Academic literature on the topic 'Télécommunications optique en espace libre'

Les télécommunications laser en espace libre sont limitées en portée par la turbulence atmosphérique. L'optique adaptative, par la correction de la phase turbulente à l'émission du faisceau, a permis d'étendre leur domaine d'exploitation.Toutefois, sur de longues distances de propagation, cette correction n'est plus suffisante et il faut également précompenser l'amplitude du faisceau émis. De premières études numériques ont montré que le principe de retournement temporel, ou plus exactement de conjugaison de phase bidirectionnelle itérative, conduirait à des conditions satisfaisantes de focalisation du faisceau laser en fort régime de turbulence.Le principe de conjugaison de phase n'ayant été étudié que théoriquement jusque-là, mon travail de thèse s'est attaché à mettre en oeuvre un démonstrateur expérimental pour quantifier les performances de cette technique dans des conditions maîtrisées. En parallèle, une simulation de bout en bout de l'expérience a permis d'évaluer l'influence d'erreurs d'étalonnage sur les performances finales de la correction et de valider les résultats expérimentaux obtenus. Les points durs de la mise en oeuvre d'un système de télécommunications laser en espace libre ont ainsi été identifiés.L'ensemble de ces travaux constitue la toute première démonstration expérimentale du principe de retournement temporel optique. D'autres domaines d'application comme les lasers de puissance ou la propagation à travers des milieux biologiques très diffusants, nécessitant également de corriger le faisceau à l'émission, sont concernés
Free Space Optical communications (FSO) are range limited due to atmospheric turbulence. Adaptive optics can mitigate turbulence effects by adding a phase modulation on the emitted laser beam. However, both phase and amplitude modulation are needed to perform long range FSO. Previous numerical studies have shown that iterative phase conjugation is an efficient modulation technique for lasercom systems.This PhD thesis is dedicated to the development and the realization of the first experimental demonstration of the iterative phase conjugation principle in a controlled turbulence environment. An optical bench, representative of a long range propagation through strong turbulence, has been scaled down to few-meters propagation in visible.Several methods for complex field measurement and modulation are numerically studied. Selected methods are implemented and tested, such as a novel focal plane technique for complex field measurement. Finally, iterative phase conjugation is performed and results cross-correlated with an end-to-end model representative of the optical bench.This work is the first experimental demonstration of the optical phase conjugation principle. Applications can be found in other fields than lasercoms, such as high power lasers or propagation through highly diffusing biological tissues, both in need of laser emission modulation

En propagation endo-atmosphérique et sur des longues distances (supérieure à quelques kilomètres), les effets de la turbulence atmosphérique sont importants pour les liaisons de télécommunication optique en espace libre (LOA). Le champ de l'onde subit des perturbations de phase qui modulent l'intensité reçue par le récepteur, dans des proportions pouvant être rédhibitoires pour la fiabilité de la liaison. La pré-compensation du champ émis à l'aide d'une optique adaptative (OA) a été proposée afin de limiter cet effet et de permettre d'augmenter la distance de propagation ainsi que le débit des LOA. L'objectif de cette thèse est d'évaluer les performances et les limites, en termes d'efficacité vis-à-vis des LOA, des différentes méthodes de corrections par OA et d'étudier la possibilité de concepts plus efficaces. Nous avons montré qu'une approche itérative de correction de phase et d'amplitude - qualifiée de correction optimale - permet d'atteindre des performances excellentes, la meilleure parmi les approches proposées jusque-là. L'étude de cette approche théorique, nous a permis de fixer les limites de l'apport d'un système d'OA et de montrer que la correction a encore un intérêt largement au-delà de la limite des faibles perturbations. Dans le régime de fortes turbulences, nous montrons les limites des approches classiques - OA par mesure de front d'onde (ASO), par modulation de phase ou itérative de phase (qualifiée de sous-optimale) - notamment à cause de la scintillation, des enroulements de phase et de la présence de bruit de mesure. Nous avons quantifié la baisse de leurs performances vis-à-vis de la correction optimale et proposé une solution permettant de s'affranchir des effets de la scintillation sur la mesure de front d'onde. Nous avons finalement proposé un dispositif pour la pré-compensation de phase et d'amplitude et plus particulièrement de la mesure et de la commande qui devrait permettre de mettre en œuvre la correction optimale.

La prédiction des conditions atmosphériques et de turbulence présente un grand intérêt pour la communauté astronomique et les télécommunications optique en espace libre. La connaissance a priori des conditions atmosphériques plusieurs heures avant les observations permet d'optimiser la programmation des observations astronomiques appelée "flexible scheduling". Dans le domaine des télécommunications optiques en espace libre, elle peut aider à identifier la station optique au sol la moins impactée par la turbulence et à identifier à quelle période, la qualité optique de l'atmosphère est favorable à la transmission/réception. Dans cette thèse, une approche numérique basée sur le modèle Weather and Research Forecasting (WRF) couplé à différents modèles de turbulence optique a été utilisée. Des travaux d'optimisation de la prédiction par une méthode de "site learning", ont été réalisés, en considérant l'importance de l'utilisation des mesures locales pour améliorer le modèle de turbulence et mieux prendre en compte les spécificités locales d'un site donné. Cette méthode a été testée sur le site de l'Observatoire de Calern, France. Les résultats ont montré que le "site learning" apporte une amélioration de la prédiction. Des études de sensibilité aux différentes options du modèle ont été développées pour définir une méthodologie standard pour obtenir une configuration optimale de WRF. Cette technique a été appliquée au site de l'Observatoire de Cerro Pachón, au Chili. Toujours dans cette quête de prise en compte des spécificités d'un site, on s'est doté d'une nouvelle expérience consistant en un drone instrumenté pour améliorer la prédiction dans la couche limite planétaire. Les résultats d'une campagne de mesure réalisée sur le site de l'Observatoire de Calern sont présentés
Accurate prediction of atmospheric and turbulence conditions are of interest for astronomical community and free space optical communications. The a priori knowledge of atmospheric conditions several hours before the observations allows to optimize the programmation of astronomical observations called "flexible scheduling". In the field of free space optical telecommunications, it can help to identify the optical ground station least impacted by turbulence and to identify when the optical quality of the atmosphere is favorable for transmission/reception. In this thesis, a numerical approach based on the Weather and Research Forecasting (WRF) model coupled with different optical turbulence models has been used. Optimization of the prediction by a "site learning" method has been performed, considering the importance of using local measurements to improve the turbulence model and better take into account the local specificities of a given site. This method has been tested at the Calern Observatory site, France. The results showed that the "site learning" brings an improvement of the prediction. Sensitivity studies to different model options were developed to define a standard methodology to obtain an optimal WRF configuration. This technique has been applied to the Cerro Pachón Observatory site, in Chile. Still in this quest to take into account the specificities of a site, we have developed a new experiment consisting of an instrumented drone to improve the prediction in the planetary boundary layer. Results of a measurement campaign carried out at the Calern Observatory are presented

Les interconnexions optiques en espace libre proposent aujourd’hui de surmonter les limites rencontrées par les technologies d’interconnexion électronique. Les données sont transmises sans support de communication à travers l’air généralement. Ce type d’interconnexions est limité à des communications très courtes distances (entre quelques millimètres et quelques dizaines de centimètres). Cette thèse présente mon travail de conception d’une interconnexion optique point à point à haut débit en espace libre. Les simulations optiques ont permis d’optimiser la liaison afin d’obtenir des tolérances de positionnement des modules compatibles d’une application carte à carte dans un fond de panier. Un démonstrateur fonctionnel a été mis au point au terme de cette étude. Par ailleurs, ce mémoire présente une technique de multiplexage originale, le CDMA optique pour la réalisation de réseaux optiques passifs entièrement reconfigurables à très faible temps de latence. Cette technique implique que tous les émetteurs utilisent la même longueur d’onde et partagent le même médium de communication (en espace libre ou sur fibres optiques). Le CDMA optique est une méthode d’implémentation du CDMA électrique à un réseau optique. Le principe de fonctionnement du CDMA optique est démontré expérimentalement et une estimation des capacités de multiplexage est proposée pour conclure
Today free space optical interconnects (FSOI) provide an alternative to the electronic interconnection limits. Data are transmitted without any physical support through the air. This kind of interconnect is limited to very short range communication (between a few millimetres to a few centimetres). This thesis presents my conception of a point-to-point free space optical interconnect at high bit data rate. Optical simulations have optimized the link in order to get the positioning tolerance of the optoelectronic modules required for a board- to-board communication within a rack. A working demonstrator has been set up to conclude this part. Moreover, this thesis present an original multiplexing technique, the optical CDMA, to achieve a reconfigurable and multi-user optical communication network with a low latency time. For this technique all the transmitters use the same wavelength and share the same medium of communication (free space or optical fiber). The optical CDMA is a method to implement the electronic CDMA into an optical network. The optical CDMA principle is shown experimentally and an estimation of multiplexing capacity is proposed at the end

Nous choisissons d'étudier analytiquement les systèmes Mux/Demux en longueur d'onde en espace libre. Pour optimiser le couplage, nous établissons tout d'abord des expressions analytiques permettant de décrire la diffraction de Fresnel d'un faisceau gaussien tronqué. Nous considérons ensuite le couplage de ce faisceau dans une fibre munie d'une micro-optique Gradissimo. Pour cela nous présentons analytiquement la propagation d'un faisceau gaussien à travers la Gradissimo (en tenant compte de la troncature) et discutons la validité de ce modèle au regard des travaux antérieurs. Nous rappelons ensuite comment obtenir les expressions de couplage pour des faisceaux présentant une inclinaison et ou un décalage spatial, et proposons une piste pour étendre le modèle analytique à des aberrations d'ordre supérieur. Nous analysons enfin l'intérêt de cette micro-optique pour les systèmes Mux/Demux en espace libre. Après avoir étudié les entrées/sorties de ces systèmes nous décrivons la propagation d'un faisceau gaussien dans un système démultiplexeur de type 4f en considérant la présence d'éléments de transmittances données dans les plans des lentilles et le premier plan de Fourier. Cette modélisation nous permet d'évaluer l'intérêt de tels montages face à un montage plus classique et en particulier l'impact de l'insertion d'une optique reconfigurable dans le plan de Fourier. Enfin nous présentons une autre configuration moins habituelle, sans lentilles, permettant simultanément le démultiplexage en longueur d'onde et le routage spatial. Pour cela nous modélisons analytiquement le phénomène d'auto-imagerie de faisceaux gaussiens, en tenant compte de la finitude de l'ouverture et de la troncature du faisceau. L'analyse du rôle de chaque paramètre sur la qualité de reconstruction des répliques nous permet de définir les conditions nécessaires à une auto-imagerie polychromatique de qualité, compatible avec les ordres de grandeurs rencontrés dans les télécommunications optiques
We study wavelength Mux/Demux systems in free space analytically. In order to optimize the coupling we first provide analytical expressions to describe the Fresnel diffraction of a truncated Gaussian beam. We then consider the coupling of this beam in a fiber equipped with a micro-optical element such as the Gradissimo fibre. To do this, we first present an analytical model of the propagation of a Gaussian beam through this micro-optic (taking into account the beam truncation) and discuss its validity in comparison with previous works. We then recall how to obtain conventional coupling expressions for beams with a tilt or a spatial shift and we propose a way to extend the analytical model to higher order aberrations. Finally, we study the interest of the Gradissimo fibre for free space Mux/Demux systems. After having studied the input/output of these systems, we describe the propagation of a Gaussian beam in a demultiplexing 4f system, considering the presence of elements with given transmittances in the planes of the Fourier lenses and/or in the first Fourier plane. This propagation model enables us to assess the interest of such configurations with regard to a more conventional configuration (such as the Stimax) and more particularly to assess the impact of the addition of an adaptive optical element in the Fourier plane. We finally propose another less conventional lenseless configuration, allowing wavelength demultiplexing and space routing simultaneously. To do this, we analytically model the self-imaging phenomenon of Gaussian beams, taking into account the size of the aperture and the beam truncation. The analysis of the role of each parameter in the quality of the self-images allows us to derive the necessary conditions for good polychromatic self-imaging, compatible with the requirements of the WDM telecommunications environment

Cette thèse présente l'étude des photodiodes à avalanche de structure SAGM, à zone d'avalanche en Al(Ga)InAs et à zone d'absorption en GaInAs réalisées sur substrat InP. Ces APD visent deux types d'applications: les télécommunications optiques pour les réseaux métro/accès à 10Gb/s et la détection en espace libre pour la profilométrie de type LIDAR. Tout d'abord, la mesure des coefficients d'ionisation de différents composés Aluminium a orienté notre choix du matériau d'avalanche vers l'AlInAs qui possède le rapport des coefficients d'ionisation le plus élevé. Ensuite, les mesures et les simulations du courant d'obscurité nous ont permis d'une part de déterminer son origine et de le réduire, et d'autre part, d'établir un modèle de la photodiode (courant d'obscurité, gain et bande passante) que nous avons validé grâce à l'étude de différentes structures verticales et de différentes géométries de diodes. Enfin, la caractérisation des APD réalisées a démontré simultanément un faible courant d'obscurité multiplié lobs.M = 2nA, une responsivité élevée R0(M = 1) = 0,9A.W-1 à 1,55µm, un faible facteur d'excès de bruit f(M = 10) = 3,5 et un produit gainxbande passante élevé G x B = 150GHz qui placent nos composants au meilleur niveau de l'état de l'art. Les mesures du taux d'erreur et de la sensibilité de photorécepteurs utilisant nos diodes valident l'amélioration qu'apportent ces APD par rapport à la concurrence. De plus, les premières mesures de sensibilité en espace libre confirment l'intérêt porté à ce type de photodiodes
This thesis presents the study of SAGM avalanche photodiodes, with a thin Al(Ga)InAs avalanche layer and a GaInAs absorption layer, grown on InP substrate. These APDs target two applications : optical telecommunications for 10Gb/s metro/access networks and free space detection for LIDAR profilometry. First, the ionization coefficients measurements on several Aluminium compound materials lead us to choose AlInAs as avalanche material because of its high ionization coefficients ratio. Then dark current measurements and simulations allow us on one hand, to find its origin and to reduce its level, and on the other hand, to make out a photodiode model (dark current, multiplication factor and bandwidth) which was validated through the study of various APD vertical structures and diode geometries. Finally, the APDs characterization simultaneously demonstrates a low multiplied dark current Id,M = 2nA, a high responsivity R0(M = 1) = 0,9A.W-1 at 1,55µm, a low excess noise factor f(M = 10) = 3,5 and a high gain×bandwidth product G × B = 150GHz, which put our components at the best state of the art level. System measurements such as bit error rate or sensitivity carried out on photoreceivers using our diodes validate the improvement brought by these APDs compared to competitors. Moreover, the early free space sensitivity measurements confirm the interest showed to this kind of photodiodes

Un lien optique basé sur un multiplex de longueurs d'onde autour de 1,55μm est une alternative intéressante pour pallier la saturation des bandes radio-fréquences classiquement utilisées et pour répondre aux besoins de liens haut débit par satellite géostationnaire de la prochaine génération de télécommunication. Compte-tenu de la puissance limitée des lasers envisagés, la divergence du faisceau doit être considérablement réduite. Par conséquent, le pointage du faisceau devient un paramètre critique. Au cours de sa propagation entre la station sol et un satellite géostationnaire, le faisceau optique est dévié et éventuellement déformé par la turbulence atmosphérique. Cela induit de fortes fluctuations du signal de télécommunication détecté, réduisant le débit disponible. Un miroir de basculement est utilisé pour pré-compenser la déviation mesurée à partir d'un faisceau provenant du satellite. Du fait de l'angle de pointage en avant entre la liaison descendante et la liaison montante, les effets de turbulence subis par les deux faisceaux sont légèrement différents, ce qui induit une erreur dans la correction.Le critère de performance de la liaison est l’intensité minimale détectable 95% du temps. Un modèle rapide, nommé WPLOT, prenant en compte les erreurs de pointage et leur évolution temporelle, est proposé pour évaluer cette intensité minimale en fonction des paramètres de la station sol et de la qualité de la correction. Les résultats obtenus avec ce modèle sont comparés avec ceux obtenus par un modèle physique mais plus couteux en temps de calcul ; le code TURANDOT. Grâce à ce modèle, une étude de sensibilité a été réalisée et a permis de proposer un dimensionnement de la station sol. Ce modèle permet également de générer des séries temporelles afin d’optimiser les codes de correction d’erreur et optimiser le débit (1Terabit/s d'ici 2025)
An optical link based on a multiplex of wavelengths at 1.55µm is foreseen to be a valuable alternative to the conventional radio-frequencies for the feeder link of the next-generation of high throughput geostationary satellite. Considering the limited power of lasers envisioned for feeder links, the beam divergence has to be dramatically reduced. Consequently, the beam pointing becomes a key issue. During its propagation between the ground station and a geostationary satellite, the optical beam is deflected and possibly distorted by atmospheric turbulence. It induces strong fluctuations of the detected telecom signal, thus reducing the capacity. A steering mirror using a measurement from a beam coming from the satellite is used to pre-compensate the deflection. Because of the point-ahead angle between the downlink and the uplink, the turbulence effects experienced by both beams are slightly different, inducing an error in the correction. The performance criteria is the minimum detectable irradiance 95% of the time. A fast model, named WPLOT, taking into account pointing errors and their temporal evolution, is proposed to evaluate the minimum irradiance as a function of the ground station parameters and quality of the correction. The model’s results are compared to those obtained with a more physical but requiring more computation power: TURANDOT. A sensitivity study has been realized and led to a sizing of a ground station. The model also enables the generation of time series in order to optimize the forward error correction codes in order to be compliant with the targeted capacity (1Terabit/s by 2025)

Les longueurs d’onde optiques sont une alternative aux liens radio-fréquences pour lestransmissions satellite-sol du futur. Elles sont envisagées pour les futurs systèmes de télémesuresatellitaires (liens optiques descendants en provenance de satellites LEO) ou de communication(liens optiques bi-directionnels avec des satellites GEO). A sa traversée de l’atmosphère l’ondeoptique peut être profondément affectée par la turbulence atmosphérique. Elle subit desvariations spatiales et temporelles d’amplitude et de phase. Les variations d’amplitudesse traduisent par des variations de la puissance lumineuse collectée (scintillations). Lesperturbations de la phase affectent la distribution spatiale de la puissance au foyer du systèmede détection, qui n’est alors plus limitée par la diffraction. Des pertes peuvent en découler lorsdu couplage du flux incident à un détecteur optronique ou à une fibre optique monomode.Ces pertes se traduisent par des atténuations du signal reçu et donc par la perte d’informations.Pour s’en abstraire, les études de faisabilité les plus récentes mettent en avant l’utilisation desystèmes d’optique adaptative et de techniques numériques adaptées (codage/entrelacement).Pour limiter la complexité et le coût des systèmes de liens optiques, la définition des techniquesde compensation des atténuations peut être menée conjointement. C’est l’objectif principalde cette thèse. Il s’agit d’investiguer les complémentarités des techniques de compensationphysiques (optique adaptative) et numériques (entrelacement, codes correcteurs) pour disposerdes éléments permettant de définir les systèmes de correction les mieux adaptés
Optical wavelengths are an alternative to radio-frequency links for future satellite-to-groundtransmissions. They are envisioned in the framework of payload/telemetry data transfer (opticaldownlinks from LEO satellites) or communication (bi-directional optical links with GEOsatellites). However, as it propagates through the atmosphere, the optical wave can be deeplyaffected by atmospheric turbulence which induces randomspatial and temporal variations ofits amplitude and phase. Variations in amplitude translate into fluctuations of the collectedpower (scintillation). The phase distortions affect the spatial distribution of the power at thefocal plane of the telescope causing deleterious losses when the incident flux needs to becoupled to an optoelectronic detector or to a single-mode optical fiber. Such losses result indynamical attenuations of the received signal -called fading- and hence potentially to the lossof information. The most recent feasibility studies highlight the use of two types of fadingmitigation techniques: adaptive optics systems and digital techniques (coding and interleaving).To limit the complexity and cost of such systems, the optimization of these mitigationtechniques should be conducted jointly. The main objective of this thesis is therefore theinvestigation of the complementarity of physical (adaptive optics) and digital data reliabilitymechanisms (interleaving, correcting and erasure codes in a cross-layer approach)

Les liens de télécommunications optiques en espace libre sont amenés à se répandre. En particulier car leur déploiement est simple, rapide et économique au contraire des réseaux fibrés. Néanmoins leur fragilité face aux faibles visibilités et au-delà de quelques kilomètres de portée freine leur utilisation. Connaître plus finement le canal atmosphérique urbain sous toutes conditions météorologiques est donc nécessaire afin d’apporter les solutions pour fiabiliser ce type de liaison, notamment avec le choix d’une longueur d’onde adaptée. La première partie de cette thèse introduit le fonctionnement des liens de télécommunications optiques expérimentaux et décrit les différents phénomènes atmosphériques, tel que l’atténuation et la turbulence, auxquels sont soumis les faisceaux laser se propageant sur plusieurs kilomètres en espace libre. La seconde partie présente deux études, pour la première j’ai modélisé un lien optique afin de déterminer sa disponibilité en fonction de différentes longueurs d’onde et conditions atmosphériques. Dans la seconde étude j’ai déterminé, à l’aide de mesures réelles, l’évolution temporelle du canal atmosphérique en présence de turbulence. La troisième partie valide la méthode de reconstruction du Cn², distribué le long du canal turbulent. La dernière partie de cette thèse porte sur le travail préparatoire d’un lien expérimental à λ = 4 µm qui permettra de relier la performance télécom et l’état du canal, en terme de turbulence, caractérisée par de la constante de l’indice de réfraction, Cn². L’ensemble de ces travaux constitue une première étape dans la mise en œuvre de liens de télécommunications optiques en espace libre fonctionnant sous toutes conditions météorologiques
The free space optical (FSO) communication will be set to expand. Especially because they have easier, faster and cheaper deployment than optical fiber network. However, they present weakness in front of low visibility and beyond a range of few kilometers, thus slow down their use.The refined knowledge of the urban atmospheric channel is required in order to bring reliability solution to this technology, in particular with the choice of an appropriate wavelength.The first part of this thesis introduces the experimental FSO operation and describes the different atmospheric phenomena, such as attenuation and turbulence, which affect the laser beam propagation on few kilometers in free space.The second part presents two studies, for the first, I modeled FSO links in order to determine its availability as a function of different wavelength and atmospheric conditions. In the second study, I determined, with real measurements, the temporal evolution of an atmospheric turbulent channel. The third part validates the method Cn² reconstruction, distributed along the turbulent channel. The last part concerns the preparatory study of an experimental FSO link at λ = 4 µm which will relate the telecom performance and the channel state, in term of turbulence, characterized by the refractive index structure constant Cn². All this work constitutes a first step in the FSO links implementation under all weather conditions

Nous proposons des liaisons optiques en Silicium à faible coût utilisant des longueurs d'onde de propagation de 650 à 850 nm. La création de circuits intégrés optoélectroniques à grande échelle et de bus de données optiques au sein même des circuits intégrés, utilisant des composés Silicium CMOS, ont été envisagées présentant une voie prometteuse [1] - [3]. Dans les dernières tentatives de réalisation de systèmes optoélectroniques en CMOS, les technologies était principalement orientée sur l'utilisation des longueurs d'onde à 1550 nm [4] - [6], principalement en raison de la facilité de conception et de fabrication des guides d'ondes dans ce régime de longueur d'onde. Cependant, aucune source optique rapide efficace et aucun photo-détecteur Si ne sont disponibles à cette longueur d'onde de 1550 nm. Aujourd'hui, les solutions pour surmonter le problème sont principalement axées sur l'intégration de sources optiques basées sur des éléments du groupe IIIV reportés sur Silicium par liaison moléculaire [7a] - [7b].Si la source optique, le détecteur, les guides d'ondes et les capteurs pouvaient être réalisés sur la même puce CMOS Silicium, par exemple à une longueur d'onde de 750 nm, divers systèmes micro-photoniques sur puces, légers et miniaturisés, pourraient être conçus et réalisés. Alors que les sources optiques au Silicium ne sont peut-être pas encore au niveau de performance requis pour les communications à très haut débit, les systèmes optoélectroniques "tout-Silicium" à faible coût restent encore un excellent point de départ. Ces sources pourraient également conduire à un nouveau champ qui pourrait s'appeler «microsystèmes photoniques Si» ouvrant la voie à de nouvelles applications et produits notamment pour l'optique médicale, biomédicale, les interconnexions optiques et la biophotonique. Ces systèmes ne nécessitent de bande passante à très haute fréquence pour émettre, et les puissances d'émission de nos diodes électroluminescentes (LED) à avalanche peuvent être suffisantes pour assurer le fonctionnement de tels systèmes. Ce travail de thèse de doctorat traite donc des liaisons optiques SiGe / Si à faible coût en utilisant des dispositifs Photonique-Microondes tels que une source à Diode Electro-Luminescente (DEL) à avalanche en Silicium (SiAvLED) et Silicium-Germanium intégrée en technologie bipolaire, des guides d'ondes optiques en Nitrure de Silicium et en Oxyde de Silicium, des phototransistors bipolaires à hétérojonction (HPT) SiGe. Ce travail se concentre sur l'intégration combinée de sources optiques à l'échelle micrométrique, de guides d'ondes optiques et de détecteurs sur une même puce pour former une liaison de communication complète pour diverses applications iv impliquant des liaisons de courte longueur d'onde (750 nm à 950 nm). Les progrès fournis par ce travail par rapport aux travaux antérieurs pourraient être synthétisés comme suit:• La source optique, le guide d'ondes et le détecteur ont tous été intégrés et alignés sur la même puce, dans une technologie industrielle RF bipolaire SiGe 0,35μm, pour former une liaison optique ou optique micro-onde complète sur puce à la longueur d'onde de 750 nm.• Une série de liaisons de communication optique de deuxième génération de 50μm de longueur, utilisant des longueurs d'onde de propagation de 650 à 850 nm, a été conçue et réalisée en technologie SiGe bipolaire également. Des sources optiques, des guides d'ondes et des détecteurs de dimensions micrométriques ont tous été intégrés sur la même puce pour former une communication complète sur les liaisons micro-optiques. Des LED Si à base d'avalanche (Si Av LED), des contacts Schottky, des stratégies de densification TEOS, des guides d'ondes à base de Nitrure de Silicium et des technologies de détection bipolaire SiGe de pointe ont été utilisées comme stratégies de conception clés.• Le logiciel de simulation R-soft (Beam Prop) a été utilisé comme outil de simulation
We propose a low cost full-silicon optical links utilizing 650 – 850 nm propagation wavelengths. The creation of large-scale opto-electronic integrated circuits and optical data “highways” inCMOS integrated circuitry, utilizing Si CMOS compounds, have been envisioned and hold much promise [1] - [3] The latest attempts for realizing optoelectronic systems in CMOS technology have until now mainly been focused on utilizing wavelengths at 1550 nm [4] - [6], mainly because of the ease of design and fabrication of waveguides in this wavelength regime. However, no effective high-speed optical sources and Si detectors are available at this 1550nmwavelength. Today solutions to overcome the problem are mostly focused on the integration of group III-V elements based optical sources on Silicon through molecular bonding [7a] – [7b]. If optical sources, detectors, waveguides, and sensors could be realized on the same Si CMOS chip at, say, 750 nm wavelength, various low power consuming, light and miniature on-chip-based micro-photonic systems can be designed and realized. While Silicon optical sources may not yet be at the required performance level for very-high speed communications, the low cost “all silicon”opto-electronic systems still remain a great grail. These sources could lead as well to new field that could be appropriately named “Si photonic microsystems” opening the route to new sensing applications and products especially for the medical, biomedical optics, optical interconnect and bio-photonics field. These systems also do not require ultrahigh frequency bandwidths to transmit, and the emission powers of our avalanche Si light-emitting diodes(LEDs) may be sufficient to sustain the operation of such systems. This PhD thus deals with low cost SiGe/Si optical links using Microwave-Photonics devices such as, Bipolar integrated SiAvLED, Silicon Nitride and Silicon Oxide optical waveguides, SiGeHPTs, Si and SiGe/Si LEDs. It focuses on the combined integration of micron-scale optical sources, optical waveguides and detectors on the same chip to form a complete communication link for various applications involving short wavelength links (750nm to 950nm). The progress provided by this PhD to previous works could be synthesized as below:• Optical source, waveguide and the detector were all integrated and aligned on the same chip, in an industrial based technology, to form complete on-chip micro-optical links at750nm wavelength, with a SiGe radio frequency (RF) 0.35µm bipolar process.• A series of second generation of on-chip optical communication links of 50µm length, utilizing 650 – 850 nm propagation wavelengths, have been designed and realized inSiGe. Micron dimensioned optical sources, waveguides and detectors were all integrated ion the same chip to form a complete communication on-chip micro-optical links. Avalanche based Si LEDs (Si Av LEDs), Schottky contacting, TEOS densification strategies, Silicon-Nitride based waveguides, and state of the art SiGe bipolar detector technologies were used as key design strategies.• R-soft simulation software (Beam Prop) was used as a mathematical capable simulation tool to model various Silicon-Nitride optical waveguide structures, before the designing, the fabrication, characterization and testing of the device. Various device structures were modeled, simulation iterations were performed on several optical waveguide designed structures before the device design, and the devices were tested experimentally.• Best performances of the designed on-chip optical links show a conversion loss as low as30dB from source to detector with up to 500MHz in cut off frequency. The good alignment and the good efficiency of each device are then clearly achieved. Higher frequency performances are also envisaged from preliminary measurements