Dissertations / Theses on the topic 'Télécommunications optiques – Matériaux'

La conception, l'analyse et l'optimisation des performances des systemes de telecommunications optiques sont souvent difficiles. Les techniques de simulation peuvent faciliter cette tache et permettre d'anticiper le comportement d'un systeme optique complexe. Le premier objectif de cette these a ete de developper une bibliotheque de modeles de composants optiques integrable dans un logiciel commercialise. La mise en uvre de cette bibliotheque de modeles a necessite: un choix des modeles mathematiques pour les composants opto-electroniques une comprehension des phenomenes physiques regissant le comportement de ces composants une analyse des methodes numeriques utilisees pour la resolution des equations mathematiques une evaluation des parametres physiques caracterisant les composants optiques un test des programmes informatiques realises. Le second objectif a consiste a confirmer la credibilite de ces modeles a travers des etudes realisees au cnet. Trois etudes ont ete developpees. La premiere a concerne une liaison optique longue distance et haut debit (10 gbit/s). La deuxieme etude a mis l'accent sur les techniques de multiplexage en longueur d'onde. Enfin, la troisieme etude a porte sur l'optimisation et le dimensionnement d'un reseau multicolore en boucle utilisant des amplificateurs a fibre dopee. Ces trois etudes ont permis: d'analyser les performances de nouveaux systemes de transmission optique d'en deduire les parametres physiques importants qui limitent les possibilites du systeme d'en tirer des informations autant qualitatives que quantitatives utilisables pour la realisation et l'optimisation des systemes optiques experimentaux. Enfin, les perspectives d'evolution du logiciel sont discutees dans le dernier chapitre

Les travaux de cette thèse visaient à étudier des méthodes de photo-inscription de guides optiques monomodes avec des polymères adaptés. Pour cela, deux systèmes ont été envisagés : l'un consistant à réaliser une différence d'indice suffisante grâce à une polymérisation sélective dans un film, l'autre, mettant en jeu un polymère intrinsèquement photosensible dans l'UV moyen. C'est ce dernier système qui a été particulièrement étudié. Ainsi, avec ce polymère, l'impact, sous UV, de la rupture de la conjugaison électronique sur le contraste d'indice (entre zone insolée et non insolée) peut être relativement important, même très loin de la bande d'absorption. Par la suite, une analyse des interactions UV-matériau a permis d'améliorer considérablement la variation d'indice, si bien que les contrastes d'indice obtenus expérimentalement (Dn=0,03 à 155 nm), sont désormais très supérieurs à ceux, par exemple, de la silice dopée germanium, largement utilisée en optique intégrée. Enfin, des guides monomodes photo-inscrits ont été réalisés montrant des performances intéressantes et ouvrant la voie à une technologie simple (sans gravure), permettant aussi d'exploiter après coup, la photosensibilité du matériau afin de contrôler les propriétés de guidage.

Le but de ce travail est la réalisation d'un composant intégré pour l'amplification optique des signaux de télécommunications. La fonction d'amplification est primordiale dans tous les types de transmissions de données à moyenne et longue distance. Nous verrons tout d'abord le rôle du composant dans les réseaux de télécommunications optiques, ainsi que la théorie des processus d'amplification appliquée aux deux matériaux utilisés (Nanocristaux de PbSe et particules dopées Erbium). Après la fabrication et la caractérisation optique de la résine de PMMA dopée aux nanocristaux de PbSe, nous décrirons l'élaboration du composant incluant les différentes étapes de simulation et de fabrication. Les propriétés optiques de ce guide amplificateur seront déterminées : pertes de propagation et de couplage, gain on-off et gain net.

Le dénominateur commun des travaux réalisés pendant cette thèse est l'étude de matériaux composites polymère cristal liquide (PDLC), en vue de leurs applications dans des fonctions optiques dynamiques pour les réseaux de télécommunications optiques. Les matériaux PDLC sont une classe de matériaux qui combinent les avantages des cristaux liquides avec les bonnes propriétés mécaniques des polymères. Leurs effets électro-optiques les plus importants sont les effets diffusant, déphasant et diffractant. Dans cette thèse, après une présentation des résultats d'études et de mise au point des matériaux pour les trois régimes des effets électro-optiques, nous nous sommes concentrés sur les PDLC diffractants (ou PDLC holographique). Nous avons réalisé des fonctions optiques particulières avec ces matériaux, un miroir semi-transparent variable et un filtre spectral variable.

Les travaux de cette these s'inscrivent dans le contexte de recherche et de developpement de nouveaux dispositifs pour les telecommunications optiques a haut debit. L'etude s'appuie sur un cycle de developpement : modelisation (propagation du champ apres decomposition modale) - realisation de dispositifs tests et caracterisation. Les performances obtenues sont encourageantes et prometteuses pour l'avenir du materiau organique-inorganique qui a ete choisi : des structures guidantes unimodales et multimodales performantes et des circuits optiques integres operationnels aux longueurs de telecommunications ont ete concus et fabriques.

Nous étudions, en collaboration avec la société SILIOS Technologies, le potentiel de l’implantation d’ions titane pour réaliser des composants d’optique intégrée. L’indice de réfraction de la silice étant ainsi accru, nous développons des guides d’ondes d’atténuation variant de 0,1 à 0,6 dB/cm, en fonction de la dose implantée et après optimisation du recuit. Leurs indices effectifs augmentent avec la dose. A faible dose, le couplage fibre optique – guide atteint 90%. A forte dose, des guides courbes de rayon aussi faible que 500 µm transmettent 90% de l’énergie. Nos mesures confirment les modélisations. Un adaptateur de mode original assure la transition entre guides à faible et fort confinement. Trois solutions originales peuvent corriger la sensibilité à la polarisation de ces guides : l’implantation latérale, l’anisotropie artificielle du cœur ou la rotation de l’état polarisation. Enfin des filtres spectraux en amplitude et en phase sont synthétisés en guides plans segmentés
We study, in collaboration with the company SILIOS Technologies, the potential of titanium ion implantation for fabricating integrated optics components. As the refractive index of silica is increased, we develop waveguides exhibiting an attenuation between 0. 1 and 0. 6 dB/cm, depending of the implanted dose and after the optimization of the annealing. Their effective indices increase with the dose. At a low dose, the coupling between a fibre and a waveguide reaches 90%. At a high dose, bend waveguides of radius as small as 500 µm transmit 90 % of the energy. Our measurements agree well with the modeling. A new mode converter links the waveguides of low and high confinement. Three solutions have been found to correct the polarization sensitivity of the waveguides: the lateral implantation, the artificial anisotropy of the core and the rotation of the polarization state. Finally, spectral filters in amplitude or in phase are synthesized using segmented planar waveguides

Les télécommunications optiques, en plein essor depuis plus de 20 ans, sont arrivées à un virage technologique. Tous les liens optiques commerciaux installés aujourd'hui utilisent la modulation de lumière la plus simple OOK (On Off Keying), et aussi la plus facile à mettre en place. Ce type de modulation a permis depuis ses débuts et jusque dans la fin des années 90 à transmettre de plus en plus vite les informations. Pour encore augmenter la vitesse de l'information, on doit nécessairement monter en débit binaire, en puissance, en nombre de canaux. Le problème est que ces améliorations ne sont plus possibles avec la OOK, des effets physiques s'y opposant. A l'heure où les besoins en capacité de transport, elles, n'ont pas de limites, une solution est de changer le type de modulation de lumière utilisé, afin de repousser encore un peu plus loin les limites physiques de la transmission. Les formats de modulation DPSK, DQPSK et PSBT sont de très bons candidats mais nécessitent d'ajouter dans les systèmes de réception ou d'émission des composants optiques de démodulation: les interféromètres de Mach-Zehnder (MZI). Ces composants ont donc un avenir prometteur dans les futurs liens de communication optiques. Aujourd'hui, la fabrication de ce type de composant repose sur la connaissance précise de son fonctionnement et des paramètres caractéristiques s'y rapportant. La fabrication des MZIs nécessite aussi de connaître les caractéristiques minimales à garantir pour que le composant soit viable dans un système de transmission entier, une stabilisation thermique poussée étant aussi un élément incontournable. Cette thèse tente donc de répondre à ces problématiques, en confirmant d'abord les performances supérieures de la DPSK par rapport à la OOK. Ensuite, les structures MZIs et leur fabrication sont étudiées pour d'une part obtenir par simulation l'ordre de grandeur des performances requises, et d'autre part pour établir un protocole de fabrication adapté. Plusieurs structures MZIs ont été fabriquées, caractérisées et testées sur un système de transmission PSBT 43 Gbit/s, donnant des résultats très prometteurs
Optical communications have grown very fast over the past 20 years, and are now faced with a technology gap. The modulation format On Off Keying (OOK) is the simplest to implement and so is the most of used in commercial links. This modulation format can provide high speed transmissions. In order to develop faster transmissions, bit rate, channel power and channel number must be increased. The physical effects associated with OOK mean that such increases can no longer be obtained with OOK. But there is a continuing need for increased transmission capacity and so one solution to push back physical limits is to use new modulation formats. DPSK, DQPSK and PSBT formats can be efficient solutions, but they require new optical components (Mach Zehnder Interferometers, MZI), located in reception or emission devices. Therefore, MZIs have a promising future in optical communication systems. MZI manufacture requires a precise knowledge of their behaviour and characteristics. In order to obtain operational devices, tolerance levels must be determined and considered during the fabrication process. A highly accurate thermal stabilisation must also be contained in the device so that it can be used efficiently. This PhD thesis tries to answer these questions, first with a confirmation of the superior performances of the DPSK compared to OOK. Then, MZI structures and their fabrication are studied, and some computer simulations give numerical values for the required performances of the MZI components. Several MZI structures have been produced, characterized and tested in a real PSBT 43 Gbit/s transmission system, with promising results

L'objet de la thèse est l'étude théorique, la fabrication et la caractérisation des composants atténuateur optique variable (VOA) à base de cristal liquide dispersé dans du polymère (PDLC), destinés aux réseaux WDM (wavelength division multiplexing). Un modèle de diffusion par des sphères anisotropes a été développé afin d'étudier les propriétés électromagnétiques du VOA. Expérimentalement, on a fabriqué des composants en utilisant deux architectures différentes : VOA splice et VOA cellule. Au cours de cette étude, il s'est avéré que le VOA cellule est plus performant que le VOA splice. Toutefois, sans parler de l'intérêt économique, le VOA splice est plus compact avec un simple processus de fabrication tandis que les modes opératoires du VOA cellule sont assez délicats. Dans ce point de vue, une étude plus approfondie sur le VOA splice serait très intéressante.

La demande d'accroissement des capacités des réseaux de transmission de données a fait naître un besoin en composants tout optique. Le principal objectif de cette thèse a été de mettre au point une nouvelle architecture de micro-miroir et d'en faire l'évaluation de ses performances. Celle-ci était destinée à être implantée dans des multiplexeurs-démultiplexeurs en longueurs d'ondes ou dans des routeurs optiques. Deux approches comparatives ont été menées, une analytique et une par simulation. Elles ont permis la réalisation puis la caractérisation de micro-miroirs qui sont aujourd'hui commercialisables. Pour des raisons de miniaturisation, nous nous sommes intéressé aux alimentations intégrées spécifiques nécessaires à ce type d'application. Après un état de l'art des solutions existantes pour en déduire des solutions compatibles en taille avec notre application, nous présentons notre contribution à l'avancement des travaux permettant l'obtention d'éléments passifs de stockage.

Ce mémoire traite de l'étude de la photosensibilité et de la stabilité de réseaux d'indice inscrits dans des fibres germanosilicates hydrogénées. On définit la photosensibilité d'un verre comme étant la variation permanente de son indice de réfraction lorsque celui-ci est insolé par un rayonnement de longueur d'onde convenablement choisie. Cette photosensibilité est utilisée pour réaliser des composants (réseaux de Bragg) photo-inscrits dans les fibres optiques qui trouvent de nombreuses applications dans le domaine des capteurs et des télécommunications. Une première partie concerne la caractérisation de ces réseaux de Bragg par la mesure de l'amplitude de la modulation (Dn) de l'indice de réfraction de la fibre optique. La seconde partie de ce travail est consacrée à l'étude de l'inscription de réseaux de Bragg ainsi qu'à l'étude de leur durée de vie sur une période de 25 ans. Le chapitre III est consacré à l'étude de la stabilité dans le temps des caractéristiques spectrales (longueur d'onde lB et réflectivité R) des réseaux de Bragg inscrits dans la fibre germanosilicate hydrogénée. Le développement de cette étude montre que le phénomène est directement imputable à la présence d'hydrogène dans le cœur de la fibre au moment de l'insolation uniforme du réseau pré-inscrit. Un modèle phénoménologique simple issu de nos observations expérimentales est proposé. Pour cela, nous avons effectué des expériences de vieillissement accéléré à l'aide de recuit isothermes de réseaux de Bragg. Afin de prédire la durée de vie des réseaux, nous avons commencé par confronter nos résultats aux modèles proposés dans la littérature, puis nous avons utilisé le formalisme de la øMaster Curveø pour paramétrer les évolutions du changement d'indice photoinduit au cours du temps. Ces résultats nous permettent de fixer les conditions de passivation nécessaires pour assurer la stabilité de la longueur d'onde lB et de la réflectivité R sur une période d'utilisation de 25 ans à une température moyenne de 45ʿC.

Ce travail fait état de l'étude technologique et expérimentale de nouveaux dispositifs photoniques intégrant des réseaux de Bragg particuliers. Les réseaux de Bragg offrent une solution intéressante pour construire aussi bien des filtres optiques intégrés que des émetteurs compacts dans le cadre de l'émergence de nouvelles fonctions pour les communications optiques. L'étude de la théorie des réseaux de Bragg nous a permis de voir les limites des réseaux de Bragg dits classiques. Les réseaux de Bragg dits particuliers, comme les réseaux échantillonnés ou les réseaux verticaux semblent alors très interessants de part les possibilités de fonctions optiques qu'ils offrent. Ce sont donc ces deux types de réseaux que nous avons choisi d'étudier. Les processus de réalisation technologique des deux réseaux ont alors été développés. La lithographie par faisceau d'électrons nous permet la réalisation des différents motifs et à été optimisée dans ce but, ainsi que les étapes de gravure. La dernière partie du travail consiste en l'étude, la réalisation et la caractérisation de composants innovants, passifs et actifs, intégrant des réseaux particuliers. Ainsi, nous avons réalisé un filtre passif qui présente une apodisation de son spectre en transmission par l'utilisation d'un réseau surfacique échantillonné. Les résultats de caractérisation montrent la validité du concept. Dans le cadre du projet européen IST-MONOPLA, un laser multisections, comportant une portion de réseau a été réalisé. Les caractérisations mettent en avant le bon fonctionnement du réseau.

La geometrie innovante du laser a cavite verticale presente un attrait considerable pour quelques applications specifiques telles que les interconnexions optiques massivement paralleles ou l'ordinateur optique qui necessitent des reseaux uni- ou bi-dimensionnels de lasers a faible courant de seuil. Dans le dessein de realiser un laser a cavite verticale monolithique emettant aux longueurs d'onde d'interet pour les telecommunications optiques (1,31,55 m), le systeme semiconducteur algaassb permet d'atteindre de tres haut pouvoirs reflecteurs pour les miroirs de bragg, qui constituent les elements cles de ce type de composant. La pierre angulaire de ce travail a ete d'etablir les conditions de croissance par epitaxie par jets moleculaires des couches antimoniures sur inp et sur gasb. En particulier l'accord de maille de algaassb sur inp a ete obtenu malgre les difficultes liees a une lacune de miscibilite a ces compositions. Le choix de multipuits gainsb dans des barrieres de algaassb comme zone active sur gasb emettant a 1,55 m, nous a permis d'atteindre une emission laser a temperature ambiante sur des lasers a emission par la tranche, ce resultat constituant une premiere mondiale. La realisation de miroirs de bragg performants aux longueurs d'onde de 1,55 m et 2 m valide les grandes potentialites du systeme semiconducteur algaassb/alassb pour la fabrication de lasers a cavite verticale fonctionnant dans le proche infrarouge. De meme la croissance d'une structure a cavite verticale 3 centree a 1,5 m montre la faisabilite de lasers a cavite verticale totalement monolithiques sur gasb pour les applications aux telecommunications optiques.

Apres une etude sur les criteres de choix d'un semiconducteur pour la photodetection dans l'infrarouge, nous justifions le choix du iii-v: gainassb. Dans un premier temps, l'epitaxie par e. P. V. O. M. Suivant la voie dite desaccordee du ga#1##xin#xsb est etudiee: croissance, caracterisations electriques et optiques. Apres le dopage de ce dernier, une homojonction a donne une reponse a une excitation photonique de 2,77 um. Les premiers essais de penetration dans la lacune de miscibilite du gainassb ont ete effectues: le coefficient d'absorption du quaternaire a ete mesure et des compositions en accord de maille ont ete atteintes. D'autre part, en vue de realiser un puits quantique de ga#1##xin#xsb-gasb, le mecanisme de croissance a ete etudie et les parametres de croissance optimises afin d'obtenir une croissance bidimensionnelle

Les verres de silice dopés par le Bismuth sont très prometteurs en raison de leurs applications potentielles en termes de lasers à fibres et d’amplificateurs optiques large bande destinés aux télécommunications optiques. Toutefois, la nature des centres optiquement actifs dans de tels verres demeure un sujet d’intenses débats. Les méthodes spectroscopiques magnéto-optiques sont des outils puissants pour l’étude des centres paramagnétiques au sein de la matière condensée. Dans ce travail de thèse, les techniques de dichroïsme circulaire magnétique, de polarisation circulaire magnétique de l'émission et de résonance magnétique détectée optiquement ont été mises en œuvre pour étudier les verres dopés par le Bismuth. En association avec les méthodes spectroscopiques conventionnelles, nous avons montré la coexistence d’au moins deux types de centres optiquement actifs dans des verres de silice dopés par le Bismuth sans autres co-dopants et de trois types dans un verre aluminosilicate dopé par la Bismuth. L’analyse des données expérimentales a révélé que tous les centres proviennent de systèmes ayant un nombre pair d’électrons (ou de trous). Deux centres ont été identifiés aux ions Bi+ et aux défauts du réseau vitreux qui interagissent via des processus de transfert d’énergie. Le troisième centre est attribué aux clusters d’ions Bismuth et a été observé seulement dans des verres aluminosilicates fortement dopés. Pour la première fois, nous avons montré expérimentalement que l’effet laser dans le proche infrarouge est due à une transition interdite à partir du premier état excité d’un défaut du réseau vitreux
Bismuth-doped silica glasses are interesting due to the promising applications in fiber lasers and amplifiers for the communication purposes. Unfortunately, the nature of the optical active centre(s) in such glasses is still a subject of intense debuts.Magneto-optical methods of spectroscopy are very powerful tools for the investigation of paramagnetic centres in condensed matters. In this thesis, the magnetic circular dichroism, magnetic circular polarization of luminescence and optically detected magnetic resonance techniques were implemented to investigate Bi-doped silica glasses. Together with the methods of the conventional optical spectroscopy, we demonstrate the coexistence of at least two types of optical centres in a Bi-doped silica glass without other co-dopants and three types in a Bi-doped aluminosilicate glass. The analysis of experimental data revealed that all centres originate from systems with an even number of electrons (or holes). Two centres were identified as Bi+ ion and some defect in the glass network that interact via the energy transfer processes. The third centre is assigned to the clusters of Bi ions and it was observed only in the highly doped aluminosilicate sample. For the first time, we showed experimentally that the lasing related near-infrared luminescence is caused by a forbidden transition from the first excited state of the defect centre

Il y a un demi siècle, Fermi, Pasta et Ulam découvraient la récurrence du même nom, et créaient une discipline nouvelle, la dynamique non linéaire. Leur expérience numérique consistait à exciter le mode fondamental d'une chaîne d'oscillateurs reliés entre eux par des ressorts linéaires et faiblement non linéaires. Alors qu'ils s'attendaient à ce que l'énergie se répartisse progressivement sur un large spectre en raison du couplage non linéaire, ils observèrent au contraire un échange périodique (récurrent) d'énergie entre quelques-uns des modes d'ordre inférieur uniquement. Dix ans plus tard, des chercheurs ont interprété ce comportement récurrent comme le résultat de l'interaction entre des impulsions qui se propagent sans se déformer et résistent aux collisions entre elles, les solitons. Par la suite, le soliton a émergé dans différents domaines pour finalement occuper le cœur des sciences non linéaires. Et c'est sans doute en optique non linéaire que le soliton a connu ses plus grands succès, tant sur le plan fondamental que sur celui des applications. En particulier, les phénomènes non linéaires sont aisés à observer dans les fibres optiques grâce au large éventail des sources lasers disponibles et en raison du fort confinement de la lumière qui s'y propage.

Dans notre travail de thèse, nous avons apporté la première démonstration expérimentale de la récurrence de Fermi-Pasta-Ulam dans la dynamique d'instabilité modulationnelle en fibre optique. En effet, une onde continue perturbée évolue spontanément, sous certaines conditions, en un train d'impulsions :l'énergie est transférée du mode fondamental (l'onde continue) aux modes d'ordre supérieur. La théorie prévoit qu'ensuite, l'onde continue initiale se reforme comme l'énergie revient vers le mode fondamental. Pour réaliser cette expérience, il faut parvenir à rencontrer les conditions prescrites par la théorie tout en évitant l'intervention d'effets perturbateurs. Dans ce but, nous avons étudié l'évolution d'impulsions plateaux, qui reproduisent les conditions d'onde continue requises par la théorie tout en permettant d'atteindre des puissances suffisantes pour observer la récurrence.

Nous nous sommes ensuite intéressés à un nouveau type de soliton appelé paroi de domaines de polarisation, qui se présente comme la structure de commutation entre deux domaines semi-continus de polarisations circulaires orthogonales. En principe, les parois de domaines pourraient être exploitées dans les lignes de transmission optique où elles serviraient à séparer des séquences de bits de valeurs différentes, le 1 logique étant représenté par exemple par une polarisation circulaire droite, et le 0 par la polarisation circulaire orthogonale. Ces parois se propagent sans déformation et, contrairement aux solitons habituellement utilisés pour la transmission par fibre optique, elles conservent une position stable au sein du train de données transmis. Grâce à cette stabilité intrinsèque des parois de domaines, il devient possible de rapprocher des impulsions successives et d'accroître le débit des lignes de transmission, qui pourrait atteindre le Tbit/s en monocanal. Toutefois, les parois de domaines de polarisation n'existent en théorie que dans les fibres isotropes, alors que les fibres réelles sont soumises à de nombreuses perturbations qui les rendent biréfringentes. Dans notre travail, nous avons déterminé les paramètres d'une fibre spéciale qui permette l'observation de parois de domaines dans des conditions réalistes, mais nous n'avons pas réalisé l'expérience car la fibre commandée n'a pas pu être fabriquée.

Si l'amélioration des performances des systèmes de télécommunications futurs passera nécessairement par l'accroissement des débits d'information en monocanal, elle exigera également la mise au point de dispositifs tout optiques, donc ultra-rapides, destinés au routage et au traitement des signaux transmis. Au-delà des applications en télécommunications, le développement de tels dispositifs provoquerait une véritable révolution photonique :les photons, plus rapides, supplanteraient pour les tâches usuelles les électrons utilisés dans les transistors électroniques. Ces dispositifs photoniques sont généralement basés sur les propriétés particulières résultant de la périodicité intrinsèque des matériaux utilisés. Cette périodicité se traduit par l'existence d'une bande interdit :quand les photons s'y trouvent (on dit alors qu'ils vérifient approximativement la condition de Bragg), ils ne peuvent se propager. Par ailleurs, la transmission de ces dispositifs est contrôlée en exploitant leurs propriétés non linéaires. Dans le cas des fibres, la bande interdite peut être réalisée quasiment sur mesure en imposant une modulation périodique contrôlée de l'indice de réfraction de la fibre. On crée ainsi un réseau de Bragg fibré, dans lequel la lumière subit une forte réflexion quand elle vérifie la condition de Bragg. Pourtant, même dans ces conditions, des impulsions suffisamment intenses appelées solhiatons peuvent encore subsister et se déplacer dans le réseau, les effets non linéaires compensant la réflexion du réseau. Pour observer les solhiatons, il faut toutefois parvenir à plonger immédiatement et complètement les impulsions dans le réseau, sans quoi elles sont irrémédiablement réfléchies par le réseau. Pour y parvenir, nous avons généré un réseau de Bragg dynamique :il se déplace le long de la fibre avec les impulsions. Nous avons constaté le confinement de deux impulsions qui, en l'absence du réseau dynamique, se propageraient à des vitesses différentes en raison de la dispersion chromatique. Ces impulsions devraient en plus se propager sans déformation, mais nous n'avons pas pu l'observer dans nos conditions expérimentales. Ce confinement constitue la première démonstration expérimentale du processus de formation de solhiatons stationnaires. Transposé des fibres aux matériaux semi-conducteurs, le solhiaton pourrait être exploité dans certains types de transistors photoniques. Les perspectives sont ambitieuses de voir un jour les résultats de notre recherche fondamentale contribuer à l'émergence de nouvelles applications.

Doctorat en sciences appliquées
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La géométrie innovante du laser à cavité verticale présente un attrait considérable pour quelques applications spécifiques telles que les interconnexions optiques massivement parallèles ou l'ordinateur optique qui nécessitent des réseaux uni- ou bi-dimensionnels de lasers à faible courant de seuil. Dans le dessein de réaliser un laser à cavité verticale monolithique émettant aux longueurs d'onde d'intérêt pour les télécommunications optiques (1,3-1,55 µm), le système semiconducteur AlGaAsSb permet d'atteindre de très haut pouvoirs réflecteurs pour les miroirs de Bragg, qui constituent les éléments clés de ce type de composant. La pierre angulaire de ce travail a été d'établir les conditions de croissance par Épitaxie par Jets Moléculaires des couches antimoniures sur InP et sur GaSb. En particulier l'accord de maille de AlGaAsSb sur InP a été obtenu malgré les difficultés liées à une lacune de miscibilité à ces compositions. Le choix de multipuits GaInSb dans des barrières de AlGaAsSb comme zone active sur GaSb émettant à 1,55 µm, nous a permis d'atteindre une émission laser à température ambiante sur des lasers à émission par la tranche, ce résultat constituant une première mondiale. La réalisation de miroirs de Bragg performants aux longueurs d'onde de 1,55 µm et 2 µm valide les grandes potentialités du système semiconducteur AlGaAsSb/AlAsSb pour la fabrication de lasers à cavité verticale fonctionnant dans le proche infrarouge. De même la croissance d'une structure à cavité verticale 3l centrée à 1,5 µm montre la faisabilité de lasers à cavité verticale totalement monolithiques sur GaSb pour les applications aux télécommunications optiques.

Ce travail de thèse porte sur l'étude et le développement de composants à cavité verticale dans le contexte des réseaux courtes et moyennes distances multiplexés en longueur d'onde autour de 1,55 μm. Pour fabriquer de telles structures, nous avons tout d'abord développé des miroirs de Bragg diélectriques constitués de silicium amorphe et de nitrure de silicium. La différence d'indice (1,9) élevée entre ces matériaux a permis d'atteindre les hautes réflectivités (R = 99,5%) nécessaires au bon fonctionnement des VCSELs. A la suite du développement de ces miroirs, nous avons réalisé un VCSEL, reporté sur substrat silicium par collage métallique AuIn2, comprenant deux miroirs diélectriques et une zone active à base de puits quantiques InGaAs/InGaAsP. Les caractérisations et les études par simulation du VCSEL ont engendré plusieurs optimisations, et ont permis d'obtenir une émission laser continue sous pompage optique jusqu'à une température de 35°C. Ces résultats encourageants ont validé notre processus de fabrication ainsi que la fiabilité et la bonne qualité des miroirs de Bragg diélectriques. Pour s'affranchir du caractère instable de la polarisation de ces VCSELs nous avons proposé l'utilisation de nanostructures quantiques InAs/InP anisotropes se présentant sous forme de fils. L'étude de ces structures et leur mise en cavité ont démontré leur intérêt pour introduire une anisotropie du gain permettant d'assurer une polarisation stable. Nous avons développé un VCSEL accordable suivant une nouvelle approche. Le principe repose sur l'insertion d'une couche de phase électro-optique à base de nano-PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal) dans la cavité du VCSEL. Le nano-PDLC, permet d'obtenir une variation isotrope de l'indice de réfraction sous l'action d'une tension. La réalisation d'un prototype pompé optiquement a permis une première démonstration de faisabilité d'un VCSEL accordable par voie électro-optique. Une accordabilité de 10-nm autour de 1.55-μm a été mesurée pour une tension de 170V, et le temps moyen de commutation sur la gamme spectrale est de 30 μs.

Ce travail présente l'étude de nouveaux systèmes de matériaux, pour la réalisation de lasers émettant à la longueur d'onde de 1,3 "micron" m, pour les communications optiques. Notre recherche s'est donc focalisée sur le matériau actif de ces lasers sur GaAs. Deux approches ont été explorées: les puits composites GaInAs/GaAsSb de type II, et les puits quantiques à faible teneur en azote, GaAsSbN ou GaInAsN. Après avoir déterminé les discontinuités de bande du GaAsSb contraint sur GaAs, nous avons démontré que l'émission à 1,3 "micron"m est possible dans une structure à puits quantique composite GaInAs/GaAsSb. Pour améliorer cette caractéristique, nous avons évolué vers une conception de puits dite symétrique: GaInAs/GaAsSb/GaInAs. Avec un tel puits, nous avons démonté un fonctionnement laser à 1,06 "micron"m avec une densité de courant de seuil dans le dispositif de 0,46kA/cm2. Après un travail d'installation et de mise au point d'une source d'azote à plasma sur la chambre de croissance épitaxiale, nous avons exploré l'incorporation de faibles quantités d'azote dans les ternaires GaInAs et GaAsSb. Nous sommes en outre les premiers à avoir réalisé des alliages GaNAsSb. L'azote s'incorpore plus facilement dans cet alliage que dans le GaInNAs. Le GaNAsSb est aussi plus favorable à l'émission aux grandes longueurs d'onde (>1,3 "micron" um). Dans des structures à puits de GaNAsSb, nous avons obtenu de l'électroluminescence à température ambiante à 1,3 "micron" m sans atteindre le seuil de l'émission laser. Avec des puits quantiques GaInNAs, nous avons d'abord obtenu une émission laser à 1,215 "micron"m avec une densité de courant de seuil de 0,44kA/cm2, un rendement externe de 53%, et un To de 85K. Puis nous avons atteint l'émission à 1,274 "micron"m avec une densité de courant de seuil de 0,87kA/cm2, et enfin 1,303 "micron"m pour 2,1kA/cm2. Notre objectif d'émission laser à 1,3 "micron"m sur un substrat de GaAs a donc été atteint dans le cadre de cette thèse, ouvrant la voie à la réalisation de structures à émission par la surface.

Un limiteur optique (OPL) est un dispositif capable de modifier ses propriétés optiques en fonction de la puissance lumineuse incidente. Idéalement transparent à faible puissance, l’OPL voit sa transmission chuter lorsque l’énergie incidente augmente, permettant ainsi de protéger un détecteur optique placé derrière lui de dommages temporaires ou permanents.Cette thèse présente la synthèse de chromophores de la famille des aza-bodipy ayant des propriétés de limitation optique dans la gamme spectrale des télécommunications, en particulier autour de 1500 nm. Les propriétés de limitation optique de ces aza-bodipy sont basées simultanément sur de l’absorption à deux photons, et de l’absorption à l’état excité.Une partie de cette thèse propose la synthèse d’aza-bodipy pour l’étude et l’amélioration de leurs propriétés d’absorption à deux photons et d’absorption à l’état excité afin d’optimiser leurs performances de limitation optique. Une étude portant sur la solubilité de ces composés a également été menée. Une deuxième partie présente l’utilisation de ces chromophores dans des matériaux hybrides et l’optimisation de ces derniers. Le développement de matériaux sol-gel de classe II a notamment permis d’augmenter de façon spectaculaire la concentration maximale de dopage en chromophore, résultant en une forte amélioration des performances de limitation optique par rapports aux matériaux précédents décrits
An optical power limiter (OPL) is a device which can change its optical properties depending on the input light power. Ideally transparent at low incident power, the OPL transmission decreases when the incident power rises, allowing the protection of an optical detector placed beyond the OPL and avoiding temporary or permanent damages. This thesis presents the synthesis of aza-bodipy dyes with OPL properties in the telecommunication spectral range, particularly around 1500 nm. The OPL properties of these aza-bodipy dyes are based on simultaneous two-photon absorption and excited state absorption.The first part of this thesis describes the synthesis of new aza-bodipy dyes for the study of two photon absorption and excited state absorption enhancement in order the optimize the OPL performances of the dyes. A study about aza-bodipy solubility has also been conducted.The second part of this thesis presents the use of aza-bodipy chromophores in new optimized sol-gel hybrid materials. Class-II sol-gel materials development permitted to spectacularly increase the maximum dye-doping concentration, which resulted in a strong enhancement of the OPL properties compared to previously described materials

Cette etude se situe dans le cadre du developpement de nouveaux revetements photoreticulables pour fibres optiques, possedant une bonne hydrophobie et une faible permeation a la vapeur d'eau. Cette etude comporte deux voies: dans la premiere, plusieurs diluants reactifs acrylates fluores ont ete synthetises et caracterises, puis testes en melange avec des formulations commerciales pour revetements fibres optiques. Dans la seconde, la synthese d'oligomeres urethanes acryalates fluores, nous a permis d'acceder a des formulations fluorees photoreticulables. Les revetements obtenus ont ensuite ete testes en hydrophobie et en permeation a la vapeur d'eau. Les resultats obtenus montrent que ces formulations presentent les qualites requises pour etre utilisees en tant que precurseurs pour revetements fibres optiques resistants a l'eau

Ce mémoire traite des amplificateurs et émetteurs lasers à base de fibres dopées aux ions de terres rares, et de leurs potentialités d'application dans le domaine aéronautique et spatial. Les conclusions tirées s'appuient sur une étude bibliographique, des modélisations analytiques et des validations expérimentales. Les amplificateurs à fibre dopée peuvent être utilisées à l'émission, en ligne, ou à la réception dans des applications de transmission, distribution ou détection de signaux optiques. La première partie du document comporte une analyse des conditions dans lesquelles leur efficacité peut être démontrée. Elle confirme leur adéquation pour toute application de type télécommunications. La deuxième partie traite des émetteurs lasers et de leurs performances dans diverses configurations. Le domaine spectral étudié est celui dit à sécurité oculaire, comprenant en particulier les longueurs d'onde 1. 55 et 2 µm. Parmi les dispositifs envisageables, ceux qui permettent une émission continue faible bruit, monomode transverse et monofréquence, dans une configuration compacte, présentent un grand intérêt pour des applications comme le lidar. Enfin, ce document présente l'étude de faisabilité d'un oscillateur local pour lidar à 2µm. L'étude de lasers à fibre adaptés a permis de vérifier leur capacité à répondre à de tels besoins. Le seul point ritique identifié est la stabilité de la longueur d'onde émise, critère très contraignant dans une application lidar. La comparaison avec l'état de l'art des technologies concurrentes n'a cependant pas permis d'identifier de meilleure solution.

Cette thèse rapporte les premières études exploratoires menées en vue de réaliser un amplificateur optique fonctionnant dans la bande S des télécommunications (autour de 1470 nm) dans une fibre en silice dopée au thulium dans le but d'augmenter la bande passante utilisable par le procédé de multiplexage en longueur d'onde (WDM) des réseaux optiques en silice standard. Pour permettre d'amplifier un signal optique à l'aide des ions de thulium dans une fibre composé d'un verre à haute énergie de phonon comme la silice, nous avons adapté les processus de fabrication des préforme par MCVD de manière à modifier de moins de 10% mol la composition du cœur de silice de la fibre. Ainsi, l'apport d'Al2O3 permet, en modifiant l'environnement des terres rares, de réduire les désexcitations non radiatives entre les niveaux 3H4 et 3H5 des ions de thulium. Le temps de vie du niveau 3H4 est ainsi multiplié par 3, de 14us pour la silice pure à 50us pour 8,7 %mol d'al2O3. L'efficacité quantique passe alors de 2% à plus de 8%. Grâce à cette amélioration du matériau et à l'optimisation des paramètres optogéométriques de la fibre optique à l'aide d'un modèle numérique, nous avons pu mesurer l'amplification en bande S d'un signal lumineux sur un échantillon majoritairement composé de silice fabriqué au laboratoire. Ce gain, de plus de 1dB pour 1400mW de puissance de pompe optique, est un résultat de premier ordre pour ce type de dispositif, validant l'approche de la modification de l'environnement du thulium dans la silice. De plus les simulations numériques prédisent un gain supérieur à 20 dB pour 1W de puissance de pompe pour le matériau élaboré, avec un schéma de pompage plus efficace.

Dans les prochaines décennies, les limites des systèmes de communications optiques actuels seront atteintes à moins d'adopter de nouvelles solutions. L'une d'elles est l'utilisation d'une nouvelle plage spectrale autour de 2 µm stimulée par l'apparition des amplificateurs fibrés dopés thulium. Dans ce manuscrit, nous nous y intéresserons dans le cadre de transmissions très courtes distances sur puces photoniques. Divers matériaux, dont le dioxyde de titane, seront ainsi explorés.Ce travail de thèse a deux principaux objectifs. D'une part, il vise à démontrer que le dioxyde de titane (TiO2), matériau encore peu exploré, est prometteur pour des applications télécoms en le comparant à des plateformes plus matures. D'autre part, il tend à introduire la bande spectrale autour de 2 µm comme une solution à envisager pour les télécommunications de nouvelle génération.Plus précisément, la première partie de cette thèse a pour but de développer une technique pour coupler efficacement la lumière dans les structures en TiO2). Pour la première fois, une configuration faisant appel à un réseau métallique enterré a été évaluée numériquement avant d'être caractérisée expérimentalement. La seconde partie présente des transmissions télécoms haut-débit (10 Gbit/s) autour de µm réalisées sans erreurs dans des guides d'ondes sub-longueur d'onde ou multimodes en dioxyde de titane, silicium ou silicium-germanium. Pour terminer, des fonctions non-linéaires sont explorées sur ces puces photoniques. Il a été ainsi démontré une conversion en longueurs d'onde à 2 µm atteignant -10dB sur silicium ou la génération du premier supercontinuum s'étalant du visible à 2 µm dans un guide d'onde en TiO2
In the next decades, the limits of current optical communication systems will be reached unless new solutions are adopted. On of them is the use of a new spectral range around 2 µm enabled by the emergence of thulium-doped fiber amplifiers. In this thesis, we will focus on it in the context of very short distances transmissions on photonic chips. Various materials, mainly titanium dioxide (TiO2), will be explored.This thesis work has two main objectives. On the one hand, it aims to demonstrate that a material relatively unexplored, titanium dioxide, is promising for telecom applications by comparing it to more mature plateforms. On the other hand, it tends to introduce the spectral band around 2 µm as a solution to be considered for next-generation communications.More precisely, the first part of this thesis aims to develop a technique to efficiently couple light in TiO2 structures. For the first time, a configuration using a buried metallic grating was evaluated numerically and then characterized experimentally. The second part presents error-free high-speed (10 Gbit/s) telecom transmissions around 2 µm carried out in subwavelength or multimode waveguides in titanium dioxide, silicon or silicon-germanium. Finally, nonlinear functions are explored on the photonic chips. Thus, it has been demonstrated a wavelength conversion at 2 µm reaching -10dB on a silicon waveguide or the first supercontinuum generation spreading from visible to 2 µm wavelength in a TiO2 waveguide

Nous avons développé une technologie nouvelle et interdisciplinaire pour créer des systèmes optiques à base de métamatériaux extrêmement légers, limités par la diffraction, avec une qualité optique exceptionnelle et un coût et un temps de production spectaculairement inférieurs : Live-Mirror. La nouveauté est de remplacer les miroirs optiques rigides et lourds classiques par des systèmes optoélectroniques dynamiques « vivants » et légers constitués d'une fine feuille de verre optique activement soutenue par plusieurs actionneurs / capteurs de force intégrés et miniaturisés via la fabrication additive et l'impression 3D. Nos fonctionnalités révolutionnaires Live-Mirror et le contrôle actif de la forme avec des actionneurs de force à plusieurs degrés de liberté obtenus en développant une technologie additive basée sur l'impression 3D pour appliquer un système optimisé de polymère électroactif (EAP) à un sandwich de surfaces de verre minces, ainsi créant un nouveau métamatériau hybride avec des propriétés de rapport rigidité / densité supérieures. Cette thèse décrit le développement d'actionneurs souples à base d'EAP modifiés / dopés, ici appelés terpolymère P (VDF-TrFE-CFE). Nous montrerons que cette nouvelle matrice de terpolymère personnalisée Live-Mirror présente une propriété de couplage électromécanique exceptionnelle, en particulier lorsqu'elle est dopée avec un plastifiant, par ex. phtalate de diisononyle (DINP). Ici, nous démontrons qu'en optimisant la conception multicouche structurée, le couplage électromécanique du terpolymère modifié peut être amélioré, offrant une permittivité diélectrique élevée, un module d'Young faible et une rigidité diélectrique exceptionnelle. Cela conduit à une réponse de déformation importante ainsi qu'à une densité d'énergie mécanique élevée sous des champs électriques relativement faibles selon le phénomène d'électrostriction - l'objectif principal des spécifications de haut niveau de Live-Mirror. En plus d'une matrice de terpolymère personnalisée, le concept de multicouches empilées est démontré comme une technique simple et efficace pour augmenter les capacités d'actionnement. Plusieurs résultats expérimentaux de preuve de concept imprimés en 3D (en laboratoire), qui sont en bon accord avec les modèles numériques, valident les performances de l'actionneur avec une grande réponse électromécanique. Cette technologie montre la faisabilité d'un contrôle actif de la forme de la surface optique et montre le contrôle et la correction de la forme optique Live-Mirror avec seulement quelques degrés de liberté. Une telle application d'actionneur novatrice et avancée via une technologie de fabrication additive est compatible avec les télescopes d'astronomie et de communication basés au sol et dans l'espace ainsi que de nombreux appareils électroniques modernes
We have developed new and interdisciplinary technology for creating extremely lightweight, diffraction-limited, meta-material-based optical systems with exceptional optical quality and spectacularly lower cost and production time: Live-Mirror. The novelty is to replace classical rigid and heavy optical mirrors with “live” and light dynamic optoelectronic systems consisting of a thin optical glass sheet actively supported by multiple force-actuators/sensors integrated and miniaturized via additive manufacturing and 3D printing. Our breakthrough Live-Mirror features and active shape control with many-degrees-of-freedom force actuators achieved by developing an additive 3D-printing-based technology to apply an optimized electroactive polymer (EAP) systems to a sandwich of thin glass surfaces, thus creating a novel hybrid meta-material with superior stiffness-to-density ratio properties. This thesis describes the development of soft actuators based on modified/doped EAPs, here dubbed terpolymer P(VDF-TrFE-CFE). We will show that this new and Live-Mirror customized terpolymer matrix features an outstanding electromechanical coupling property, particularly when doped with a plasticizer, e.g. diisononyl phthalate (DINP). Here we demonstrate that by optimizing the structured multilayer design, the electromechanical coupling of the modified terpolymer can be enhanced, yielding high dielectric permittivity, low Young modulus, and exceptional dielectric strength. This leads to a large strain response as well as high mechanical energy density under relatively low electric fields according to the electrostriction phenomenon – the main goal of the high-level specifications of Live-Mirror. In addition to a customized terpolymer matrix, the concept of stacked multilayers is demonstrated as a simple and effective technique to boost actuation abilities. Several 3D-printed, proof-of-concept (in the lab) experimental results, which are in good agreement with numerical models, validate the actuator performance with a large electromechanical response. This technology shows feasibility for active optical surface shape control and demonstrates the Live-Mirror optical shape control and correction with only a few degrees-of-freedoms. Such a novel and advanced actuator application via additive manufacturing technology are compliant for ground- and space-based astronomy and communications telescopes as well as many modern electronic devices