmont et un interféromètre de Mach-Zehnder. Ces montages nous ont permis de mesurer l’évolution temporelle du champ électrique induit dans le substrat lors de l’application d’un échelon de tension et d’en déduire ces temps de réponses
The modulators currently developed for high speed optical telecommunications generally suffer, in their DC part, from a drift phenomenon, whose causes are not completely understood. In order to find the origins of this drift we started by characterizing a commercial Mach-Zehnder modulator. This enabled us to identify the existence of three phenomena : a first phenomenon with a fast response time related to the silica layer, a second one related to the anisotropy of the substrate and a third phenomenon linked to the heterogeneities of surface induced during the fabrication of the device. This analysis led us to consider a solution to the problems of the drifts related to charges relaxation in the structure of the device. This solution consists in the compensation of the drifts related to the anisotropy of the substrate of LiNbO3 by those due to the electric heterogeneities of the surface. In order to implement this solution we have developed a physical model based on the Maxwell’s equations which allows to calculate the map of the ideal electrical conductivity allowing to remove the long-term drift. This calculation requires the knowledge of the response times of the LiNbO3 substrate. This is why we have developed two experimental setups, one based on the Senarmont’s method and the other on a Mach-Zehnder interferometer. These setups enabled us to measure the temporal evolution of the electric field induced in the substrate during the application of a voltage step and to deduce these response times from them

Nous examinons la possibilité de créer de nouveaux composants électro-optiques à l’aide de surfaces mésogènes contrôlées par champs électromagnétiques. Ces surfaces programmées ont comme fonction d’imposer une orientation sur le volume de cristal liquide lui étant juxtaposé afin de produire les propriétés électro-optiques désirées. L’étendue et l’efficacité de ces propriétés ont un impact technologique important par exemple dans le domaine des afficheurs à cristaux liquides et des atténuateurs optiques variables. Plus spécifiquement, cette recherche analyse l’interaction de surface entre le substrat mésogène et le cristal liquide ainsi que les diverses avenues pratiques en découlant. Par exemple, l’importance de l’interdiffusion entre ces deux milieux sera détaillée et liée à la création de réseaux autoorganisés en surface. Ce phénomène précurseur permet la création d’un système composite novateur de cristaux liquides stabilisés par surfaces mésogéniques avec comme application les atténuateurs électro-optiques.
We investigate the possibility of creating new electro-optical components using mesogenic surfaces controlled by electromagnetic fields. These programmed surfaces have the function of imposing an alignment on the juxtaposed volume of liquid crystal to produce the desired electro-optical properties. The extent and effectiveness of these properties have a great technological impact such as in the field of liquid crystal displays and variable optical attenuators. More specifically, this research addresses the surface interaction between the mesogen substrate and the liquid crystal and various practical avenues resulting therefrom. For example, the importance of interdiffusion between those two materials will be detailed and linked to the creation of surface self-organizing networks. This original phenomenon allows the creation of a surface - polymer stabilized liquid crystal composite which is applied to electro-optical attenuators.

En premier lieu, des couches minces épitaxiales ont été obtenues sur des substrats de silicium grâce à l’utilisation de l’épitaxie par jets moléculaire et de couches tampons de titanate de strontium SrTiO3. Une technique de croissance par co-déposition a été développée de manière à obtenir un rapport Ba:Ti proche de la stoechiométrie, et ce afin d’éviter la formation de défauts cristallins dans la couche de BaTiO3. Le matériau déposé cristallise dans une structure de symétrie quadratique, ce qui est unpré-requis pour l’obtention de propriétés électro-optiques. De plus, selon les conditions de croissance, l’axe c de la maille élémentaire quadratique a pu être ajusté de manière à être aligné parallèlement ou perpendiculairement à la surface du substrat. L’utilisation d’une mince couche tampon de nucléation a également permis de croitre des films mincesBaTiO3 épitaxiées par pulvérisation, technique largement répandue en milieu industriel.Un coefficient de Pockels élevé a par la suite été obtenu sur de tellescouches épitaxiées. La valeur mesurée de 148pmV est clairement supérieure aux valeurs admises dans la littérature pour d’autres matériaux nonlinéairestels que le niobate de lithium, pour lequel un coefficient de31pmV est rapporté. La méthode de caractérisation électro-optique développée à cette occasion révèle également le caractère ferroélectrique des couches de BaTiO3, observé pour la première fois dans de tels matériaux épitaxiés sur silicium.Finalement, ces couches minces électro-optiquement actives ont été intégrées dans des dispositifs photoniques sur silicium. Dans cette optique,une structure de guide d’onde à fente a été utilisée en insérant 50nm deBaTiO3 entre deux couches de silicium. Dans ce type de structure, le confine mentoptique est 5 fois supérieur à celui obtenu pour des guides d’onde en silicium avec une gaine à base de BaTiO3. Des guides d’ondes rectilignesont tout d’abord été fabriqués, pour lesquels des pertes optiques del’ordre de 50−100 dB/cm ont été mesurées. Par la suite, des composants passifs fonctionnels ont été fabriqués, tels que des interféromètres typeMach-Zehnder, des résonateurs circulaires et des coupleurs. Finalement,la fonctionnalité de composants actifs a été démontrée pour la première fois, en se basant notamment sur des résonateurs ayant un facteur de qualité Q d’environ 5000, et pour lequel la résonance varie en fonction du champ électrique transverse. L’origine physique de cette variation n’a cependant pas pu être expliquée sur la seule base de l’effet Pockels. Cette thèse démontre que l’utilisation de nouveaux matériaux électro optiquement actifs au coeur de dispositifs photoniques sur silicium créede nouvelles opportunités pour la conception et l’ingénierie de circuitsphotoniques. L’intégration d’oxydes tels que barium titanate permet d’envisager de nouveaux concepts de dispositifs pour ajuster, moduler ou commuter la lumière au sein de circuits photoniques denses. De nouveaux défis et perspectives s’ouvrent également aux scientifiques pour modifier artificiellement les propriétés électro-optiques de ces matériaux, que ce soit par contrainte, dopage ou par l’ingénierie de multicouches. De telles avancées pourront sans aucun doute fortement améliorer les performances des dispositifs
A novel concept of utilizing electro-optical active oxides in silicon photonic devices is developed and realized in the frame of this thesis. The integration of such oxides extends the silicon photonics platform by non-linear materials, which can be used for ultra-fast switching or low-power tuning applications. Barium titanate is used as active material as it shows one of the strongest Pockels coefficients among all oxides. Three major goals are achieved throughout this work: First, thin films of BaTiO3 are epitaxially grown on silicon substrates via molecular beam epitaxy (MBE) using thin SrTiO3 buffer layers. A shuttered co-deposition growth technique is developed in order to minimize the formation of defects in the BaTiO3 films by achieving a 1:1 stoichiometry between barium and titanium. The layers show a tetragonal symmetry and are therefore well-suited for electro-optical applications. The orientation of the long c -axis of the BaTiO3 crystal can be tuned to point perpendicular or parallel to the film surface, depending on the growth conditions. In addition, thin MBE-grown seed layers are combined with rf-sputter deposition. With this hybrid growth approach, rather thick ( > 100 nm), epitaxial BaTiO3 layers on silicon substrates are obtained with a commercially available, wide spread deposition technique. As a second goal, a strong Pockels coefficient of reff = 148 pm/V is determined in the epitaxial BaTiO3 films. This first experimental result on the electro-optical activity of BaTiO3 layers on silicon shows a clear enhancement compared to alternative non-linear materials such as lithium niobate with reff = 31 pm/V. By means of the electro-optical characterization method, also the presence of ferroelectricity in the films is demonstrated. Third, the electro-optical active BaTiO3 layers are embedded into silicon photonic devices. For this purpose, a horizontal slot-waveguide structure with a ~50 nm-thick BaTiO3 film sandwiched between two silicon layers is designed. With this design, the optical confinement in the active BaTiO3 layer is enhanced by a factor of 5 compared to Si-waveguide structures with a standard cross section and BaTiO3 as cladding. Straight BaTiO3 slot-waveguides with propagation losses of 50 − 100 dB/cm as well as functional passive devices such as Mach-Zehnder-interferometers, couplers, and ring resonators are experimentally realized. Additionally, first active ring resonators with Q-factors of Q~5000 are fabricated. The physical origin of the observed resonance shift as a function of the applied bias voltage, however, can not be conclusively clarified in the present work. The combination of high-quality, functional BaTiO3 layers with silicon photonic devices as demonstrated in this thesis offers new opportunities by extending the design palette for engineering photonic circuits with the class of electro-opticalactive materials. The integration of oxides such as BaTiO3 enables novel device concepts for tuning, switching, and modulating light in extremely dense photonic circuits. The integration also opens exciting challenges for material scientists to tailor the electro-optical properties of those oxides by strain engineering or fabrication of superlattice structures, which could ultimately lead to another boost of their electro-optical properties

Ce mémoire présente les travaux de conception et de réalisation d'un banc de mesures de paramètres électriques et optiques dédié au diagnostic de défaillances de systèmes optoélectroniques émissifs infrarouge (880 - 1550 nm). Les performances du banc comprenant des mesures courant-tension, puissance optique et spectre optique en température ont permis la discrimination de dégradations relatives au composant ou à l'alignement optique de diodes électroluminescentes ou têtes optiques. Les niveaux de contraintes apportées par des vieillissements, appliquées à des têtes optiques émissives 1310 nm à cavité Fabry-Pérot ont induit une chute de puissance optique de plus de 10% après un nombre réduit de cycles. L'origine de cette diminution de puissance optique peut être initiée par une défaillance au sein de la puce ou une instabilité du couplage avec la fibre optique. Les dérives du courant de seuil et du spectre optique ont confirmé des dégradations de la zone active. En revanche, les analyses électro-optiques ne permettent pas de déterminer l'origine de la défaillance dans le cas d'une dérive du couplage optique. Les tolérances submicroniques des éléments passifs d'alignement optique étant fréquemment à l'origine des défaillances, des simulations physiques non-linéaires par éléments finis ont été également effectuées afin de déterminer la susceptibilité thermomécanique d'un module optoélectronique émissif complet DFB 1550 nm. Cette étude a démontré l'accumulation de contraintes résiduelles après les tirs YAG, utilisés pour souder les sous parties entre elles, susceptibles de provoquer une déviation de l'axe optique théorique de 0,03ʿ responsables d'une chute de 15 % de la puissance optique. Un macromodèle, tenant compte des différentes étapes de fabrication et des caractéristiques expérimentales des matériaux en présence, a été développé, en accord avec le fabricant, pour optimiser les règles de conception de nouvelles générations de têtes optiques robustes.

L'objectif de la thèse est de réaliser des dispositifs électrochromes flexibles à signature infrarouge contrôlable dont les propriétés électro-optiques sont conférées par un polymère conducteur. En effet, l'application d'une différence de potentiel entre deux électrodes, dont l'une est le polymère conducteur, doit permettre de moduler la signature infrarouge du dispositif en bande II (3-5 µm) et III (8-12 µm), par modifications réversibles des propriétés optiques du polymère conducteur.

La couche mince de polymère conducteur est électrochimiquement déposée sur une membrane microporeuse dorée, réflectrice vis à vis du rayonnement incident. Le polymère conducteur passant d'un état optique transparent à absorbant lors du processus électrochimique de dopage-dédopage engendre alors le contraste. Deux polymères conducteurs ont été étudiés : la polydiphénylamine et le poly(3,4-éthylènedioxythiophène).

Le cyclage électrochimique des couches minces de polymères conducteurs met en évidence des effets de gonflement réversibles qui dépendent principalement de la nature du dopant et de l'électrolyte de cyclage. L'analyse de l'impédance d'une microbalance à quartz électrochimique, sur lequel est déposé le polymère, a permis de suivre in situ les changements de masse et de morphologie du film pendant les cycles d'oxydoréduction. Les insertions et les désinsertions des différentes espèces chimiques (ions et molécules de solvant) lors des processus redox ont ainsi pu être quantifiées. L'influence de la nature du dopant, l'effet de la nature de l'électrolyte de cyclage, ainsi que le type de signal électrique appliqué (triangulaire ou carré) ont été étudiés.

Des dispositifs électrochromes flexibles à base de membranes poreuses et de polymères conducteurs ont été assemblés. Nous avons pu alors montrer que le contraste réversible obtenu dans le moyen infrarouge était lié aux mouvements d'insertion et de désinsertion des espèces chimiques mis en évidence à l'aide de la microbalance à quartz.

La generalisation actuelle des echanges d'information a conduit a une croissance des besoins en bande passante des systemes de telecommunication. Le traitement tout optique de l'information est devenu necessaire generant un besoin accru des dispositifs optiques pour stocker, controler et traiter d'importantes quantites d'informations. Dans le domaine de telecommunications, l'effet electro-optique des differents materiaux est souvent utilise pour la realisation des composants. Les materiaux organiques offrent de nouvelles perspectives pour le developpement de dispositifs electro-optiques performantes grace a son bon coefficient electro-optique et sa forte bande passante. De plus, la facilite des techniques de mise en uvre facilite leur integration avec d'autres materiaux pour former des composants hybrides multifonctions. Le travail presente a comme objectif la realisation et caracterisation de dispositifs optiques en technologie hybride : un guide de surface fabrique par echange ionique et un polymere electro-optique comme milieu actif. Un polariseur te a ete fabrique en utilisant une methode d'orientation par effet corona, un taux d'extinction de 40 db et des pertes d'insertion de 5 db ont ete obtenus. L'implementation des depots des electrodes transparentes en ito permet la realisation du polariseur te avec une methode d'orientation sous champ electrique par des electrodes. Dans ce cas, un taux d'extinction de 34 db et des pertes d'insertion de 9 db ont ete mesures. Par ailleurs, une modulation de phase electro-optique a ete montree experimentalement avec une tension demi-onde v = 200 v sur une longueur de modulation de 0,3 cm.

La miniaturisation est l’objectif actuel de tous les fabricants de composants radio-fréquence depuis plusieursdécennies. Si les composants actifs pour la microélectronique sont fondés sur la structuration de plaquesde silicium, les composants passifs reposent sur l’utilisation de cristaux tels que le quartz ou le niobate delithium. Ce dernier est particulièrement utilisé quand il s’agit de générer et exploiter des ondes élastiques, ainsique pour le guidage de faisceaux lumineux afin de réaliser des filtres ou des capteurs sensibles à différentsparamètres environnementaux. L’amélioration du guidage de ces ondes permet un gain en consommation et encompacité des dispositifs mais nécessite une structuration de la matière souvent tridimensionnelle. Cette étapetechnologique clé est industriellement mature pour la mise en forme du silicium, mais s’avère di_cilementtransposable à des matériaux tels que le quartz ou le niobate de lithium. Les travaux présentés dans cemanuscrit visent à réaliser des structures tridimensionnelles à hauts facteurs de forme dans des matériauxmonocristallins à l’aide d’une scie circulaire de précision. Des structures utilisant l’inversion périodique dedomaine ferroélectrique seront réalisées afin de les utiliser pour y guider des ondes élastiques possédant descouplages électromécaniques particulièrement élevées. Le guidage d’ondes optiques par le biais de ces mêmesstructures permet une amélioration du confinement par rapport aux systèmes de guidage massifs classiquescouramment utilisés pour la réalisation de filtre ou de modulateur électro-optiques. En utilisant conjointementle guidage d’ondes optiques et les domaines ferroélectriques alternés, les structures ainsi découpées permettentl’apparition de phénomènes optiques non-linéaires exaltés par l’amélioration du confinement. Ces structuresont ainsi montré leur intérêt dans plusieurs domaines de la physique avec un champ applicatif particulièrementvaste
Over the past decades, minutiarization and compacity have become a focus subject for companies specialisedin the manufacturing of radio-frequency components. Active components are typically manuafctured onsilicon wafers with well-known structuring methods. Passive ones are often manufactured on single cristalsuch as Quartz or Lithium Niobate, especially for acoustic wave generation or lightwave guiding. Theguiding of optical or acoustical waves leads to the manufacturing of sensors or filters which can be usedfor telecommunications or for the industry. Improvement in waveguiding allows for less power-consuming andmore compact devices but a 3D-structuring is usually required. This technology readness is high leveled forsilicon structuring but not for single crystals such as Lithium Niobate. This work presents the development andthe manufacturing of high aspect ratio three-dimensionnal structures in single-crystals using precise sawing.These structures show an optical waveguiding capability which allow the improvements of electro-opticmodulators or filters. Combined with a periodic reversing of Lithium Niobate polarization, these structuresallows for bulk acoustic wave generation leading to high electromechanical coupling and equivalent phasevelocity resonant modes. In non-linear optic field, this kind of structures lead to the improvement of secondharmonic generation e_ciency by reducing the cross section of waveguide. The manufactured devices in theframework of this project can actuelly be used in several domains of physic

La communication ultra large bande (UWB) a attiré une énorme quantité de recherches ces dernières années, surtout après la présentation du masque spectral de US Federal Communications Commission (FCC). Les impulsions ultra-courtes permettent de très hauts débits de faible puissance tout en éliminant les interférences avec les systèmes existants à bande étroite. La faible puissance, cependant, limite la portée de propaga- tion des radios UWB à quelques mètres pour la transmission sans fil à l’intérieur d’une pièce. En outre, des signaux UWB reçu sont étendus dans le temps en raison de la propagation par trajet multiple qui résulte en beaucoup d’interférence inter-symbole (ISI) à haut débit. Le monocycle Gaussien, l’impulsion la plus commune dans UWB, a une mauvaise couverture sous le masque de la FCC. Dans cette thèse, nous démontrons des transmet- teurs qui sont capables de générer des impulsions UWB avec une efficacité de puissance élevée. Une impulsion efficace résulte dans un rapport de signal à bruit (SNR) supérieur au récepteur en utilisant plus de la puissance disponible sous le masque spectral de la FCC. On produit les impulsions dans le domaine optique et utilise la fibre optique pour les transporter sur plusieurs kilomètres pour la distribution dans un réseau optique pas- sif. La fibre optique est très fiable pour le transport des signaux radio avec une faible consommation de puissance. On utilise les éléments simples comme un modulateur Mach-Zehnder ou un résonateur en anneau pour générer des impulsions, ce qui permet l’intégration dans le silicium. Compatible avec la technologie CMOS, la photonique sur silicium a un potentiel énorme pour abaisser le coût et l’encombrement des systèmes optiques. La photodétection convertit les impulsions optiques en impulsions électriques avant la transmission sur l’antenne du côté de l’utilisateur. La réponse fréquentielle de l’antenne déforme la forme d’onde de l’impulsion UWB. Nous proposons une technique d’optimisation non-linéaire qui prend en compte la dis- torsion d’antenne pour trouver des impulsions qui maximisent la puissance transmise, en respectant le masque spectral de la FCC. Nous travaillons avec trois antennes et con- cevons une impulsion unique pour chacune d’entre elle. L’amélioration de l’énergie des impulsions UWB améliore directement la SNR au récepteur. Les résultats de simulation montrent que les impulsions optimisées améliorent considérablement le taux d’erreur (BER) par rapport au monocycle Gaussien sous propagation par trajet multiple. Notre autre contribution est l’évaluation d’un filtre adapté pour recevoir efficace- ment des impulsions UWB. Le filtre adapté est synthétisé et fabriqué en technologie microstrip, en collaboration avec l’Université McGill comme un dispositif de bande interdite électromagnétique. La réponse fréquentielle du filtre adapté montre une ex- cellente concordance avec le spectre ciblé de l’impulsion UWB. Les mesures de BER confirment la performance supérieure du filtre adapté par rapport à un récepteur à conversion directe. Le canal UWB est très riche en trajet multiple conduisant à l’ISI à haut débit. Notre dernière contribution est l’étude de performance des récepteurs en simulant un système avec des conditions de canaux réalistes. Les résultats de la simulation montrent que la performance d’un tel système se dégrade de façon significative pour les hauts débits. Afin de compenser la forte ISI dans les taux de transfert de données en Gb/s, nous étudions l’algorithme de Viterbi (VA) avec un nombre limité d’états et un égaliseur DFE (decision feedback equalizer). Nous examinons le nombre d’états requis dans le VA, et le nombre de coefficients du filtre dans le DFE pour une transmission fiable de UWB en Gb/s dans les canaux en ligne de vue. L’évaluation par simulation de BER confirme que l’égalisation améliore considérablement les performances par rapport à la détection de symbole. La DFE a une meilleure performance par rapport à la VA en utilisant une complexité comparable. La DFE peut couvrir une plus grande mémoire de canal avec un niveau de complexité relativement réduit.
Ultra-wideband (UWB) communication has attracted an enormous amount of research in recent years, especially after the introduction of the US Federal Communications Commission (FCC) spectral mask. Ultra-short pulses allow for very high bit-rates while low power eliminates interference with existing narrowband systems. Low power, however, limits the propagation range of UWB radios to a few meters for indoors wireless transmission. Furthermore, received UWB signals are spread in time because of multipath propagation which results in high intersymbol interference at high data rates. Gaussian monocycle, the most commonly employed UWB pulse, has poor coverage under the FCC mask. In this thesis we demonstrate transmitters capable of generating UWB pulses with high power efficiency at Gb/s bit-rates. An efficient pulse results in higher signal-to-noise ratio (SNR) at the receiver by utilizing most of the available power under the FCC spectral mask. We generate the pulses in the optical domain and use optical fiber to transport the pulses over several kilometers for distribution in a passive optical network. Optical fiber is very reliable for transporting radio signals with low power consumption. We use simple elements such as a Mach Zehnder modulator or a ring resonator for pulse shaping, allowing for integration in silicon. Being compatible with CMOS technology, silicon photonics has huge potential for lowering the cost and bulkiness of optical systems. Photodetection converts the pulses to the electrical domain before antenna transmission at the user side. The frequency response of UWB antennas distorts the UWB waveforms. We pro- pose a nonlinear optimization technique which takes into account antenna distortion to find pulses that maximize the transmitted power, while respecting the FCC spectral mask. We consider three antennas and design a unique pulse for each. The energy improvement in UWB pulses directly improves the receiver SNR. Simulation results show that optimized pulses have a significant bit error rate (BER) performance improvement compared to the Gaussian monocycle under multipath propagation. Our other contribution is evaluating a matched filter to receive efficiently designed UWB pulses. The matched filter is synthesized and fabricated in microstrip technology in collaboration with McGill University as an electromagnetic bandgap device. The frequency response of the matched filter shows close agreement with the target UWB pulse spectrum. BER measurements confirm superior performance of the matched filter compared to a direct conversion receiver. The UWB channel is very rich in multipath leading to ISI at high bit rates. Our last contribution is investigating the performance of receivers by simulating a system employing realistic channel conditions. Simulation results show that the performance of such system degrades significantly for high data rates. To compensate the severe ISI at gigabit rates, we investigate the Viterbi algorithm (VA) with a limited number of states and the decision feedback equalizer (DFE). We examine the required number of states in the VA, and the number of taps in the DFE for reliable Gb/s UWB trans- mission for line-of-sight channels. Non-line-of-sight channels were also investigated at lower speeds. BER simulations confirm that equalization considerably improves the performance compared to symbol detection. The DFE results in better performance compared to the VA when using comparable complexity as the DFE can cover greater channel memory with a relatively low complexity level.

L’augmentation des capacités des systèmes de télécommunications optiques passe par le développement des dispositifs optoélectroniques innovants et des technologies clés à hautes performances. Ces dispositifs sont sujets à une forte intégration des composants et les technologies déployées mettent en œuvre des fonctions complexes (PDM – QPSK, PDM – 16 QAM, etc.). Il est donc nécessaire avant toute réalisation d’étudier le comportement électromagnétique de ces composants afin d’envisager des performances en haute fréquence et une bonne intégrité du signal contenant l’information dans la chaîne de transmission. Ainsi à travers une modélisation EM – circuit le comportement global d’un modulateur à plusieurs niveaux de phase, basé sur la déplétion de porteurs dans une jonction PN, est étudié et analysé. Le modulateur est dans un premier temps représenté par un modèle prenant en compte la jonction. Cette dernière est modélisée par sa résistance et sa capacité équivalentes. Ensuite le packaging du modulateur avec son circuit d’entrée pour les signaux RF et son circuit de sortie pour l’adaptation de charges en sortie est réalisé et optimisé. Une modélisation EM a également permis de concevoir le circuit d’entrée d’un multiplexeur intégré à un Convertisseur Numérique – Analogique 3 bits, destiné à mettre œuvre une modulation PDM – 64 QAM dans un système optique. Les résultats obtenus respectent les spécifications industrielles et permettent de d’envisager le fonctionnement en haute fréquence des dispositifs intégrés
The increase of the capacities of optical telecommunications systems goes through the development of innovative optoelectronics devices and key technologies with high performances. These devices are subjects to high components integration and the deployed technologies implement complex functions (PDM - QPSK, PDM - 16 QAM etc.). Therefore, it is necessary before any realization to study the electromagnetic behavior of these components in order to predict good performances at high frequency and signal integrity in the transmission chain. Thus, through an EM - circuit modeling, the overall behavior of an electro-optical multilevel modulator based on carrier depletion in a PN junction has been studied and analyzed. The modulator is firstly represented by a model taking in account the junction. The junction is modeled by her equivalents resistance and capacity. Subsequently, the packaging of the modulator with the input and out circuit is realized and optimized. The EM modeling has also helped to design the input circuit of an integrated multiplexer to a 3 bits digital - analog converter for an optical system. The obtained results meet the industry specifications and allow predicting good performances in high frequency for the integrated devices

L'étude proposée s'insère dans le cadre de travaux concernant la réalisation de guides plans et l'analyse du fonctionnement de dispositifs utilisant des ondes optiques de surface de type plasmons. L'excitation de plasmons de surface se matérialisant par des pics de résonance étroits dans les courbes de réflexion totale atténuée, il est possible d'utiliser de telles ondes dans des dispositifs de type modulateur électro-optique. Une étude des guides plans comportant une interface métallique permet de mettre en évidence le comportement de modes guides particuliers faisant intervenir une oscillation collective des électrons du métal (plasmons). L'équation de dispersion d'une structure guidante est alors traitée de façon généralisée pour montrer les couplages qui peuvent intervenir entre deux plasmons identiques dans des structures de type métal /diélectrique / métal : ces résultats permettent de caractériser les plasmons de surface à faibles pertes. La modélisation des courbes de réflectivité permet ensuite de voir quelles sont les modifications apportées aux caractéristiques des plasmons quand on utilise un coupleur à prisme. L'aspect modélisation de dispositifs de modulation du faisceau réfléchi par effet électro-optique est abordé : ces modèles permettent de prévoir les performances de tels modulateurs et montrent que l'utilisation des plasmons de surface à faibles pertes peut conduire à des résultats comparables à ceux obtenus avec des modes guides dans des diélectriques. Enfin, on montre qu'il est possible grâce au dispositif de mesure mis en oeuvre de comparer facilement les résultats théoriques provenant d'une modélisation et les courbes expérimentales résultant de mesure du coefficient de réflexion

La photonique sur silicium est envisagée comme une solution technologique très prometteuse pour le remplacement des interconnexions électriques par des interconnexions optiques devant se produire dans les prochaines années. Des dispositifs optoélectroniques comme des sources lasers, des modulateurs et des détecteurs, ont été développés pour la réalisation de circuits intégrant des émetteurs/récepteurs. Parmi les défis devant être relevés pour faire avancé la photonique sur silicium, la réduction de la consommation électrique du modulateur est un point crucial. L’intégration des composants passifs et actifs en utilisant une seule et même technologie est également un enjeu majeur pour les futurs systèmes de communication optique. Grâce au développement de l'intégration hybride de semi-conducteurs III-V sur silicium pour la réalisation de sources laser sur silicium, de nouvelles voies peuvent être envisagée pour réaliser des modulateurs optiques et des photodétecteurs efficaces et compacts. De plus, les cristaux photoniques 2D (PhC) et spécifiquement les structures à ondes lentes, qui sont connues pour renforcer les interactions entre la lumière et la matière peuvent apporter des solutions intéressantes pour diminuer de manière ultime la puissance consommée.Dans ce contexte, les travaux menés durant ma thèse ont porté plus spécifiquement sur la conception, la fabrication et la caractérisation de modulateurs à électro-absorption à onde lente en semiconducteur III-V sur silicium. Dans une première partie consacrée à la modélisation, une attention particulière est portée à la conception du cristal photonique et au couplage de la lumière du guide silicium vers l’onde lente. Les performances de la structure optimisée sont aussi analysées, donnant un modulateur de seulement 18.75 µm de longueur fonctionnant à 15 GHz avec un taux d’extinction supérieure à 5 dB sur une gamme spectrale supérieure à 10 nm. Par la suite, l’ensemble des procédés de nanotechnologies durant la thèse pour la fabrication des dispositifs sont présentés. Enfin, les résultats expérimentaux obtenus au cours de cette thèse démontrent l’effet Stark Confiné Quantiquement et l’effet de photodétection obtenu sur les structures intégrées.Les perspectives de ce travail de thèse concernent la réalisation de circuits intégrés photoniques complets, incluant sources lasers, modulateurs à électroabsorption et photodétecteurs en utilisant une seule et même technologie
Silicon photonics is considered as a promising solution to replace electrical interconnections in the next years. Among the remaining challenges, the driving power of the active devices has to be minimized. Furthermore the use of a common technological platform for the realization of Silicon (Si) photonics passive and active devices would present a great interest in term of fabrication complexity and cost. III-V on Si is a good candidate for such a common technological platform as the physical properties of III-V semiconductors allow for active functionalities such as III-V on Si laser which have already been successfully demonstrated. In this perspective, 2D photonic crystals (PhCs) and slow light structures, which are known to intrinsically reinforce light/matter interactioncan alsobring interesting opportunities.In this context, the work is focused on the design, fabrication and characterization of slow-light III-V- on-silicon electroabsorption modulators. In a first part, the photonic crystal structure and light coupling from silicon waveguide to slowlight III-V waveguide are designed and modeled. The performance of the optimized structure is analyzed, showing a modulator operating at 15 GHz and exhibiting an extinction ratio of more than 5 dB over a spectral range of more than 10 nm, using a 18.75 µ;m-long modulator. Subsequently, the masks and fabrication steps for a hybrid III-V photonic crystalon Si modulators are presented. Finally, the experimental results obtained during this thesis are presented, showing Quantum Confined Stark Effect and photodetection in the waveguide integrated structures.The reported works open perspective towards the integrating of optical modulators with III-V on silicon nanolasers and photodetectors using a single technology

Les centres de données subissent une augmentation exponentielle du trafic de données, à laquelle la photonique sur silicium apporte une solution grâce à de forts volumes de production, à faibles coûts et à haut rendements. Aujourd'hui la consommation énergétique est un défi supplémentaire à relever face à la densification du réseau. Le modulateur capacitif permet en particulier de réduire la part d'énergie consommée par l'émetteur du circuit photonique qui réalise la modulation d'intensité optique. Les travaux d'intégration et de conception réalisés au cours de cette thèse consistent à introduire un isolant diélectrique au centre du guide d'onde, pour former une capacité silicium/ oxyde/ poly-silicium en régime d'accumulation. Une première version consiste à empiler l'isolant horizontal entre les deux semiconducteurs. Une seconde version complémentaire emploie un isolant vertical au centre du guide d'onde ruban à fente. La première génération de ces composants permet de démontrer leur faisabilité dans la plateforme industrielle de STMicroelectronics. Les mesures conduites au C2N, au CEA-LETI et à STMicroelectronics évaluent les compromis entre l'efficacité, atout du modulateur capacitif, les pertes d'insertion et la bande passante du composant à isolant horizontal. Des pertes de 3 dB/mm sont extraites, dont seulement 0.5 dB/mm dues au poly-silicium. Un taux d'extinction de 2 dB est mesuré à travers 700 µm sur un diagramme de l'œil à 10 Gb/s, grâce à un produit VpLp=5.5 V.mm à 15 nm d'épaisseur d'oxyde (1.2 pF/mm). La consommation électrique du modulateur capacitif est finalement optimisée pour atteindre 1 pJ/bit à 0.9 Vpp
Global datacenter data exchange is exponentially growing and silicon photonics is the key answer, thanks to high production volume, at low cost and high yield. Today, energy consumption is a new challenge highlighted by network densification. Capacitive modulators address a specific reduction of the power dedicated to the photonic circuit emitter for light intensity modulation. Design and integration of capacitive modulators are carried out during this thesis. It consists of inserting a dielectric insulator within the optical waveguide center, in order to shape a capacitance with a silicon/ oxide/poly-silicon stack in accumulation regime. A first device is made up of an horizontal insulator stacked between the semiconductors. A second device type comprises a vertical insulator in the center of a slot rib waveguide. The first fabrication release demonstrates device feasibility within STMicroelectronics industrial platform. Characterization results of the first device type from C2N, CEA-LETI and STMicroelectronics evaluate the trade-offs between efficiency - featured by capacitive modulators - insertion losses and bandwidth. 3 dB/mm insertion losses are measured, including 0.5 dB/mm poly-silicon absorption only. 2 dB extinction ratio through 700 µm is evaluated on a 10 Gb/s eye diagram, thanks to a VpLp =5.5 V.mm at 15 nm oxide thickness (1.2 pF/mm). Capacitive modulator power consumption is eventually optimized for 1 pJ/bit at 0.9 Vpp

Le premier volet de cette thèse est consacré à la modélisation des phénomènes de transport dans le LN. Partant d'une analyse critique des modèles de bande usuels, nous montrons leur inadéquation dans le cas du LN et nous proposons un modèle de saut basé sur la théorie des petits polarons. Nous étudions d'abord par simulation Monte-Carlo la décroissance d'une population de polarons liés NbLi4+ relaxant vers des pièges profonds FeLi3+. Nous montrons que les pièges FeLi3+ ont des rayons effectifs particulièrement grands, rayons qui augmentent encore à température décroissante, et limitent considérablement les longueurs de diffusion des polarons. Les résultats de simulations sont ensuite confrontés aux résultats expérimentaux obtenus par différentes techniques ; Absorption photo-induite, Raman, Enregistrement holographique et Pompe-sonde. Le deuxième volet de cette thèse est consacré aux applications électro-optiques dans le LN périodiquement polarisé (PPLN). Sous l’effet d’une tension électrique, l’indice de réfraction du PPLN est périodiquement diminué et augmenté, formant ainsi un réseau d’indice activable électriquement. Un premier composant utilisant l’effet électro-optique dans du PPLN a été développé et démontré expérimentalement. Dans ce composant, la lumière est défléchie sous l’effet de la tension électrique par le réseau d’indice. Ce déflecteur de Bragg atteint une efficacité de diffraction proche de 100% avec une faible tension de commande de l’ordre de 5 V. Un deuxième composant a également été proposé, où la lumière se propage perpendiculairement aux parois de domaines du PPLN. Dans cette configuration un réflecteur de Bragg électro-optique peut être réalisé
The first part of this thesis is devoted to the modeling of transport phenomena in the LN. From a critical analysis of the usual band models, we show their inadequacy in the case of LN and we propose a hopping model based on the theory of small polarons. We first study by Monte-Carlo simulation the population decay of bound polarons NbLi4+ in deep traps FeLi3+. We show that the traps (FeLi3+) have particularly large effective radii, which increase further at decreasing temperature, and considerably limit the diffusion lengths of the polarons. The results of simulations are then compared with experimental results obtained by different techniques; Light-induced absorption, Raman, Holographic storage and Pump-Probe. The second part of this thesis is devoted to electro-optical applications in the periodically poled LN (PPLN). Under the effect of an electrical voltage, the refractive index of the PPLN is periodically decreased and increased, thus forming an electrically activatable index grating. A first component using the electro-optical effect in PPLN has been developed and demonstrated experimentally. In this component, the light is deflected under the effect of the electrical voltage by the index grating. This Bragg deflector achieves a diffraction efficiency of close to 100% with a low drive voltage of the order of 5 V. A second component has also been proposed, where light propagates perpendicularly to the domain walls of the PPLN. In this configuration an electro-optic Bragg reflector can be realized