Дисертації з теми "Transmission optique longue distance"

Les systèmes de communications optiques jouent un role important pour satisfaire la demande incessante de trafics de données. Cette demande, induite par des applications gourmandes en termes de bande passante et débit, necéssite une augmentation de la capacité des réseaux optiques d’accès et par conséquent une augmentation des capacités de réseaux de transports métropolitains et longues distances. La prochaine génération de systèmes WDM longue distance devrait opérée à des débits de 400Gbps ou 1Tbps. Cette montée en débit s’appuiera sur des nouvelles formes d’ondes avancées de type mono-porteuse (Nyquist-WDM) ou multi-porteuse (OFDM multi-bande). Ces approches sont basées sur le multipléxage de plusieurs porteuses espacées par des intervalles de garde réduits. D’autre part, pour générer ces très haut débits, des modulations multi-états sont utilisées pour chaque porteuse grâce à leur efficacité spectrale élevée. Ces types de systèmes, qui combinent à la fois les approches multi-bande et les modulations multi-états, sont extrêmement vulnérables aux effets nonlinéaires de la fibre optique. En fait, les effets nonlinéaires sont dépendants de la puissance de transmission et inversement proportionels à l’intervalle de garde. Cela rend leur compensation indispensable pour maintenir des bonnes performances des systèmes en terme de distance de transmission. Grâce à l’emploi de récepteurs à détection cohérente, des techniques de traitement du signal numérique sont utlisées pour combattre les effets nonlinéaires. Dans cette thèse, nous avons proposé des nouvelles techniques basées sur les séries de Volterra et les égaliseurs à retour de decision pour compenser respectivement les effets nonlinéaires intrabande et les interférences nonlinéaires inter-bande
Optical communication systems have evolved since their deployment to meet the growing demand for high-speed communications. Over the past decades, the global demand for communication capacity has increased exponentially and the most of the growth has occurred in the last few years when data started dominating network traffic. In order to meet the increase of traffic demands fueled by the growth of internet services, an increase of access network capacity and consequently metro and long-haul network capacities is required. Next generation of long-haul WDM transmission systems is expected to operate at 400Gbps or 1Tbps bit rate. Superchannel approaches, such as Nyquist WDM and multi-band OFDM, allow both high spectral efficiency and small guardband which makes them promising candidates to generate these high bit rates in combination with multi-level modulations formats. Such transmission systems are strongly disturbed by fiber nonlinear effects which increase with the data rate and the small guard band. Therefore, fiber nonlinearities compensation is required to get the desired performance in terms of transmission reach. DSP based approaches such as digital back propagation and third-order Volterra based nonlinear equalizer have been already proposed to deal with intra-channel or intra-band nonlinear effects. In the context of superchannel systems, we have proposed two new compensation techniques to deal with fiber nonlinear effects. The first one, called fifth-order inverse Volterra based nonlinear equalizer, compensate for intra-band nonlinear effects. The second approach, which is the interband/ subcarrier nonlinear interference canceler, is proposed to combat the nonlinear interference insuperchannel systems

La montée en débit des réseaux de communications à base de fibre optique pousse l'infrastructure existante à ces limites. La transmission de données n´est plus limitée par le bruit mais par les distorsions. Les techniques de traitement du signal peuvent aider à résoudre ces nouveaux défis. Afin de déterminer l´apport de ces nouvelles fonctionnalités, nous décrivons les techniques de traitement du signal optiques et électroniques. Nous rappelons aussi les méthodes typiques de conception de systèmes. Nous améliorons celles ci par la prise en compte avancée des statistiques. L´impact en terme de performance et vis à vis des sources de distorsions est quantifiée et analysée pour la majorité des techniques de mitigation existantes. Il en résulte une comparaison cohérente permettant le meilleur choix de technologie étant donnée une liaison à fibre optique ainsi que la recommandation de procédures d´évaluation ad hoc
The increasing data rate of fiber optic systems has reached the infrastructure limit. Distortions rather than noise limit now the transmission. Signal processing techniques, either optical or electronic are well suited to fix these issues. In order to assess the benefit brought by such solutions, we begin by describing them and then by quantifying their performance against each of the limiting effects and against their combination. This leads to a comprehensive comparison, ready to use for the determination of the best fitting solution given a fiber optic link. Moreover, we proposed evaluation methodologies suited for such assessment and conception methodology able to take advantages of statistics

Avec une croissance soutenue de trafic internet, les futurs systèmes de transmission optique longue-distance vont évoluer vers plus de capacité et d’avantage de flexibilité. Dans ce manuscrit, nous étudions le potentiel des formats OFDM multi-bandes, qui sont une alternative crédible aux solutions industrielles de type mono-porteuse pour les futures générations de systèmes au-delà de 100 Gbps. Nous commençons par une rapide présentation des systèmes de transmission longue distance et des techniques de traitement numérique d’un signal OFDM, suivie par une description de l’implémentation expérimentale d’un signal 16QAM-OFDM ainsi que des performances obtenue en transmission. Les contraintes d’implémentation d’un signal 16QAM-OFDM liées aux imperfections matériel ont été analysées. Les performances en transmission de l’OFDM ont été comparées avec celle du Nyquist-WDM. Par la suite, dans le contexte de superchannel et de réseaux optiques flexibles, nous avons réalisé une démonstration expérimentale du concept de commutation optique sous-longueur d’onde. La faisabilité des fonctions insertion et extraction d’une sous-bande à l’intérieur de superchannels OFDM et Nyquist-WDM a été démontrée. Finalement, nous concluons par des perspectives à court terme susceptible d’intéresser les industriels du domaine, tel que l’étude d’interfaces CFP cohérent, l’intégration photonique sur Silicium apportant des réductions de coût importantes et une faible consommation énergique
In the context of ever increasing traffic demand, future long-haul optical transmission systems will evaluate towards higher capacity and will be able to support more flexible optical networking. In this thesis, we study the potential of multi-band OFDM, which is a credible alternative of the industrial single-carrier solutions for future generations of beyond 100 Gbps systems. After presenting a brief overview of long-haul transmission systems and OFDM digital signal processing techniques, we show the experimental implementation of 16QAM-OFDM as well as its transmission performance. Some implementation constraints of 16QAM-OFDM related to hardware impairments have been investigated. The transmission performance has been compared with that of Nyquist-WDM format. After that, in the context of superchannel and flexible optical networking, we have carried out an experimental proof-of-concept of sub-wavelength optical switching. We have demonstrated the feasibility of such optical add-drop operations inside OFDM and Nyquist-WDM superchannels. At last, we have addressed some short-term research topics that concern telecom companies, such as the potential application scenarios of the low-cost and power-efficient coherent CFP interface based on Silicon photonics integration technology

Cette thèse concerne l'étude des amplificateurs optiques à fibre dopée pour les systèmes de transmission sur longue distance utilisant la technique du multiplexage en longueur d'onde. Une telle application présente des exigences sévères sur la réponse des amplificateurs : tous les canaux doivent être amplifiés approximativement du même facteur et conserver le même rapport signal-a-bruit s/b en sortie de l'amplificateur. Une première partie de ce travail a concerné l'étude du problème technologique majeur des amplificateurs à fibre en verre fluoré à savoir celui de la connexion entre fibre en verre fluoré et fibre en silice. Une technique d'épissure par collage assurant des pertes d'insertion inferieures à 0. 1 dB et un taux de réflexion inférieur à -80 dB a été mise au point. Il a dès lors été possible d'exploiter la grande efficacité des nouvelles générations de fibre en verre fluoré, la puissance de pompe injectée n'étant plus limitée par les pertes et les réflexions aux extrémités de la fibre dopée. Le deuxième point fort de ce travail a été de mettre au point une nouvelle structure d'amplificateur à fibre pour les liaisons sur longue distance ou plusieurs amplificateurs doivent être mis en série. Un nouvel amplificateur dénommé amplificateur hybride a été construit à partir de fibre en silice dopée et de fibre en verre fluoré dopé. Ceci a été rendu possible grâce à la nouvelle technique d'épissure. Cet amplificateur assure une faible différence de gain (<1dB) et de rapport s/b entre les canaux d'un multiplex amplifié pour un fonctionnement en régime de faible saturation. Il permet d'atténuer la dépression du spectre de gain autour de 1548 nm, dépression inhérente au verre fluoré. Le comportement spectral de cet amplificateur a été évalué par son insertion dans une boucle à recirculation. De faibles disparités en puissance et en rapport s/b entre des canaux multiplexes ont été mesurées après dix amplificateurs identiques en série. Ceci correspond à un bilan de liaison élevé (150-250 dB). Ainsi la transmission d'un multiplex optique étendu (24 nm minimum) serait possible à un débit de 2. 5 Gbit/s minimum par canal. L'amplificateur hybride a également permis des expérimentations de liaison déployée à très haut débit (10, 40, 100 Gbit/s) où il était associé à des amplificateurs en verre fluoré

Cette these s'inscrit dans le cadre des transmissions longues distances a fibre et amplificateurs optiques. Apres une presentation generale de l'amplificateur optique a fibre dopee erbium (ao) dans la premiere partie, l'expose est consacre a l'etude theorique et experimentale de l'amplificateur (deuxieme partie). Deux modelisations (analytique et numerique) de l'ao sont presentees et validees par comparaison a des resultats experimentaux. La modelisation numerique est mise a profit pour optimiser les parametres d'un ao experimental fort gain ( 25 db a petit signal). Deux bancs de mesure du coefficient d'exces de bruit d'un ao ont ete mis au point: un banc optique et un banc electrique. La methode electrique a conduit a la determination des differentes contributions de bruit (battements signal-spontanee et spontanee-spontanee) au bruit total. Une estimation quantitative de la dispersion modale de polarisation d'un amplificateur est faite a l'aide d'un montage experimental rapide a realiser. L'evolution de la zone d'auto-filtrage en fonction de l'attenuation entre deux ao consecutifs est egalement etudiee de maniere experimentale et theorique. Un logiciel de simulation d'un systeme de transmission optique complet est presente dans la troisieme partie. Il inclue la modelisation numerique de l'ao precedemment citee et une modelisation de la propagation dans les fibres optiques monomodales en presence de dispersion chromatique, de non linearite (effet kerr) et d'absorption. Ce logiciel comprend notamment un module d'analyse de resultats tres complet: traces des formes temporelles et spectrales des impulsions, diagramme de l'il, evaluation du facteur de qualite q le logiciel est utilise pour approfondir une etude experimentale liee a l'evolution du bruit electrique en fonction de la distance. La derniere partie de ce memoire est consacree a l'etude de l'effet rayleigh. On s'est attache, tout d'abord, a caracteriser qualitativement et quantitativement les effets rayleigh simple et double dans la fibre optique silice (passive). Cette etude est ensuite poursuivie au niveau de la fibre dopee erbium seule et sous la forme d'un module d'ao. L'effet rayleigh est caracterise pour differentes concentrations en dopant erbium. Les evolutions des effets rayleigh simple et double sont determinees en fonction du gain et comparees aux resultats obtenus par modelisation. Des observations de l'effet rayleigh sur des liaisons de plusieurs milliers de kilometres sont illustrees par des mesures experimentales et un calcul theorique. Le logiciel de simulation est finalement mis a profit pour estimer l'influence de l'effet rayleigh sur les performances de liaisons longues

Des amplificateurs sont necessaires a la regeneration du signal dans les lignes de transmission a grandes distances. Les amplificateurs optiques permettent de conserver la bande passante des systemes de transmission. Ils sont d'ores et deja disponibles commercialement sous forme de fibres dopees erbium, mais occupent un volume important et ne permettent pas la combinaison de plusieurs fonctions. Une alternative peut etre envisagee en transposant les principes des fibres dopees erbium a des amplificateurs integres. Un marche potentiel de grande ampleur existe pour de tels composants. Cette these est une premiere tentative de fabrication de tels amplivateurs par le procede sol-gel, dans une matrice vitreuse de sio#2-tio#2. Une premiere partie pose la problematique de l'etude et expose les parametres a optimiser : il faut augmenter le temps de vie du niveau metastable et la concentration d'auto-extinction des ions erbium, diminuer l'attenuation des guides, et controler l'epaisseur et l'indice des depots sol-gel. Dans une deuxieme partie, le processus de fabrication des guides est decrit et chaque etape du processus est analysee de facon a etudier son influence sur les parametres a optimiser. Dans la troisieme partie, on montre comment le processus de fabrication est oriente pour obtenir la meilleure qualite de guide possible. Les resultats obtenus sont presentes. Une etude preliminaire a ete effectue avec du neodyme. Une concentration d'auto-extinction de 1% atomique en neodyme et un temps de vie de fluorescence de 375 s a faible concentration sont atteints dans des guides plan. Avec l'erbium, la concentration d'auto-extinction est de 0. 6 % atomique, et un temps de vie de 6 ms est trouve a faible concentration. Une premiere mesure de gain sur des guides canaux donne 3 db de gain interne a 1531 nm. Le gain est constant sur 25 nm. Le procede sol-gel est une alternative aux technologies deja existantes (fhd et pecvd) pour l'integration d'amplificateurs optiques sur silicium. Ses capacites a fournir des amplificateurs de bonne qualite devraient etre mises en evidence par des etudes complementaires. Des solutions sont proposees.

Cette thèse présente l'étude et la réalisation de différents éléments clés pour la communication quantique longue distance. Pour cela, nous tirons parti de l'optique intégré sur de niobate de lithium, qui permet de mettre en exergue les propriétés non-linéaire de ce matériau. Après une brève introduction sur l'information quantique nous permettant de mettre en avant les enjeux actuels du domaine, nous nous intéressons à la réalisation de trois sources de paires de photons intriqués sur les observables polarisation (2) et time-bin (1), émettant aux longueurs d'onde des télécommunications. Ces réalisations font parties des meilleures sources actuelles aussi bien en terme de brillance que de qualité d'intrication mesurée, le tout alliant compacité et simplicité d'utilisation. Dans un second temps, nous présentons l'élaboration et la mise en oeuvre d'un relais quantique entièrement intégré. Pour cette réalisation, nous avons mergé au sein d'un même composant, pour la première fois, deux effets non-linéaires, l'un optique-optique pour la génération de paires de photons intriqués, et l'autre électro-optique pour le routage contrôlablé des photons. Une expérience d'interférence à deux photons entre un photon émis par la puce et un photon issu d'une source externe nous a permis de valider notre approche en obtenant une visibilité de 79% en accord avec les prédictions théoriques. Cette puce peut devenir un élément clé de la communication quantique car il permet d'accroître les distances de communication par un facteur 1.8.

Le but de cette these est d'etudier l'impact de la non linearite kerr sur les liaisons a fibre optique longue distance utilisant des amplificateurs a fibre dopee erbium. La premiere partie introduit la propagation dans les fibres optiques monomodes en presence de non linearite kerr, dispersion chromatique, dispersion de polarisation et d'absorption. La methode de resolution numerique de l'equation differentielle resultante est decrite ainsi que la structure generale d'une liaison de transmission optique. Dans la seconde partie, une methode originale de mesure du coefficient non lineaire utilisant le phenomene de melange a quatre ondes survenant lors de la propagation de deux ondes pompes, est proposee et mise en uvre. La derniere partie est consacree a l'etude conceptuelle par simulation numerique d'une liaison de transmission de type transoceanique. L'influence des differents parametres (dispersion chromatique et de polarisation, automodulation de phase, bruit d'amplification) est analyse de meme que l'interaction entre ces phenomenes. Les implications sur les performances du systeme sont deduites et les resultats debouchent sur les specifications d'une liaison transatlantique haut debit a un seul canal consistant a determiner les parametres optimum des differents composants. On aborde ensuite les possibilites d'augmentation du debit par multiplexage en longueur d'onde. Les consequences de la non linearite (melange a quatre ondes et modulation de phase croisee) sur une transmission a deux canaux sont illustrees par l'etude d'un exemple experimental et theorique

Nous avons développé un système de transmission de clé de cryptage opérationnel sur un réseau fibré à 1550nm, reposant sur un codage en phase de bande latérale unique de modulation. La sécurité du système dépend du protocole d'échange ainsi que des paramètres expérimentaux du système. Pour un ensemble donné de ces paramètres, nous avons calculé la distance maximale de transmission de la clé. Un système de comptage de photon à 1550nm constitué d'une photodiode à avalanche opérée en mode Geiger a été conçu et caractérisée pour notre application. Le système de transmission de clé a été étudié théoriquement et expérimentalement. La transmission du signal sur une fibre optique entraîne des fluctuations aléatoires de la visibilité au niveau du récepteur. Un système d'asservissement permettant de s'en affranchir et de synchroniser temporellement émetteur et récepteur a été conçu. Une transmission de clé a été réalisée sur une distance de 40km en laboratoire
We have developed a cryptographic key transmission system involving phase modulation in single sideband of modulated light operational on optical fiber at 1550nm. The security of a quantum cryptographic system depends of the protocol and of the experimental parameters. For a given set of these parameters, we have calculated the limit for transmission distance. We have conceived a photon detection system using a cooled avalanche photodiode operated in Geiger mode. The key transmission system has been studied both in theory and experimentally. Fluctuation of fiber index causes variation of the system visibility. We conceived a synchronization system to overcome these fluctuations and also allowing full temporal synchronization between emitter and receiver. A key transmission over 40 km of fiber was realized in the laboratory

Les applications de détection infrarouge active sont nombreuses dans le domaine de la défense et la sécurité. Cependant ces systèmes sont actuellement peu utilisés en pratique à cause de leur portée limitée. Un moyen d’augmenter cette portée est d’améliorer la sensibilité des détecteurs infrarouges qui possèdent des bruits bien plus élevés que leurs équivalents dans le visible. L’idée principale de cette thèse est d’utiliser l’optique non linéaire pour effectuer une conversion de fréquence du signal infrarouge à détecter vers de plus basses longueurs d’ondes et ainsi bénéficier des performances des détecteurs fonctionnants à ces longueurs d’ondes. Les développements récents en cristaux donnent un intérêt nouveau à ces techniques pour certains cas applicatifs identifiés au cours de cette thèse. L’étude détaillée de la conversion multimode à la fois temporelle et spatiale, a permis de proposer une méthode simple et originale pour dépasser l’état de l’art en terme de nombre d’éléments résolus convertis. Pour quantifier précisément les avantages de ces conversions, une étude théorique et numérique de la conversion multimode a été menée et deux séries d’expériences ont été conduites. La première concerne la détection ponctuelle de signaux moyen-infrarouge pour des applications de spectroscopie par conversion dans un cristal d’OP-GaAs. La deuxième concerne la détection de cibles par imagerie active dans le proche infrarouge par conversion dans un cristal de PPLN vers une caméra CMOS. Les performances en sensibilité obtenues sont dans les deux expériences meilleures d’un ordre de grandeur que les détections directes avec les détecteurs habituellement utilisés
There is a wide range of applications in active infrared detection technologies in defense and security. However, the limited range available by these systems limits their developments. Increasing sensors sensitivity is a key milestone to improve this range. Indeed, noise in infrared detectors is much higher than for visible detectors due to some physical and technological issues. The key idea of this manuscript is to use nonlinear optical technologies to convert the infrared signal to detect into the visible spectrum and use all the benefits of silicon based sensors. Recent advances in optical crystals and in pump laser regimes bring renewed interest to upconversion detection for some specific application cases identified in this thesis. A novel and easy method to improve the number of converted modes has been proposed after a careful study of multimode conversion both temporally and spatially. In order to give figures on detection improvement using upconversion, we conducted a theoretical and numerical study of the multimode conversion as well as two sets of experiments. The first one, using conversion in an OP-GaAs crystal and a monodetector addresses mid-infrared spectroscopy applications. The second one addresses active imaging applications for target recognition and identification in the near-infrared. By using a PPLN crystal, the near-infrared image is detected on a low noise CMOS camera. A key milestone of this work is the sensitivity improvement of such a detection. Sensitivities obtained in each experiment are one order of magnitude better than with direct detection using common infrared sensors

Le projet piafe consiste a produire des noyaux riches en neutrons par fission au sein d'une cible d'uranium placee pres du cur du reacteur de l'institut laue langevin, puis de transporter les produits de fission sous forme monochargee et a basse energie (inferieure a 30 kev) sur une distance de 400 m jusqu'au complexe accelerateur sara de l'institut des sciences nucleaires de grenoble. Une solution originale de guidage ayant ete proposee, l'objectif de cette these est de prouver la faisabilite d'un tel transport. Pour ceci, on s'est attache a etudier les effets sur le faisceau des defauts d'alignement des elements optiques (et de leur support) et du champ magnetique terrestre afin de determiner un systeme periodique de correction de la trajectoire centrale du faisceau. Puis, la realisation d'une ligne experimentale de 18 m a permis de faire une etude detaillee de l'interaction du faisceau avec le gaz residuel. Cette interaction se caracterise par les pertes de particules par echange de charge et l'augmentation d'emittance par diffusion coulombienne. La validation des modeles theoriques permet une extrapolation des phenomenes sur une distance de 400 m. Il est ainsi possible de conclure sur la faisabilite d'un tel transport

Les références de temps et de fréquence sont largement distribuées sur réseaux informatique et de communications, pour une large gamme d'applications scientifiques et industrielles. Poussé par une demande pour de meilleures performances, un certain nombre de nouvelles méthodes de transfert de temps et de fréquence sur des réseaux à fibres optiques ont été développées ces dernières années. Dans cette thèse, notre objectif est de développer une approche de transfert de temps et de fréquence multi-utilisateurs, compatible avec les réseaux de télécommunications et compétitive avec la distribution de temps par GNSS. Nous nous intéressons donc aux méthodes pour les réseaux à commutation par paquets, comme le NTP (Network Time Protocol) et le PTP (Precision Timing Protocol). Nous nous concentrons également sur les liaisons “unidirectionnelles”, où les signaux aller et retour entre les nœuds de réseau se propagent sur des fibres distinctes, non au sein d’une même fibre (liaisons “bidirectionnelles”). En particulier, nous utilisons une méthode appelée White Rabbit PTP (WR). Développée au CERN, basée sur PTP, utilisant l’Ethernet synchrone et d'autres techniques pour atteindre des performances élevées, WR réalise une stabilité du temps sous-nanoseconde pour la synchronisation d'instruments sur des réseaux à l'échelle de 10 km. Nous sommes particulièrement intéressés par l'extension de cette méthode pour la distribution de références au niveau régional ou national, sur des liaisons allant jusqu'à 1000 km.Nous étudions d’abord les performances de l'équipement réseau White Rabbit, en particulier le commutateur White Rabbit. Nous y apportons diverses améliorations : sur le verrouillage du commutateur grand maître à la référence externe, améliorant ainsi sa stabilité à court terme de plus d'un ordre de grandeur ; sur la bande passante de verrouillage du commutateur esclave ; et en augmentant le débit des messages PTP entre les commutateurs maître et esclave.Nous étudions ensuite les liaisons WR moyennes et longues distances. Nous construisons un lien unidirectionnel de 100 km en utilisant des bobines de fibres dans le laboratoire. Nous découvrons que la performance à court terme est limitée par la dispersion chromatique de la fibre, tandis que la performance à long terme est dégradée par le bruit thermique. Pour limiter l'effet de la dispersion chromatique sur les liaisons longue distance, nous proposons l'utilisation d'une approche en cascade. Nous réalisons un lien en cascade de 500 km, à nouveau avec des bobines de fibres. Nous utilisons le multiplexage en longueur d'onde dense pour construire ce lien par des passages multiples à travers des bobines plus courtes. Nous obtenons une stabilité de transfert de fréquence de 2 × 10-12 à une seconde de temps d'intégration et de 5 × 10-15 en un jour, limitée par le bruit thermique à long terme. Nous obtenons une stabilité temporelle de 5 ps à une seconde de temps d'intégration, diminuant jusqu'à un minimum de 1,2 ps à 20 secondes et restant inférieure à une nanoseconde pour des durées plus longues. Ces performances sont similaires à court terme, et deux ordres de grandeur meilleures à long terme, qu’un récepteur GPS de bonne qualité. Nous nous attendons à ce que les fluctuations thermiques et donc l'effet du bruit thermique des fibres soient réduits d'un facteur d'environ cinq pour les installations sur le terrain.Enfin, nous faisons des études préliminaires sur l'étalonnage en temps des liaisons WR. Le principal défi est de mesurer l'asymétrie de longueur optique entre les deux fibres utilisées pour le transfert des signaux aller et retour. Nous démontrons une technique d'échange de fibres, en utilisant une liaison suburbaine White Rabbit sur fibre noire. Nous décrivons et testons ensuite une nouvelle méthode variationnelle pour l'étalonnage, impliquant une méthode de mesure différentielle basée sur l'exploitation de deux liaisons WR à différentes longueurs d'onde sur la même liaison
Time and frequency references are widely distributed over communications and computer networks, for a variety of scientific and industrial applications. Driven by a demand for improved performance, a number of new methods for time and frequency transfer over optical fiber-based networks have been developed in recent years. In this thesis our objective is to develop a scalable network time and frequency transfer approach, providing multi-user dissemination, compatible with large telecommunication networks and competitive with GNSS-based time distribution. Therefore we are concerned with methods for use in packet-based networks, like the Network Time Protocol (NTP) and Precision Timing Protocol (PTP). We also concentrate on “unidirectional” links, where the forward and backward signals between network nodes propagate over separate fibers, not within the same fiber (“bidirectional” links).In particular we use a method called White Rabbit PTP (WR). This is a novel technology developed at CERN, based on PTP while using Synchronous Ethernet and other techniques to achieve high performance. It demonstrates sub-nanosecond time stability and synchronization of arrays of instruments over 10 km scale networks. We are particularly interested in extending this method for large scale distribution of references at regional or national level, over links of up to 1000 km.We first study extensively the default performances and limitations of White Rabbit network equipment, in particular the White Rabbit switch. We make various improvements to its operation: on the locking of the grandmaster switch to the external reference, thus improving its short-term stability by more than an order of magnitude; optimizing the locking bandwidth of the slave switch; and increasing the PTP messaging rate between master and slave switches.We then study medium and long-distance WR links. We construct a 100 km, unidirectional link using fiber spools in the laboratory. We discover that the short-term performance is limited by chromatic dispersion in the fiber, while the long-term performance is degraded by the influence of temperature variations on the fiber. To limit the effect of chromatic dispersion for long-haul links, we propose the use of a cascaded approach. We realise a national scale, cascaded, 500 km link, again utilizing fiber spools. We use Dense Wavelength Division Multiplexing methods to construct this link by mutliple passages through shorter spools. We achieve a frequency transfer stability of 2 × 10−12 at one second of integration time and 5 × 10−15 at one day, limited by thermal noise in the long term. We achieve a time stability of 5 ps at one second of integration time, decreasing to a minimum of 1.2 ps at 20 seconds and remaining below one nanosecond for longer averaging times. These performances are similar in the short term, and two orders of magnitude better in the long term, than good quality GPS receivers. We expect thermal fluctuations and therefore the effect of fiber thermal noise to be suppressed by a factor of approximately five for installations in the field.Finally we make preliminary investigations of time calibration of WR links. The main challenge here is to measure the optical length asymmetry between the two fibers used for signal transfer in the forward and backward directions. We demonstrate a fiber swapping technique, using a mid range, suburban White Rabbit link over dark fiber. We then describe and test a new variational method for calibration, involving a differential measurement method based on operating two WR links at different wavelengths over the same optical fiber link.In conclusion, we demonstrate high performance, long haul White Rabbit links for time and frequency dissemination to multiple users. With the level of frequency transfer performance achieved, White Rabbit PTP provides a competitive and scalable technique for comparing industrial atomic clocks at regional and national scales

L'élaboration de nanostructures semi-conductrices ordonnées, contrôlées en taille et en position, est un enjeu technologique important pour satisfaire les besoins de miniaturisation des circuits actuels de la micro/nano-électronique. Dans cette thèse, une méthode originale d'organisation latérale de nanostructures a été explorée et appliquée au cas de nanostructures de germanium épitaxiées sur silicium (001). Cette technique utilise un réseau de dislocations de flexion proche de la surface libre du substrat, obtenu par collage moléculaire. Un champ de déformation élastique, périodique, se propageant de l'interface de collage jusqu'à la surface des échantillons, nous avons pu obtenir une croissance organisée de nanostructures de germanium.

En réponse aux problèmes croissants liés aux transports routiers - accidents, pollutions,congestions - les véhicules à faibles émissions, équipés de systèmes de transports intelligents (ITS)sont progressivement développés. Si la finalité de cette démarche est le véhicule entièrementautonome, on peut néanmoins s'attendre à voir d'abord sur nos routes des véhicules automatisés surdes phases de conduite spécifiques. C'est le cas du convoi automatisé, qui permet à plusieursvéhicules de rouler en convois de manière automatique et donc d'augmenter la capacité des voies decirculation tout en réduisant la consommation de carburant. La fiabilité de cet ITS repose surplusieurs briques technologiques, et en particulier sur la mesure de distance et la transmission dedonnées véhicule-véhicule (V2V).De nombreux systèmes permettent de réaliser ces deux fonctions vitales comme, par exemple, lesradars ou lidars pour la mesure de distance et la technologie IEEE 802.11p pour la communicationvéhiculaire. Si ces différents dispositifs présentent de très bonnes performances, ils sont néanmoinsparticulièrement sensibles aux interférences, qui ne cessent de se multiplier à mesure que le nombrede véhicules équipés augmente et que le trafic est dense. Pour pallier les dégradations deperformances induites par de telles situations, des technologies complémentaires pourraient donc êtreutiles. Le récent développement des diodes électroluminescentes (LED) blanches, en particulier pourl'éclairage automobile, a permis l'émergence des communications optiques visibles sans fil (VLC).Les phares à LED sont alors utilisés pour transmettre des données entre véhicules et avec lesinfrastructures. Malgré la puissance limitée de ces éclairages, plusieurs études ont montré qu'unetransmission de qualité est possible sur quelques dizaines de mètres, faisant de la VLC uncomplément particulièrement intéressant à l'IEEE 802.11p, en particulier pour les convoisautomatisés. Par analogie, on peut alors se demander si les phares ne pourraient pas être aussi utiliséspour mesurer la distance V2V.Le but de cette thèse est donc de proposer et évaluer un système dédié aux situations de convoisautomatisés qui, à partir des phares avant et arrière des véhicules, transmet des données et mesuresimultanément la distance V2V. Dans un premier temps, une étude détaillée de l'état de l'art de laVLC pour la communication V2V est effectuée afin de déterminer l'architecture de base de notresystème. La fonction de mesure de distance est ensuite ajoutée, après une revue des différentestechniques usuelles. Une fois l'architecture générale du système établie, elle est dans un premiertemps validée par des simulations avec le logiciel Simulink. En particulier, les différents paramètressont étudiés afin de déterminer leur impact sur la résolution de mesure de distance et les performancesen transmission de données, puis afin de les optimiser. Si ces simulations fournissent des indicateursimportants pour la compréhension du système, elles ne peuvent cependant remplacer les tests d'unprototype réel. L'implémentation de ce prototype est alors détaillée ainsi que les tests réalisés dansdifférentes configurations. Ces différents tests démontrent l'intérêt des solutions proposées pour lamesure de distance et la communication V2V en convois automatisés
In response to the growing issues induced by road traffic - accidents, pollution, congestion- low-carbon vehicles equipped with intelligent transportation systems (ITS) are being developed.Although the final goal is full autonomy, the vehicles of the near future will most probably be selfdrivingin certain phases only, as in platooning. Platooning allows several vehicles to moveautomatically in platoons and thus to increase road capacity while reducing fuel consumption. Thereliability of this ITS is based on several core technologies and in particular on vehicle-to-vehicle(V2V) distance measurement and data transmission.These two vital functions can be implemented with several kinds of systems as, for instance, radars orlidars for range-finding and IEEE 802.11p-based devices for vehicular communication. Althoughthese systems provide good performances, they are very sensitive to interferences, which may be agrowing issue as the number of vehicles equipped will increase, especially in dense traffic scenario.In order to mitigate the performance degradation occurring in such situations, complementarysolutions may be useful. The recent developments of white light-emitting diodes (LED), especiallyfor the automotive lighting, has allowed the emergence of visible light communication (VLC). WithVLC, the vehicle headlamps and taillights are used to transmit data to other vehicles orinfrastructures. Despite the limited optical power available, several studies have shown thatcommunication over tens of meters are possible with a low bit error rate (BER). VLC could thus bean interesting complement to IEEE 802.11p, especially in platooning applications. By analogy, onecould wonder if the automotive lighting can also be used for V2V range-finding.The goal of this thesis is thus to propose and evaluate a system dedicated to platooning configurationsthat can perform simultaneously the V2V distance measurement and data transmission functionsusing the headlamps and taillights of the vehicles. The first step of this study is thus a detailed stateof-the art on VLC for V2V communication that will lead to a first basic architecture of our system.Then, the range-finding function is added, after a careful review of the classical techniques. Once thegeneral architecture of the system is drawn, it is validated through simulations in the Simulinkenvironment. The different degrees of freedom in the system design are especially studied, in orderfirst to evaluate their impact on the measurement resolution and the communication performances,and then to be optimized. Although these simulations provide crucial keys to understand the system,they cannot replace real prototype testing. The implementation of the prototype is thus fullydescribed, along with the results of the different experiments carried out. It is finally demonstratedthat the proposed solution has a clear interest for V2V range-finding and communication inplatooning applications

Le déploiement de réseaux de communication quantique représente un défi auquel cette thèse apporte des solutions originales. Deux dispositifs très performants sont construits uniquement autour de composants standards de l'optique intégrée et des télécommunications optiques. Le premier correspond à un schéma de synchronisation tout optique sur longue distance à très haute cadence et de précision inégalée pour la communication sécurisée par cryptographie quantique. Le montage expérimental repose sur une configuration de relais quantique mettant en œuvre deux sources indépendantes de paires de photons intriqués dont il faut synchroniser les temps d'émissions. L’idée principale s’appuie sur l’utilisation d’un unique laser télécom picoseconde cadencé à 2.5 GHz afin de générer l’horloge et de pouvoir la distribuer efficacement aux deux sources. Nous démontrons la synchronisation de notre lien relais pour une distance effective séparant les sources de plus de 100 km. Le second dispositif correspond quant à lui à la réalisation d'une expérience de compression à une longueur d'onde des télécommunications réalisée, pour la première fois, de manière entièrement guidée. La lumière comprimée étant une ressource fondamentale dans bon nombre de protocoles d'information quantique, la réalisation de systèmes expérimentaux facilement reconfigurables et compatibles avec les réseaux télécoms fibrés existants représente une étape cruciale en vue du déploiement de dispositifs de communication quantique en régime de variables continues. Enfin, un traitement quantique des effets de gigue temporelle dans les détecteurs de photons 0N/0FF est proposé. Malgré l'importance des systèmes de détection dans les technologies quantiques photoniques émergentes, aucune modélisation quantique de leurs effets de gigue temporelle n'avait été, à notre connaissance, développé jusqu'à présent
This thesis presents solutions to the challenges of developing quantum communication networks. Two powerful experimental devices have been set up relying only on standard telecom and integrated optical components. The first device corresponds to an all-optical synchronization scheme allowing, with an unprecedented accuracy, quantum key distribution at a high rate over long distances. The experimental scheme relies on two independent entangled photon pair sources that have to be synchronized in their emission time. Our approach is based on using a 2.5 GHz picosecond telecom laser as a master clock to efficiently synchronize the different sources. We demonstrate the synchronization for an effective distance of 100 km between sources. With our second device, we perform a squeezing experiment at telecom wavelengths and this for the first time in a fully guided-wave approach. Squeezed light being a fundamental resource for several quantum information protocols, developing plug-and-play experimental devices that are compatible with already existing telecom fiber networks is of first interest in the perspective of future quantum networks. Finally, we propose a quantum description of timing jitter effects in 0N/0FF detectors. Despite the importance of detection systems in emerging photonic quantum technologies, no quantum description of their timing jitter effects has been proposed so far

La trame générale de ces travaux de recherche concerne la modélisation et l'implantation de systèmes d'interconnexions optiques à forte bande-passante spatiale et temporelle. Nous présenterons une suite de résultats au niveau des modèles, des applications et des réalisations prototypales. L'origine de ces travaux est une étude sur les connexions optiques en espace libre permettant de modéliser des opérations de calcul optique parallèle (telles que la multiplication matricielle), débouchant sur une classe d'opérations plus générale mettant en jeu un réseau d'interconnexions non-invariantes spatialement entre plans de données. Cette étape a permis d'évaluer, tant qualitativement que quantitativement, l'apport de la synergie entre la synthèse numérique d'éléments optiques diffractants (HSO) et les modulateurs spatiaux de lumière (MSL) à cristal liquide, dans le but de réaliser des dispositifs de traitement optique spatial dynamique de l'information. L'étape suivante traite des interconnexions dynamiques entre fibres optiques monomodes, débouchant naturellement sur la conception de dispositifs d'aiguillage et de commutation pour les réseaux de transmission optiques dorsaux multiplexés en longueur d'onde (WDM). A ce niveau, les contraintes principales portent sur les temps de commutation requis −inférieurs à la milliseconde− et les capacités de plusieurs dizaines de voies spatiales indépendantes. Au niveau de l'implantation prototypale, nous avons poussé le plus loin possible le concept d'holographie digitale dynamique sur MSL à cristal liquide, aboutissant à la conception et l'intégration de plusieurs générations d'aiguilleurs de bandes optiques performants (jusqu'à 64 voies spatiales). Par la suite, devant la nécessité de développer des règles d'ingénierie sur les anneaux et les réseaux maillés WDM, je me suis impliqué dans l'évaluation et le développement d'outils de simulation photonique concernant les dispositifs de commutation et de brassage transparent de canaux optiques. Je présente enfin les axes de recherche ayant émergé plus récemment, centrés sur le dimensionnement et l'intégration de réseaux locaux utilisant l'optique comme canal de propagation sans fil à très haut débit et à impact sanitaire et environnemental réduit.

La mise au point d'une technique de spectroscopie avec une très haute résolution spatiale (environ 250 nm) nous a permis d'étudier les propriétés optiques de boîtes quantiques uniques de semiconducteurs II-VI. L'analyse de la dépendance en température des raies d'émission de boîtes uniques a permis de mettre en évidence et de modéliser le mécanisme d'élargissement des transitions optiques par le couplage de l'état discret de l'exciton avec le continuum des états de phonons acoustiques. L'influence de l'interaction d'échange électron-trou sur la structure d'un exciton confiné est analysée en détail. L'interaction d'échange longue portée, combinée à l'anisotropie du potentiel de confinement, conduit à un dédoublement du niveau radiatif de l'exciton qui émet alors en polarisation linéaire suivant deux directions orthogonales. L'accumulation des porteurs dans une boîte quantique conduit à la formation de complexes excitoniques. Une étude détaillée des transitions optiques associées au biexciton est présentée. On montre que la structure fine et les propriétés de polarisation du biexciton sont imposées par l'exciton dans l'état intermédiaire de la recombinaison. Dans des structures dopées par modulation, la recombinaison d'un exciton chargé négativement est identifiée dans les spectres de micro-luminescence. L'analyse détaillée de fluctuations de l'énergie d'émission de l'exciton, du biexciton et de l'exciton chargé, liées à la présence d'un champ électrique local fluctuant, nous a permis de mettre en évidence une forte diminution de l'énergie de liaison des complexes excitoniques avec l'augmentation du champ électrique. Enfin, une étude des états excités dans des boîtes uniques a été entreprise. Les expériences d'excitation de la luminescence permettent d'observer directement la présence d'états excités dans certaines boîtes. Sous forte puissance d'excitation, une émission à partir de ces états excités est observée; elle correspond à la recombinaison de multi-excitons.

Ce manuscrit de thèse s’intéresse à l’étude théorique et à l’observation d’effets quantiques résultantde la manipulation de photons en fréquence. Ainsi nous rapportons une expérience d’interférenceà deux photons, pour laquelle l’intrication et la manipulation des photons survient dans le domainedes fréquences. Nous montrons que cette figure d’interférence est sensible à la dispersion des deuxphotons jumeaux et que ce phénomène peut être compensé de manière non-locale. D’un autre coté,nous étudions la réalisation d’une marche aléatoire quantique établie par la modulation de phase.Nous mettons en évidence un comportement intéressant de ces marches et suggérons un schémaexpérimental
This manuscript deals with a theoretical and experimental study of quantum effects taking place inthe frequency domain. On one side, we report a two photons interference experiment, where both theentanglement of the photons and their manipulation take place in the frequency domain. We showthat this interference pattern is sensitive to the dispersion of both photons and allows us to perform anonlocal dispersion cancellation. On the other side we study the implementation of a quantum walkbased on the phase modulation. We predict an interesting behavior of these quantum walks andsuggest a physical implementation

In this thesis, we are interested in a wide-area PLC (Power Line Communication) network to provide a communication infrastructure for monitoring and control of energy distribution and consumption. This work has been carried out as a part of REMPLI (Real-time Energy Management via Power Line and Internet) European project and resulted in the definition of REMPLI PLC. For achieving high network performance and real-time data transfer using medium voltage and low voltage electricity grids, major problems such as dynamic packet routing, quality of service management and real-time event reporting are addressed. We designed an efficient routing protocol to cope with dynamic electricity grid topology changes and to relay packets to reach the destination. REMPLI PLC performance is evaluated using simulations and complemented by analytic studies. It is proved that most of the application requirements can be satisfied by REMPLI PLC. We proposed and implemented a new traffic dispatcher providing differentiated quality of service for applications. Based on ALOHA protocol, some variants have been designed and evaluated for enabling efficient real-time event notification
Dans cette thèse, nous nous intéressons à la problématique liée à la communication numérique sur courant porteur dans l’objectif de fournir une infrastructure de communication qui permet la surveillance et le contrôle de la distribution et de la consommation de l’énergie. Ce travail a été effectué dans le cadre du projet européen REMPLI (Real-time Energy Management via Power Line and Internet) et a produit la spécification REMPLI PLC (Power Line Communication). Pour fournir une meilleure performance de la communication et effectuer le transfert de données en temps réel, en utilisant les réseaux électriques de moyenne tension et de basse tension, les problèmes principaux qui sont le routage dynamique de paquets de données, la gestion de la qualité de service et la notification des événement en temps réel, ont été traités. Nous avons développé un protocole de routage efficace pour s’adapter au changement dynamique de topologie du réseau électrique. Les performances de REMPLI PLC sont évaluées en utilisant des approches de simulation couplée avec des approches analytiques. Il est prouvé que la majorité des besoins applicatifs peuvent être satisfaite par REMPLI PLC. Nous avons proposé et implanté un nouvel “ordonnançeur de traffic” fournissant différents niveaux de qualité de service pour les applications. Des variantes de protocole ALOHA ont été proposées et évaluées afin de vérifier que les propriétés temps réel requises sur les notifications d’événements sont respectées

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale et l'interprétation théorique des processus de photoassociation et de formation de molécules froides de césium, ainsi que sur l'étude des forces dipolaires entre une paire d'atomes de césium froids excités. La photoassociation moléculaire d'atomes froids de césium a été réalisée expérimentalement : deux atomes absorbent un photon pour former une molécule électroniquement excitée dans un état de rotation-vibration donné. L'expérience a permis la première observation de molécules translationnellement froides obtenues après désexcitation spontanée des molécules photoassociées. La forme en double puits des courbes de potentiel des états moléculaires $0_g^- (6s+6p_(3/2))$ et $1_u (6s+6p_(3/2))$ du césium est la clé de l'efficacité du processus. Ces molécules froides formées sont détectées sélectivement par temps de vol après leur photoionisation en ions Cs$_2^+$. Des températures de $20-200\,\mu$K ont été mesurées. La photoassociation offre une méthode de spectroscopie à haute résolution qui permet d'atteindre des états moléculaires de grande élongation, donnant accès aux données asymptotiques. La spectroscopie du puits de potentiel externe de l'état $0_g^-(6s+6p_(3/2))$ du césium a été effectuée et est analysée par une approche R.K.R.. Une théorie unifiée de la photoassociation en champ faible, vue comme une collision assistée par laser, est développée dans ce manuscrit. Les expériences avec les atomes froids permettent l'étude des collisions entre deux atomes soumis à une interaction mutuelle à grande distance de type dipôle-dipôle. Deux systèmes physiques différents sont étudiés : une assemblée d'atomes de Rydberg et la photoassociation. La modification du mouvement d'une paire d'atomes offre la possibilité de ``contrôler" les forces dipolaires et de ``choisir" les vitesses relatives entre atomes.

Cette these est essentiellement consacree a l'etude theorique et experimentale en phase gazeuse des etats quantiques de la molecule no 2 situes au voisinage de sa limite de dissociation d o ( 3 ev). La comprehension de l'augmentation importante et inattendue de la densite d'etats observee en dessous de d o est la motivation de ce travail. En effet, dans le cadre des theories statistiques des reactions unimoleculaires, la densite d'etats est un parametre cle gouvernant la dynamique de la dissociation. Experimentalement, nous avons enregistre un spectre de fluorescence induite par laser juste en dessous de d o pour consolider et completer les determinations de la densite d'etats precedentes. Nous avons aussi enregistre le spectre d'absorption de no 2 juste au dessus de d o en utilisant la technique crds, basee sur la mesure du temps de declin d'une onde electromagnetique piegee dans une cavite de haute qualite, combinee avec un laser continu. Cette partie du spectre est caracterisee par des resonances lorentziennes dont la largeur reflete le taux de dissociation. Une comparaison des durees de vies experimentales avec celles calculees a partir de la theorie rrkm a ete effectuee. En outre, des experiences de crds realisees a plus basse energie ( 1,5 ev) ont permis de mettre en evidence des phenomenes non lineaires (absorption saturee, transitions a deux photons) grace a la grande densite d'energie electromagnetique piegee dans la cavite optique. Theoriquement, on s'est interesse a l'influence des interactions a grande distance sur la densite d'etats. Une methode de calcul mixte quantique-semiclassique basee sur une approche adiabatique a ete mise au point pour le calcul de la densite d'etats au voisinage d'un seuil de dissociation. En utilisant des surfaces d'energie potentielle realistes, on a montre que les interactions a grandes distances sont vraisemblablement a l'origine de l'augmentation de densite observee.