Dissertations / Theses on the topic 'Réseaux optiques passifs (PONs)'

Avec l’avènement des objets connectés, la bande passante nécessaire dépasse la capacité des interconnections électriques et interface sans fils dans les réseaux d’accès mais aussi dans les réseaux coeurs. Des systèmes photoniques haute capacité situés dans les réseaux d’accès utilisant la technologie radio sur fibre systèmes ont été proposés comme solution dans les réseaux sans fil de 5e générations. Afin de maximiser l’utilisation des ressources des serveurs et des ressources réseau, le cloud computing et des services de stockage sont en cours de déploiement. De cette manière, les ressources centralisées pourraient être diffusées de façon dynamique comme l’utilisateur final le souhaite. Chaque échange nécessitant une synchronisation entre le serveur et son infrastructure, une couche physique optique permet au cloud de supporter la virtualisation des réseaux et de les définir de façon logicielle. Les amplificateurs à semi-conducteurs réflectifs (RSOA) sont une technologie clé au niveau des ONU(unité de communications optiques) dans les réseaux d’accès passif (PON) à fibres. Nous examinons ici la possibilité d’utiliser un RSOA et la technologie radio sur fibre pour transporter des signaux sans fil ainsi qu’un signal numérique sur un PON. La radio sur fibres peut être facilement réalisée grâce à l’insensibilité a la longueur d’onde du RSOA. Le choix de la longueur d’onde pour la couche physique est cependant choisi dans les couches 2/3 du modèle OSI. Les interactions entre la couche physique et la commutation de réseaux peuvent être faites par l’ajout d’un contrôleur SDN pour inclure des gestionnaires de couches optiques. La virtualisation réseau pourrait ainsi bénéficier d’une couche optique flexible grâce des ressources réseau dynamique et adaptée. Dans ce mémoire, nous étudions un système disposant d’une couche physique optique basé sur un RSOA. Celle-ci nous permet de façon simultanée un envoi de signaux sans fil et le transport de signaux numérique au format modulation tout ou rien (OOK) dans un système WDM(multiplexage en longueur d’onde)-PON. Le RSOA a été caractérisé pour montrer sa capacité à gérer une plage dynamique élevée du signal sans fil analogique. Ensuite, les signaux RF et IF du système de fibres sont comparés avec ses avantages et ses inconvénients. Finalement, nous réalisons de façon expérimentale une liaison point à point WDM utilisant la transmission en duplex intégral d’un signal wifi analogique ainsi qu’un signal descendant au format OOK. En introduisant deux mélangeurs RF dans la liaison montante, nous avons résolu le problème d’incompatibilité avec le système sans fil basé sur le TDD (multiplexage en temps duplexé).
With the advent of IoT (internet of things) bandwidth requirements triggered by aggregated wireless connections have exceeded the fundamental limitation of copper and microwave based wireless backhaul and fronthaul networks. High capacity photonic fronthaul systems employing radio over fiber technology has been proposed as the ultimate solution for 5G wireless system. To maximize utilization of server and network resources, cloud computing and storage based services are being deployed. In this manner, centralized resources could be dynamically streamed to the end user as requested. Since on demand resource provision requires the orchestration between the server and network infrastructure, a smart photonic (physical layer)PHY enabled cloud is foreseen to support network virtualization and software defined network. RSOAs (Reflective Semiconductor Optical Amplifier) are being investigated as key enablers of the colorless ONU(Optical Network Unit) solution in PON (Passive Optical Network). We examine the use of an RSOA in radio over fiber systems to transport wireless signals over a PON simultaneously with digital data. Radio over fiber systems with flexible wavelength allocation could be achieved thanks to the colorless operation of the RSOA and wavelength reuse technique. The wavelength flexibility in optical PHY are inline with the paradigm of software defined network (SDN) in OSI layer 2/3. The orchestration between optical PHY and network switching fabric could be realized by extending the SDN controller to include optical layer handlers. Network virtualization could also benefit from the flexible optical PHY through dynamic and tailored optical network resource provision. In this thesis, we investigate an optical PHY system based on RSOA enabling both analog wireless signal and digital On-Off Keying (OOK) transportation within WDM (Wavelength Division Multiplexing) PON architecture. The RSOA has been characterized to show its potential ability to handle high dynamic range analog wireless signal. Then the RF and IF radio over fiber scheme is compared with its pros and cons. Finally we perform the experiment to shown a point to point WDM link with full duplex transmission of analog WiFi signal with downlink OOK signal. By introducing two RF mixer in the uplink, we have solved the incompatible problem with TDD (Time Division Duplex) based wireless system.

Le réseau d’accès optique est en plein essor, notamment avec le déploiement massif de Fiber to-the-home (FTTH) amenant la fibre jusqu’à l’usager et l’arrivée de la 5ème génération (5G) pour les communications mobiles. Sa démocratisation et l’évolution des usages d’Internet encourage la montée en débit au-delà des 10Gbit/s prévus avec le XG(S)-PON. Il existe de nombreuses solutions pour y parvenir. Dans cette thèse, la montée en débit du réseau d’accès optique passif (PON) sera étudiée sous trois axes :• L’utilisation du format de modulation PAM4 pour réutiliser les composants optiques et électrique sà 10GHz pour atteindre 25Gbit/s. Ce format de modulation à quatre niveaux d’amplitude, en plus d’avoir une meilleure efficacité spectrale que le NRZ couramment utilisé, permet l’introduction d’une structure de PON fonctionnant à deux débits. Au cours du chapitre traitant du PAM4, l’amplification optique sera étudiée pour améliorer les performances de budget optique. La dernière partie traite de l’extrapolation des résultats expérimentaux pour simuler une transmission PAM8.• Les propositions des industriels concernant la montée en débit, à travers trois prototypes. Le premier prototype concerne une application de la norme NG-PON2 et de son option PtP WDM. Le deuxième prototype démontre la faisabilité d’une transmission duobinaire à 25Gbit/s en bande latérale résiduelle. Le troisième et dernier prototype présentera une ébauche de solution pour réaliser le lien fronthaul pour la 5G mobile avec une technologiePtP WDM à 25Gbit/s par canal.• L’implémentation de l’égalisation dans le cadre du PON. Le traitement du signal est très utilisé dans les transmissions optiques du réseau de transport. Avec la montée en débit, son utilisation dans le réseau d’accès semble inévitable. Dans cette partie, les spécificités du PON et des transmissions point-à-multipoints sont étudiées pour proposer une implémentation d’égalisation en accord avec les contraintes de coûts du réseau d’accès et les contraintes liées à la topologie du réseau d’accès
The optical access network is booming, especially with the massive deployment of FTTH connecting clients’ home and antenna sites for the incoming 5G. The fiber’s popularization and the transformation of data consumption drive the bitrate growth. Many solutions are proposed. In this thesis, the passive optical network’s (PON) bitrate growth will be studied along three axes :• PAM4 to reuse 10GHz optoelectronical components to reach 25Gbit/s. This four levels modulation format is more bandwidth efficient than NRZ and it allows to transmit two bitratesas the same time on a PON tree. Within the first chapter, optical amplification is studied to enhance the optical budget for a PAM4 transmission. Last part of the chapter presents asimulation based on the real-time experiment to simulate PAM8.• Three vendors’ solutions for the throughput growth. The first prototype is based on theNG-PON2 standard and its PtP WDM option. The second prototype demonstrates how to transmit 25Gbit/s with duobinary and vestigial side band modulation. The last prototype illustrates a youthful solution for 5G fronthauling with a PtP WDM system transmitting at 25Gbit/s.• Equalization in PON’s context. Signal processing and equalization are common in optical transport links. With the throughput rising, equalization in access network seems indispensable. In the chapter, an implementation of equalization is proposed congruently with point-to-multipoints PON application and compliantly with access network’s cost needs and topology

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la montée en débit des réseaux d’accès optiques passifs. Les travaux menés durant cette thèse s’appuient sur le constat que les technologies actuelles basées sur le multiplexage temporel, arriveront à leurs limites dans les années à venir et ne pourront plus répondre à l’évolution des besoins en débit. L’étude des problèmes rencontrés lors les déploiements actuels conduit à proposer une autre forme de multiplexage plus adaptée aux débits demandés par les utilisateurs : le multiplexage fréquentiel (ou FDM/FDMA). Les travaux réalisés dans cette thèse ont pour but de montrer la faisabilité d’une telle architecture en laboratoire. Les objectifs sont de déterminer les débits atteignables, que ce soit pour le lien descendant (du central vers l’abonné) ou pour le lien montant (abonnée vers central), mais également de réaliser une étude théorique afin de mettre en lumière les limites de cette solution. Des algorithmes d’allocation dynamique de ressources ont été élaborés et validés expérimentalement afin de déterminer la capacité totale de chaque lien. L’architecture utilisant deux longueurs d’ondes distinctes (une pour le lien descendant et l’autre pour le lien montant) permet d’atteindre un débit de 40 Gbps et 20 Gbps respectivement pour le lien descendant et montant en utilisant le format de multiplexage FDM/FDMA. Enfin, une architecture hybride n’employant qu’une seule longueur d’onde pour le transport à la fois les données montantes et descendantes a été explorée et permet d’atteindre un débit symétrique de 25Gbps
This thesis is part of the growing capacity of passive optical access networks. The works done during this thesis are based on the fact that current technologies, employing time division multiplexing, will reach their limits in the coming years and will no longer respond to changes in high bitrates requirements. The study of problems encountered during the current deployments led us to propose another form of multiplexing more suitable for bitrates requested by users: the FDM/FDMA PON, frequency division multiplexing. The work done in this thesis aim to demonstrate the feasibility of a such architecture in the laboratory. The objectives are to determine the achievable capacity, whether for the downlink (from central office to user) or the uplink (subscriber to central), but also to achieve a theoretical study to highlight the limitations of this solution. Algorithms for dynamic allocation of resources have been developed and validated experimentally to determine the total capacity of each link. The architecture using two distinct wavelengths (one for the downlink and one for the uplink) achieves a capacity of 40Gbps for the downlink and 20Gbps for the uplink by using FDM/FDMA PON. Finally, a hybrid architecture using a single wavelength to transport both uplink and downlink data has been explored and achieves a symmetrical capacity of 25Gbps

Initialement poussées par le marché résidentiel, les évolutions du réseau d’accès optique sont aujourd’hui également stimulées par l’expansion du réseau mobile. Comme le montre le premier chapitre de ce document, l’introduction d’un multiplexage en longueur d’onde dense constitue l’une des solutions privilégiées pour permettre la montée en débit dans les réseaux d’accès optique. Dans cette thèse, l’impact de l’introduction du multiplexage en longueur d’onde dense est étudié sous trois axes :• Une prochaine étape de l’évolution des technologies pour les réseaux d’accès passerait par une hybridation entre d’une part, un multiplexage temporel (hérité des précédentes générations), et d’autre part, un multiplexage en longueur d’onde dense. Cette technologie, appelée NGPON2-TWDM, permet aujourd’hui d’envisager des débits de 40Gb/s à 80Gb/s grâce à 4 ou 8 canaux. Les difficultés liées à la stabilité de la longueur d’onde lors de l’émission de données en mode paquet dans le sens montant du lien, ainsi que les solutions associées, sont étudiées dans le second chapitre.• L’importance du marché que représente le réseau d’accès optique (aussi bien pour les clients résidentiels que pour les réseaux mobiles), induit la nécessité pour les différentes générations de technologies de coexister au sein d’une même infrastructure. Du fait des fortes puissances optiques en jeu et des plages spectrales allouées à chaque technologie, cette coexistence peut induire des interactions entre technologies par émission Raman stimulée, dont le principe et les impacts sont décrits dans le troisième chapitre.• Enfin, la quatrième partie de ce document est dédiée à l’étude des limites et potentialités de la technologie self-seeded pour le multiplexage en longueur d’onde dense en bande O, capable de stabiliser automatiquement et passivement la longueur d’onde d’émission de chacun des émetteurs du système
Initially led by the residential market, today’s optical access network evolutions are stimulated by mobile network expansion. As shown in the first chapter of this document, dense wavelength division multiplexing is one of the favorite solutions in order to increase optical access networks throughput. In this thesis, we propose a study of dense wavelength division multiplexing introduction according to three main topics :• Service providers and equipment suppliers have decided that the next step in residential market evolution will consist in a hybridization between, on one hand, a legacy time division multiplexing, and on the other hand, a dense wavelength division multiplexing. Named NG-PON2, this technology allows today 40Gb/s to 80Gb/s thanks to 4 to 8 channel pairs. Wavelength stability of the upstream emitter under burst mode operation, and related solutions, are studied in the second chapter.• Market importance (for both residential market and mobile networks) requires the different technologies generations to coexist on the same infrastructure. Due to the high optical power and the wavelength spans allocated to each technology, this coexistence can lead to technologies interactions by stimulated Raman scattering, as described in the third chapter.• Finally, the fourth part of this document describes the limits and potentialities of the self-seeded emitter technology for O-band dense wavelength division multiplexing, able to automatically and passively self-stabilize the wavelength of each emitter

Initialement poussées par le marché résidentiel, les évolutions du réseau d’accès optique sont aujourd’hui également stimulées par l’expansion du réseau mobile. Comme le montre le premier chapitre de ce document, l’introduction d’un multiplexage en longueur d’onde dense constitue l’une des solutions privilégiées pour permettre la montée en débit dans les réseaux d’accès optique. Dans cette thèse, l’impact de l’introduction du multiplexage en longueur d’onde dense est étudié sous trois axes :• Une prochaine étape de l’évolution des technologies pour les réseaux d’accès passerait par une hybridation entre d’une part, un multiplexage temporel (hérité des précédentes générations), et d’autre part, un multiplexage en longueur d’onde dense. Cette technologie, appelée NGPON2-TWDM, permet aujourd’hui d’envisager des débits de 40Gb/s à 80Gb/s grâce à 4 ou 8 canaux. Les difficultés liées à la stabilité de la longueur d’onde lors de l’émission de données en mode paquet dans le sens montant du lien, ainsi que les solutions associées, sont étudiées dans le second chapitre.• L’importance du marché que représente le réseau d’accès optique (aussi bien pour les clients résidentiels que pour les réseaux mobiles), induit la nécessité pour les différentes générations de technologies de coexister au sein d’une même infrastructure. Du fait des fortes puissances optiques en jeu et des plages spectrales allouées à chaque technologie, cette coexistence peut induire des interactions entre technologies par émission Raman stimulée, dont le principe et les impacts sont décrits dans le troisième chapitre.• Enfin, la quatrième partie de ce document est dédiée à l’étude des limites et potentialités de la technologie self-seeded pour le multiplexage en longueur d’onde dense en bande O, capable de stabiliser automatiquement et passivement la longueur d’onde d’émission de chacun des émetteurs du système
Initially led by the residential market, today’s optical access network evolutions are stimulated by mobile network expansion. As shown in the first chapter of this document, dense wavelength division multiplexing is one of the favorite solutions in order to increase optical access networks throughput. In this thesis, we propose a study of dense wavelength division multiplexing introduction according to three main topics :• Service providers and equipment suppliers have decided that the next step in residential market evolution will consist in a hybridization between, on one hand, a legacy time division multiplexing, and on the other hand, a dense wavelength division multiplexing. Named NG-PON2, this technology allows today 40Gb/s to 80Gb/s thanks to 4 to 8 channel pairs. Wavelength stability of the upstream emitter under burst mode operation, and related solutions, are studied in the second chapter.• Market importance (for both residential market and mobile networks) requires the different technologies generations to coexist on the same infrastructure. Due to the high optical power and the wavelength spans allocated to each technology, this coexistence can lead to technologies interactions by stimulated Raman scattering, as described in the third chapter.• Finally, the fourth part of this document describes the limits and potentialities of the self-seeded emitter technology for O-band dense wavelength division multiplexing, able to automatically and passively self-stabilize the wavelength of each emitter

Cette thèse étudie l’application des codes produits Reed Solomon (RS) dans les systèmes de communication optique, visant à améliorer la correction d’erreurs et optimiser les performances tout en réduisant la complexité. Cela permet l’utilisation de composants à faible coût, essentiel dans les réseaux d’accès optiques où l’aspect économique est crucial. La thèse présente les réseaux optiques passifs (PON) et leurs avancées, en mettant l’accent sur les configurations Point-à-Point (PtP). Elle aborde également la nécessité de correction d’erreurs fiable et explore la théorie des codes de canal, notamment les codes RS, leur construction, propriétés et décodage. Une contribution importante de cette thèse est l’association des codes RS avec des codes Single Parity Check (SPC), analysée à travers des simulations de performance avec de paquets de taille dynamiques. Enfin, la thèse évalue la performance des codes produits RS de faible complexité dans les canaux optiques, notamment dans des systèmes de 50 et 100 Gb/s dans les sens montant et descendant, utilisant la modulation binaire (NRZ) et la modulation d’amplitude en impulsions (PAM4) associées à une modulation d’intensité et détection directe (IM/DD). Les résultats montrent que les codes produits RS améliorent la correction d’erreurs dans les réseaux optiques, en augmentant la fiabilité tout en équilibrant coût et complexité
This thesis studies the application of Reed Solomon (RS) product codes in optical communication systems, with a focus on improving error correction and optimizing system performance while reducing complexity. This allows the use of low-cost components, a crucial factor in optical access networks where cost is a key consideration. The thesis introduces Passive Optical Networks (PON) and their advances, with emphasis on Point-to-Point (PtP) configurations. It also discusses the need for reliable error correction and explores the channel coding theory, in particular RS codes, their construction, properties and decoding. An important contribution of this thesis is the association of RS codes with Single Parity Check (SPC) codes, analyzed through performance simulations with dynamic packet sizes. Lastly, the thesis evaluates the performance of low-complexity RS product codes in optical channels, particularly in downstream and upstream 50 and 100 Gb/s systems using NRZ and pulse amplitude modulation (PAM4) with intensity modulation and direct detection (IM/DD). The findings show that RS-based product codes improve error correction in optical networks, enhancing reliability while balancing cost and complexity

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la forte évolution du réseau d'abonnées sur fibre optique (FTTH). Elle a l'objectif d'étudier les solutions d'émetteurs dits "achromatiques" à base de nouveaux composants optoélectroniques pour les réseaux d'accès optiques multiplexés en longueurs d'onde (WDM-PON). Ces émetteurs doivent être peu chers et identiques chez tout abonné quelque soit la longueur d'onde de fonctionnement. Deux types d'émetteurs achromatiques à base de modulateur réflectif sont étudiés dans cette thèse : le laser Fabry-Perot verrouillé par injection optique (IL-FP) et le modulateur électro-absorbant amplifié en réflexion (R-EAM-SOA). Les caractéristiques de l'IL-FP en régime de verrouillage sont évaluées en termes de bruit d'intensité, de modulation, de facteur de couplage phase-amplitude,... La caractérisation tant statique que dynamique est aussi effectuée pour le second composant R-EAM-SOA. D'autres fonctionnalités de ce composant comme la détection directe et la régénération promettent son grand potentiel pour la réalisation d'un dispositif multifonctionnel pour le réseau d'accès. Il est également proposé d'utiliser pour la première fois, le laser à bâtonnets quantiques à blocage de modes (QD-MLL) comme source d'injection multi-longueurs d'onde cohérentes pour l'accès optique WDM. Il est montré qu'il est possible de supprimer le bruit de partition de modes associé à ces structures à blocage de modes. Finalement l'intégration de ces trois composants dans des architectures WDM-PON est réalisée. La faisabilité des systèmes WDM-PON à 2,5 Gb/s à base des IL-FP injectés par une source QD-MLL est évaluée pour différentes configurations et architectures réseau. La montée en débit à 10 Gb/s est prouvée en utilisant le R-EAM-SOA. Un système WDM-PON bidirectionnel avec une capacité de 240 (24 x 10) Gb/s en voie descendante et 60 (24 x 2,5) Gb/s en voie montante a été démontré en utilisant ces solutions d'émetteurs achromatiques proposées. Une des principales sources de dégradation du système WDM-PON bidirectionnel est la rétrodiffusion de Rayleigh pour laquelle le bruit interférométrique produit est étudié. L'impact de ce bruit sur les performances en transmission du système WDM-PON est aussi analysé.

Les réseaux longue période sont des composants passifs tout-fibre utilisés dans le domaine des télécommunications par fibre optique ou de l'instrumentation optique. Ils sont obtenus en réalisant une modulation des paramètres opto-géométriques de la fibre optique ; modulation dont la période est de plusieurs centaines de micromètres. Ils induisent à une longueur d'onde de résonance un couplage co-directionnel entre le mode fondamental et un mode de gaine. Un filtrage large-bande est alors obtenu. Une étude fondée sur la théorie des modes couplés est menée pour dissocier l'influence des différents paramètres du réseau sur le spectre de transmission. La modélisation de réseaux longue période plus complexes est également présentée. Dans cette étude, les réseaux sont fabriqués en appliquant des décharges électriques sur la fibre optique. Les propriétés de cette méthode innovante sont étudiées à l'aide de nombreuses caractérisations. L'intérêt de cette méthode pour réaliser des filtres passe-bande par insertion de sauts de phase est présentée, ainsi que l'association des propriétés d'un réseau avec celles de fibres particulières (fibre à deux cœurs concentriques, fibre micro-structurée air/silice). Enfin, un nouveau procédé de fabrication de coupleurs par fusion-étirage utilisant un laser CO2 comme source de chaleur est décrit en annexe
Long period fibre gratings are passive components used in optical telecommunication or instrumentation fields. The gratings are obtained by creating a modulation of the opto-geometrical fibre parameters with a periodicity of few hundred micrometers. They induce at a resonance wavelength, a co-directional coupling between the fundamental mode and a cladding mode. A large bandwidth filter is thus obtained. A theoretical study based on coupled mode theory is realised, so as to dissociate the influence of their several parameters on the transmitted spectrum. Simulations of complex long period fibre gratings are also presented. In this study, the gratings are fabricated by applying electrical discharges on the optical fibre. The properties of this new method are deeply investigated with the help of several characterisations. One of the interests of this method is to make pass-band filters by introducing phase shifts in the gratings. The association of the grating properties with those of special optical fibres (dual concentric cores fibre, Ge-free air-silica microstructure fibre) is also investigated. Finally, a new process for making fused fibre couplers using a CO2 laser as heating source, is presented in annex

Un bris survenant sur un réseau d'accès constitue une gêne pour l'usager, dans la mesure où sa connexion à l'Internet est temporairement interrompue. L'opérateur doit donc être en mesure de lui offrir un réseau fiable, et mettre en oeuvre toute une instrumentation spécialisée dans la surveillance de ses réseaux afin de pouvoir intervenir au plus vite en cas de défaillance. Ce mémoire a pour but d'isoler les contraintes techniques et économiques liées à la topologie et à aux propriétés physiques des réseaux optiques passifs. Puis, après une étude des solutions issues de la littérature scientifique, un système de surveillance adapté à de tels réseaux y est défini, en fonction de ces contraintes, et dont les forces, les faiblesses et les recommandations associées à son déploiement sont décrites.

Les fibres silicates dopées par de l'oxyde de germanium présentent la particularité de subir une variation permanente d'indice de réfraction si elles sont irradiées par un rayonnement ultraviolet (#p = 244nm). Cette modification permanente d'indice permet d'inscrire des réseaux de Bragg dans les fibres germanosilicates. La méthode d'inscription consiste a irradier transversalement, en régime continue, le cœur des fibres par un système de franges d'interférences ultraviolettes. Le développement de réseaux de telecommunications par fibres optiques a fait ressortir la nécessite de réaliser des fonctions optiques intégrées dans la fibre. Nous présentons dans ce mémoire la réalisation de dispositifs optiques intégrant des réseaux de bragg. La dispersion chromatique peut limiter les performances d'une transmission (distances et débits). Nous abordons l'utilisation des réseaux de Bragg pour la compensation de la dispersion chromatique. Par ailleurs, la possibilité d'accorder la longueur d'onde de Bragg des réseaux donne naissance a de nombreux composants pouvant être introduits dans des fonctions de routage de longueurs d'onde, d'extraction de signaux.

Dans le contexte des Réseaux Optiques Passifs (PON), les opérateurs recherchent des solutions innovantes pour augmenter le débit agrégé, nombre d'utilisateurs et portée de la transmission. En plus, des solutions émetteurs-récepteurs à bas coût sont nécessaires. La technique de transmission Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) peut améliorer les performances de la communication en termes de débit agrégé et portée comparé à la modulation classique On-Off Keying (OOK) mono-porteuse. Au même temps, la technologie Photonique sur Silicium permet de réduire le coût par unité des émetteurs-récepteurs, en raison de sa capacité de production en masse et intégration électro-optique. L'OFDM optique a déjà démontré son potentiel avec des composants optiques sur étagère. Par contre, son utilisation avec des émetteurs compatibles avec la technologie Photonique sur Silicium est plus difficile. L'objectif de ce travail est d'étudier les performances d'un lien basé sur des composants Photoniques sur Silicium utilisant la technique de modulation OFDM. Pour atteindre cet objectif, une plateforme de simulation dédiée est développée. Le modulateur-démodulateur OFDM est mise en place, ainsi que des modèles d'émetteurs Photoniques sur Silicium développés pendant la thèse. Ces modèles sont validés expérimentalement avec la caractérisation des composants disponibles au laboratoire. En parallèle, un banc expérimental est construit. Les émetteurs Photoniques sur Silicium sont comparés avec des composants à l'état-de-l' art sur étagère dans un lien OFDM optique. Dans les systèmes en modulation d'intensité et détection directe (IM/DD), une technique d'allocation quasi-optimale de bits et puissance avec de l'OFDM optique est proposée pour maximiser l'efficacité spectrale. Deux types d'émetteurs Photoniques sur Silicium sont considérés : des lasers hybrides III/V-sur-Silicium en modulation directe (expérimentation) et des modulateurs externes comme le Mach-Zehnder (MZM) (simulation) et en anneau-résonant (expérimentation et simulation). Les résultats expérimentaux montrent qu'un débit agrégé de 10Gbps peut être attendu jusqu'à 50km de fibre monomode, compatible avec les exigences de futures générations de PONs. La portée de la transmission (>10Gbps) avec le modulateur en anneau est limitée à 20km, en raison des pertes de couplage élevé en entrée/sortie de la puce. Les simulations montrent que la portée peut atteindre 100km si les pertes sont réduites. Une technique de modulation appelée Single-Side Band (SSB)-OFDM est connu pour améliorer le produit bande-passante-portée de la transmission, en comparaison avec des systèmes IM/DD (Dual-Side Band (DSB)). Par contre, l'émetteur SSB exige plusieurs composants électriques et optiques discrets, augmentant sa complexité. La technologie Photonique sur Silicium permet de un haut niveau d'intégration électro-optique. Pour cette raison, une implémentation spécifique d'un modulateur optique IQ sur Silicium permettant une génération efficace d'un signal SSB-OFDM est étudiée. Les résultats de simulation d'un cas d'étude montrent que l'émetteur Silicium permet d'atteindre une pénalité dans le budget optique relativement faible (de l'ordre de 3dB) comparé à un modulateur LiNbO3. Les solutions présentées dans cette thèse répondent aux besoins de future générations de PON en termes de débit avec des bandes-passantes relativement faibles (<6.25GHz). Ceci est un atout pour l'application considérée. Les tensions de modulations pour les liens IM/DD sont proches des celles fournies par l'électronique CMOS (about 2Vpp). Le développement récent de processeurs numériques et de convertisseurs numériques-analogiques à haut débit en CMOS font de l'OFDM une solution très attractive pour les futures générations de PONs, puisque des transmetteurs tout-Silicium peuvent désormais être envisagés.

Dans le contexte des Réseaux Optiques Passifs (PON), les opérateurs recherchent des solutions innovantes pour augmenter le débit agrégé, nombre d'utilisateurs et portée de la transmission. En plus, des solutions émetteurs-récepteurs à bas coût sont nécessaires. La technique de transmission Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) peut améliorer les performances de la communication en termes de débit agrégé et portée comparé à la modulation classique On-Off Keying (OOK) mono-porteuse. Au même temps, la technologie Photonique sur Silicium permet de réduire le coût par unité des émetteurs-récepteurs, en raison de sa capacité de production en masse et intégration électro-optique. L'OFDM optique a déjà démontré son potentiel avec des composants optiques sur étagère. Par contre, son utilisation avec des émetteurs compatibles avec la technologie Photonique sur Silicium est plus difficile. L'objectif de ce travail est d'étudier les performances d'un lien basé sur des composants Photoniques sur Silicium utilisant la technique de modulation OFDM. Pour atteindre cet objectif, une plateforme de simulation dédiée est développée. Le modulateur-démodulateur OFDM est mise en place, ainsi que des modèles d'émetteurs Photoniques sur Silicium développés pendant la thèse. Ces modèles sont validés expérimentalement avec la caractérisation des composants disponibles au laboratoire. En parallèle, un banc expérimental est construit. Les émetteurs Photoniques sur Silicium sont comparés avec des composants à l'état-de-l' art sur étagère dans un lien OFDM optique. Dans les systèmes en modulation d'intensité et détection directe (IM/DD), une technique d'allocation quasi-optimale de bits et puissance avec de l'OFDM optique est proposée pour maximiser l'efficacité spectrale. Deux types d'émetteurs Photoniques sur Silicium sont considérés : des lasers hybrides III/V-sur-Silicium en modulation directe (expérimentation) et des modulateurs externes comme le Mach-Zehnder (MZM) (simulation) et en anneau-résonant (expérimentation et simulation). Les résultats expérimentaux montrent qu'un débit agrégé de 10Gbps peut être attendu jusqu'à 50km de fibre monomode, compatible avec les exigences de futures générations de PONs. La portée de la transmission (>10Gbps) avec le modulateur en anneau est limitée à 20km, en raison des pertes de couplage élevé en entrée/sortie de la puce. Les simulations montrent que la portée peut atteindre 100km si les pertes sont réduites. Une technique de modulation appelée Single-Side Band (SSB)-OFDM est connu pour améliorer le produit bande-passante-portée de la transmission, en comparaison avec des systèmes IM/DD (Dual-Side Band (DSB)). Par contre, l'émetteur SSB exige plusieurs composants électriques et optiques discrets, augmentant sa complexité. La technologie Photonique sur Silicium permet de un haut niveau d'intégration électro-optique. Pour cette raison, une implémentation spécifique d'un modulateur optique IQ sur Silicium permettant une génération efficace d'un signal SSB-OFDM est étudiée. Les résultats de simulation d'un cas d'étude montrent que l'émetteur Silicium permet d'atteindre une pénalité dans le budget optique relativement faible (de l'ordre de 3dB) comparé à un modulateur LiNbO3. Les solutions présentées dans cette thèse répondent aux besoins de future générations de PON en termes de débit avec des bandes-passantes relativement faibles (<6.25GHz). Ceci est un atout pour l'application considérée. Les tensions de modulations pour les liens IM/DD sont proches des celles fournies par l'électronique CMOS (about 2Vpp). Le développement récent de processeurs numériques et de convertisseurs numériques-analogiques à haut débit en CMOS font de l'OFDM une solution très attractive pour les futures générations de PONs, puisque des transmetteurs tout-Silicium peuvent désormais être envisagés
In the context of Passive Optical Networks (PON), operators are looking for innovative solutions to increase aggregated data-rate, split-ratio and reach. Another requirement is that transceivers should be as low-cost as possible. The optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technique can improve performance of the transmission in terms of data-rate and reach as compared to classical single-carrier On-Off Keying (OOK) modulation. At the same time, the silicon photonics technology can lower the cost per unit of the transceiver, due to its mass production and E/O integration capabilities. Optical OFDM has already shown its potential using commercially available optical components. However, its use with silicon photonics Directly-Modulated Lasers (DML) and modulators is more challenging. The objective of this work is to study the performance of OFDM -based solutions for future PON, using silicon photonics transmitters. For that purpose, a dedicated simulation platform is developed. The OFDM modem is implemented, as well as models of silicon photonic devices built during this thesis. These models are validated by characterizing physical components available for test. In parallel, an experimental test-bed is developed. The silicon photonics transmitters are benchmarked with commercial-available transmitters for OFDM-based optical systems. For Intensity-Modulated/Directly-Detected (IM/DD) links, the use of optical OFDM with adaptive bit and power loading is proposed to maximize spectral efficiency. Two types of silicon photonics transmitters are considered: directly modulated III/V-on-silicon lasers (experiment) and external optical modulators such as Mach-Zehnder Modulator (MZM) (simulation) and ring-resonator (simulation and experiment). Experimental results show that the hybrid DML can provide more than 10Gbps aggregated data-rate over at least 50km, which is a requirement for future uplink PON (from the subscriber to the central office). For the silicon ring modulator, because of the high coupling loss in and out of the photonic chip, reach was limited to 20km for a data-rate higher than 10Gbps. These are the first experimental demonstrations of OFDM modulation with hybrid III/V-on-silicon lasers and silicon ring-resonator modulator. Besides, simulation results show that reach can be indeed improved up to 100km if the optical signal is amplified or the coupling loss reduced. A modulation technique called Single-Side Band (SSB)-OFDM is known to improve the [bandwidth x reach] product of the link, as compared to IM/DD (Dual-Side Band (DSB)) systems. However, it requires expensive transmitters with several discrete optical components. As silicon photonics technology allows a very high level of integration between different optical components and between electrical and optical devices, a silicon optical IQ modulator enabling ac{SSB}-ac{OFDM} technique is investigated. Simulation results of a study-case reveal that a relatively low optical budget penalty (up to 3dB) of the silicon photonics transmitters as compared to the LiNbO3 modulator is achieved. The solutions presented in this thesis are demonstrated to be compliant with future PON in terms of data-rate, with relatively low bandwidth (<6.25GHz) electronics. This is a great asset for the considered application. The driving voltages required for typical IM/DD systems showed to be closer to what CMOS driving circuitry can provide (about 2Vpp). Recent developments on high-speed digital signal processors and D/A-A/D converters, using CMOS technologies, make optical-OFDM an attractive solution for future PONs as full-Silicon-transmitters could be used

Dans ce travail de thèse, un aperçu général sur les systèmes PON est présenté et sont étudiés les mécanismes et classification PON existants. Après, nous introduisons notre première contribution qui est un algorithme d'allocation dynamique de bande passante pour EPON. Cet algorithme proposé est désigné comme «hcDBA». Par la suite, une amélioration de l'algorithme de hcDBA avec mécanisme de prédiction précoce est présentée. Notre simulation montre bien que notre algorithme hcDBA est performant comparé aux mécanismes existants en termes de taux de perte de paquets et de délai d’accès. Dans notre seconde contribution, nous sommes intéressés au problème de consommation d’énergie qui est un sujet d’actualité dans les réseaux de télécommunication. Les études montrent aujourd’hui que les réseaux d'accès constituent une partie remarquable de la consommation totale d'énergie dans les réseaux de télécommunication. Les organisations ITU-T et IEEE ont publié la recommandation pour la conversation de l'énergie pour les réseaux PONs. Bien que, la consommation totale d'énergie des nœuds ONU est plus importantes que d'autres équipements dans le réseau d'accès fixe, les normes et la plupart des travaux de recherches ont porté sur les économies d'énergie du côté de ONU. Dans cette thèse, nous sommes concentrés sur une méthode d'efficacité énergétique basée sur la conservation de l'énergie du côté de l’OLT. La méthode proposée permet d’économiser de l'énergie en déplaçant dynamiquement des cartes d’OLT en mode de sommeil profond en fonction des charges de trafic entrant et sortant
In this thesis, general overview about PON systems is presented and existing PON mechanisms and classification are investigated. After, a novel dynamic bandwidth allocation algorithm for EPON is introduced. This proposed algorithm is named as “Half Cycling Dynamic Bandwidth Allocation-hcDBA” by the inspiration of its half cycling processing mode. Later, an improvement of hcDBA algorithm with early prediction mechanism is presented. As a result statement of the study, hcDBA algorithm performs better than existing mechanism in terms of packet loss ratio and access delays. Beside, simulation traffic behavior of EPON’s upstream channel has been investigated in order to support the decision of selecting suitable traffic generator in further studies. Energy conversation is one of the hot topics in telecommunication networks. Access networks constitute remarkable portion of the total energy consumption in telecommunication networks. ITU-T and IEEE organizations published recommendation for energy conversation in PONs. While, total energy consumption of ONUs is more than other equipment in fix access network the standards and most of the researches focused on saving energy at ONU side. In this thesis I focused on an energy efficiency method based on energy conversation on OLT side. The proposed method save energy by dynamically moving OLT cards to deep sleep mode according to the incoming and outgoing traffic loads

Dans ce travail de thèse, un aperçu général sur les systèmes PON est présenté et sont étudiés les mécanismes et classification PON existants. Après, nous introduisons notre première contribution qui est un algorithme d'allocation dynamique de bande passante pour EPON. Cet algorithme proposé est désigné comme «hcDBA». Par la suite, une amélioration de l'algorithme de hcDBA avec mécanisme de prédiction précoce est présentée. Notre simulation montre bien que notre algorithme hcDBA est performant comparé aux mécanismes existants en termes de taux de perte de paquets et de délai d’accès. Dans notre seconde contribution, nous sommes intéressés au problème de consommation d’énergie qui est un sujet d’actualité dans les réseaux de télécommunication. Les études montrent aujourd’hui que les réseaux d'accès constituent une partie remarquable de la consommation totale d'énergie dans les réseaux de télécommunication. Les organisations ITU-T et IEEE ont publié la recommandation pour la conversation de l'énergie pour les réseaux PONs. Bien que, la consommation totale d'énergie des nœuds ONU est plus importantes que d'autres équipements dans le réseau d'accès fixe, les normes et la plupart des travaux de recherches ont porté sur les économies d'énergie du côté de ONU. Dans cette thèse, nous sommes concentrés sur une méthode d'efficacité énergétique basée sur la conservation de l'énergie du côté de l’OLT. La méthode proposée permet d’économiser de l'énergie en déplaçant dynamiquement des cartes d’OLT en mode de sommeil profond en fonction des charges de trafic entrant et sortant
In this thesis, general overview about PON systems is presented and existing PON mechanisms and classification are investigated. After, a novel dynamic bandwidth allocation algorithm for EPON is introduced. This proposed algorithm is named as “Half Cycling Dynamic Bandwidth Allocation-hcDBA” by the inspiration of its half cycling processing mode. Later, an improvement of hcDBA algorithm with early prediction mechanism is presented. As a result statement of the study, hcDBA algorithm performs better than existing mechanism in terms of packet loss ratio and access delays. Beside, simulation traffic behavior of EPON’s upstream channel has been investigated in order to support the decision of selecting suitable traffic generator in further studies. Energy conversation is one of the hot topics in telecommunication networks. Access networks constitute remarkable portion of the total energy consumption in telecommunication networks. ITU-T and IEEE organizations published recommendation for energy conversation in PONs. While, total energy consumption of ONUs is more than other equipment in fix access network the standards and most of the researches focused on saving energy at ONU side. In this thesis I focused on an energy efficiency method based on energy conversation on OLT side. The proposed method save energy by dynamically moving OLT cards to deep sleep mode according to the incoming and outgoing traffic loads

La thèse a commencé par l'étude et la conception de deux composants fondés sur la réalisation d'un interféromètre de Mach-Zehnder sur fibre bi-coeur, dont l'un sert à controler le niveau de puissance sur une ligne de transmission ( VOA) et l'autre à extraire et/ou à inserer une longueur d'onde choisie d'un signal multiplexé (MIE accordable). Le travail de thèse a continué par l'étude du compensateur de dispersion chromatique, élément indispensable à la gestion des systèmes hauts-débits. Le but était d'améliorer les performances du composant : diminuer les oscillations sur la réflectivité et sur le retard de groupe du composant ; de trouver les limites en terme de valeur de dispersion et de bande passante qu'il était possible d'atteindre avec notre technique ; de réaliser un compensateur accordable et de developper un compensateur multi-canal. Toutes ces études ont été réalisées et menées à terme. Le travail de fond de la thèse a plus particulièrement porté sur l'analyse et la compréhension des mécanismes à l'origine de l'apparition des oscillations sur le retard de groupe d'un réseau de Bragg à a pas effectif variable. Unprogramme de simulation, modélisant une ligne de ransmission, a ensuite été réalisé. Il permet désormais de quantifier les dégradations engendrées par la dispersion chromatique sur un système de transmission hautdebit ; ainsi que de comprendre l'impact sur les performances d'un système, des oscillations présentes sur le retard de groupe. Nous avons pu mettre en évidence comment un signal optique module à très haute fréquence est modifié en présence d'oscillations sur la phase de la réflectivité d'un réseau de Bragg à pas effectif variable et quelle est linfluence de leurs fréquences. Il est possible d'affirmer que des oscillations dont la fréquence est proche de la fréquence de modulation du signal, dégradent de facons importantes les performances d'un système,en engendrant des interférences intra-ou inter-symboles au moment de la réception.

La demande croissante en applications forte puissance des fibres optiques met en évidence la nécessité cruciale de gérer les effets non linéaires afin de maximiser les niveaux de puissance sans pour autant sacrifier les performances du système en termes de bande spectrale, vitesse, régulation de température, etc. Le contrôle effectif des phénomènes non linéaires dans les fibres optiques est essentiel pour optimiser les systèmes dans lesquels la non linéarité est utilisée pour générer de nouvelles fréquences optiques, ou à l’inverse, dans lesquels elle doit être mitigée afin de maintenir un régime de fonctionnement linéaire. Des exemples de systèmes illustrant ces deux cas orthogonaux sont, respectivement, les sources laser exploitant la génération de supercontinuum (GSC) et les lignes de transmission des réseaux optiques passifs (PONs, passive optical networks). La première partie de ce projet de thèse explore la génération de fréquences et la GSC dans différentes fibres à cristal photonique dopées au germanium, à gradient d’indice et légèrement multimodes. La modélisation numérique est employée pour déterminer les propriétés modales clés des fibres, comprenant l’indice de réfraction effectif, la biréfringence de phase et la dispersion chromatique de tous les modes guidés. Une étude expérimentale complète de la propagation non linéaire dans ces fibres est également conduite, en tenant compte de l’influence de paramètres tels que la puissance crête en entrée, la polarisation, la longueur de fibre ou le régime de dispersion sur le mécanisme d’élargissement spectral sous excitation laser nanoseconde. De multiples phénomènes non linéaires tels que le mélange à quatre ondes et la diffusion Raman ont été identifiés comme contribuant au processus. En outre, nous étudions dans ce travail comment l’effet de Kerr beam self-cleaning (KBSC) peut améliorer la qualité de faisceau dans de telles fibres à cristal photonique légèrement multimodes, ceci résultant en un faisceau de sortie transversalement monomode, sans speckle. La seconde partie de cette thèse porte sur les PONs de nouvelle génération, visant notamment à augmenter les capacités monocanal à au moins 25 Gb/s, avec un potentiel futur jusqu’à 100 Gb/s. A cette fin, nous examinons l’impact de la diffusion Brillouin stimulée (stimulated Brillouin scattering, SBS) à la fois sur la distance de transmission et le débit de données de PONs 25G à modulation d’intensité et détection directe (IM/DD) utilisant des sources de forte puissance. A travers une série d’expériences, nous étudions comment des paramètres clés comme la puissance d’entrée, la longueur de fibre, la bande de modulation, ou encore la largeur spectrale du laser affectent le seuil SBS et l’ensemble des performances du système. Les résultats obtenus démontrent que les techniques de modulation de fréquence telles que le frequency dithering peuvent fortement atténuer le SBS, autorisant ainsi une puissance injectée et une distance de transmission supérieures. Ces conclusions fournissent des pistes intéressantes pour l’optimisation de systèmes PON à haut débit et établissent les bases d’études futures sur l’extension de ces stratégies aux PONs 50G et 100G
The increasing demand for high-power applications of fiber optics highlights the critical need for managing nonlinear effects to maximize power levels without sacrificing system performance in terms of spectral bandwidth, speed, temperature regulation or others. Effective control of nonlinear phenomena in optical fibers is essential for optimizing systems where nonlinearity is used for generating new optical frequencies, or conversely, where it has to be mitigated so as to maintain linear regime of operation. Examples of systems illustrating these two orthogonal cases are, respectively, laser sources based on supercontinuum generation (SCG) and transmission lines of passive optical networks (PONs). The first part of this thesis project investigates frequency generation and SCG in different Ge-doped, graded-index, few-mode photonic crystal fibers. Numerical modeling is employed to determine key modal properties of the fibers, including effective RI, phase birefringence and chromatic dispersion of all guided modes. A comprehensive experimental study of nonlinear propagation in these fibers is also conducted, taking into account the influence of parameters such as input peak power, polarization, fiber length or dispersion regime on the spectral broadening mechanism under nanosecond laser excitation. Multiple nonlinear phenomena such as four-wave mixing and Raman scattering were found to contribute to the process. Besides, this work explores how the Kerr beam self-cleaning (KBSC) effect can improve beam quality in such few-mode photonic crystal fibers, resulting in a speckle-free, transversally single mode output. The second part of this thesis focuses on next-generation PONs, specifically aiming to increase single-channel capacities to at least 25 Gb/s, with future potential of up to 100 Gb/s. To this aim, we examine the impact of stimulated Brillouin scattering (SBS) on both the transmission distance and data rate of 25G intensity modulation and direct detection (IM/DD) PONs using high-power sources. Through a series of experiments, we investigate how key parameters such as input power, fiber length, modulation bandwidth, or laser linewidth affect SBS threshold and overall system performance. The results obtained demonstrate that frequency modulation techniques such as frequency dithering can strongly mitigate SBS, thus allowing for higher launch power and extended transmission distance. These findings offer valuable insights for optimizing high-speed PON systems and establish a foundation for future studies on extending these strategies to 50G and 100G PONs