In recent years, silicon photonics has emerged as a promising technology for optical communication systems. The integration of silicon photonics with other materials and technologies has opened up new avenues for developing high-performance and cost-effective optical communication systems. This has led to significant research and development efforts in the field, intending to achieve better performance, higher integration, and lower power consumption. In this thesis, we aim to address an intriguing question - what would coherent transceivers look like in the future to serve high-capacity wavelength division multiplexing (WDM) systems?

In the first part of the thesis, we propose a wavelength-selective filter based on waveguide Bragg gratings (WBG) on the Silicon-on-insulator (SOI) platform. The proposed WBG has 6 equidistant heater segments with a single heater element on top of the silicon waveguide, and each segment can be controlled to control the refractive index of the corresponding segment. The proposed device not only provides control of the resonance wavelength but can also provide multi-band rejection filters and Fabry-Pérot-like filters. Another design is also proposed based on a tilted heater element to create chirped WBGs. We perform a comprehensive simulation analysis and validate it with experimental results. Furthermore, we design and propose 3-cascaded Mach–Zehnder modulators on the SOI platform, and investigate the feasibility of generating optical frequency combs with such devices.

Among the various optical frequency comb generators, quantum dash mode-locked laser diodes (QD-MLLDs) are potential candidates for future WDM transceivers. QD-MLLDs can emit a broadband of optical carriers with a fixed frequency spacing between each carrier. QD-MLLDs have many features such as narrow linewidth, compact size, and simple operation. In the second part of the thesis, we demonstrate the performance of such devices to serve high-capacity coherent optical systems. Our experimental results showcase that QD-MLLDs can be exploited for coherent transmission over 80 km of standard single-mode fiber (SSMF) using various modulation formats from QPSK to 64QAM, and symbol rates up to 120 GBd. Our WDM transmission experiments report aggregate bit rates of 4 Tb/s in a single polarization configuration. We illustrate that each channel generated by the QD-MLLD achieves an impressive net line rate of 447.8 Gb/s. Additionally, we conduct a thorough performance comparison between QD-MLLDs and a narrow linewidth integrable tunable laser assembly (ITLA). Moreover, we demonstrate that such devices can be used not only as multi-wavelength sources at the WDM transmitter but also as multi-wavelength local oscillators (LOs) at the receiver side for coherent detections of WDM signals. We also show that the frequency spacing between the comb lines can be programmed, enabling support for higher symbol rates in super-channel WDM transmissions. Lastly, thanks to the possibility of hybrid integration, we propose a schematic for future coherent optical transceivers using chip-scale optical frequency comb sources, such as QD-MLLDs, and silicon photonic modulators.

In the last part of the thesis, we propose and verify, both analytically and experimentally, innovative encryption techniques to safeguard sensitive data. We propose an encryption technique utilizing a phase modulator at the transmitter side and based on a roundtrip mechanism wherein an authenticated user does not share the secret key with other entities. Then, we introduce a quantum-inspired encryption technique for one-way transmission, which is based on displacing the modulated symbol randomly with random amplitudes and phases. Only the authenticated user would be able to decrypt the signal with the correct secret key after performing synchronization processes

Au cours des dernières années, la photonique au silicium a émergé comme une technologie prometteuse pour les systèmes de communication optique. L'intégration de la photonique au silicium avec d'autres matériaux et technologies a ouvert de nouvelles perspectives pour le développement de systèmes de communication optique haute performance et rentables. Cela a conduit à d'importants efforts de recherche et développement dans le domaine, visant à obtenir de meilleures performances, une intégration plus élevée et une consommation d'énergie réduite. Dans cette thèse, nous avons pour objectif de répondre à une question intrigante :​ à quoi ressembleraient les émetteurs-récepteurs cohérents dans le futur pour servir les systèmes de multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) à haute capacité?

Dans la première partie de la thèse, nous proposons un filtre sélectif en longueur d'onde basé sur des réseaux de Bragg à guides d'ondes (WBG) sur la plateforme Silicium-sur-isolant (SOI). Le WBG proposé comporte 6 segments de chauffage équidistants avec un seul élément chauffant au-dessus du guide d'ondes en silicium, et chaque segment peut être contrôlé pour réguler l'indice de réfraction du segment correspondant.Le dispositif proposé permet non seulement de contrôler la longueur d'onde de résonance, mais peut également fournir des filtres de rejet à bandes multiples et des filtres de type Fabry-Pérot. Un autre concept est également proposé en utilisant un élément chauffant incliné pour créer des réseaux de Bragg à pente variable. Nous réalisons une analyse de simulation approfondie et la validons avec des résultats expérimentaux. De plus, nous concevons et proposons des modulateurs Mach–Zehnder en cascade à 3 étages sur la plateforme SOI et étudions la faisabilité de générer des peignes de fréquence optique avec de tels dispositifs.

Parmi les divers générateurs de peignes de fréquence optique, les lasers à verrouillage de mode à boîtier quantique (QD-MLLDs) sont des candidats potentiels pour les futurs émetteurs-récepteurs WDM. Les QD-MLLDs peuvent émettre une large bande de porteuses optiques avec un espacement fixe entre chaque porteuse. Les QD-MLLDs présentent de nombreuses caractéristiques telles qu'une largeur de raie étroite, une taille compacte et un fonctionnement simple. Dans la deuxième partie de la thèse, nous démontrons les performances de tels dispositifs pour servir les systèmes optiques cohérents à haute capacité. Nos résultats expérimentaux montrent que les QD-MLLDs peuvent être exploités pour une transmission cohérente sur 80 km de fibre monomode standard (SSMF) en utilisant divers formats de modulation, du QPSK au 64QAM, et des débits symboles allant jusqu'à 120 Gbit/s. Nos expériences de transmission WDM rapportent des débits binaires agrégés de 4 Tbit/s dans une configuration de polarisation unique. Nous illustrons que chaque canal généré par le QD-MLLD atteint un impressionnant débit net de ligne de 447,8 Gbit/s. De plus, nous effectuons une comparaison approfondie des performances entre les QD-MLLDs et un ensemble laser accordable intégrable à raie étroite (ITLA).

Dans la dernière partie de la thèse, nous proposons et vérifions, à la fois analytiquement et expérimentalement, des techniques de chiffrement innovantes pour protéger des données sensibles. Nous proposons une technique de chiffrement utilisant un modulateur de phase côté émetteur et basée sur un mécanisme de va-et-vient, dans lequel un utilisateur authentifié ne partage pas la clé secrète avec d'autres entités. Ensuite, nous introduisons une technique de chiffrement inspirée de la physique quantique pour une transmission unidirectionnelle, basée sur le déplacement aléatoire du symbole modulé avec des amplitudes et des phases aléatoires. Seul l'utilisateur authentifié serait capable de décrypter le signal avec la clé secrète correcte après avoir effectué des processus de synchronisation