La sécurisation des systèmes de communication passe par des techniques de cryptographie à clef. Les communications, sur un canal non protégé, imposent l'échange d'une clef entre Alice et Bob qui sont avec Eve, tentant d'obtenir cette clef à leur insu, les acteurs incontournables de tout scénario cryptographique. La sécurité quantique résulte de l'impossibilité pour Eve de dupliquer les signaux reçus ou d'en distraire une partie significative sans signer son intervention par une modification importante du taux d'erreur des signaux reçus par Bob. Les erreurs résultent d'observations incompatibles d'un même objet quantique, comme la mesure de la phase d'un photon unique sur deux bases différentes. Un faible taux d'erreur garantit la confidentialité de la clef. Le protocole BB84 autorise l'élaboration et l'échange de clef entre Alice et Bob. Il nécessite quatre états quantiques constituant deux bases, notées A1 et A2 contenant chacune deux symboles notés 0 et 1. Les bases A1 et A2 sont dites conjuguées. Cette thèse propose une étude et une réalisation expérimentale d'un système de distribution quantique de clef utilisant le protocole BB84 par codage en phase sur un photon unique (l = 1,5µm). La génération des photons uniques est assurée par un laser de type ILM dont les impulsions optiques sont fortement atténuées. La modulation QPSK satisfaisant à des choix de base et de symbole indépendants est assurée par l'utilisation de modulateurs Mach-Zehnder à deux électrodes. Trois systèmes de détection cohérente sont proposés et comparés. Les évolutions successives de notre système nous amènent à proposer aujourd'hui un système de cryptographie quantique à une voie optique par codage DQPSK.

La prochaine génération d'infrastructures de communication par fibre optique comprendra des systèmes de transmission longue distance avec du multiplexage en longueur d'onde (WDM) à 40 et 100 Gb / s, et sera très probablement basée sur la détection cohérente. Le travail de thèse décrit dans ce manuscrit étudie ces systèmes. Nous démontrons d'abord leur tolérance inégalée à des effets physiques linéaires de propagation, grâce au traitement numérique du signal réalisé dans le récepteur. Néanmoins, les systèmes optiques peuvent être limités aussi par des effets non-linéaires de propagation. Cette thèse explore le comportement non-linéaire des signaux détectés avec un récepteur cohérent, spécialement quand ils sont multiplexés en polarisation. Nous avons particulièrement étudié l'évolution de l'impact des non-linéarités quand le débit augmente de 40 à 100 Gb/s, en démontrant que l'augmentation du débit accroît la tolérance à certaines non-linéarités. Cette thèse examine également l'interaction entre la dispersion modale de polarisation (PMD) et les non-linéarités. Contrairement aux systèmes existants, nous avons prouvé que, lorsque la PDM est distribuée, elle s'avère souvent être bénéfique en réduisant les pénalités causées par les non-linéarités. Au contraire, quand la PMD est localisée, elle peut augmenter la dégradation causée par lesdites non-linéarités. Finalement, comme une preuve de l'intérêt porté par les opérateurs aux technologies à 100 Gb/s, ce manuscrit présente les résultats d'un essai de terrain que nous avons mené récemment sur le réseau de Telefónica en Espagne montrant le potentiel des technologies cohérente pour moderniser les réseaux existants.

Des méthodes de modulation et de détection de la lumière originales ont été étudiées afin d’améliorer la performance des systèmes de transmission optique longue distance. Des formats de modulation multiplexés en polarisation, utilisant plusieurs niveaux de phase ont été étudiés en particulier. La détection cohérente associée à un traitement numérique du signal a également été choisie au niveau de la réception afin d’optimiser la performance du système. Cela permet notamment de compenser de façon très efficace les distorsions linéaires introduites par la propagation dans le fibre optique, telles que la dispersion chromatique et la dispersion modales de polarisation. Après propagation sur grande distance, le rapport signal à bruit devient une limitation importante. L’autre limitation provient des interactions non linéaire entre la lumière et la fibre optique qui limitent la puissance maximale que l’on peut injecter dans la fibre optique.La première transmission multiplexée en longueur d’onde sur grandes distances (>1000km) utilisant la détection cohérente a notamment été démontrée.Afin de minimiser l’impact de ces effets non linéaires, différentes stratégies ont été proposées et investiguées. L’impact du multiplexage de polarisation a notamment été quantifié dans des configuration où la dispersion chromatique de la fibre est compensée régulièrement dans la liaison et dans le cas où elle n’est compensée qu’en fin de liaison de façon numérique.La proposition d’utiliser un format de modulation à 2 niveaux de phase ainsi que les algorithmes permettant de le détecter ont été fait. Le gain de performance obtenu par rapport à la solution conventionnelle à 4 niveaux de phase a été montré.Au débit de 100Gb/s, la démonstration de la première transmission sur des distances transocéanique a également été faite.Ces travaux de recherche ont été notamment utilisés pour définir puis développer des produits Alcatel-Lucent qui sont maintenant commercialisés, à 40Gb/s en utilisant un format de modulation multiplexé en polarisation à deux niveaux de phase, et à 100Gb/s en utilisant un format multiplexé en polarisation à quatre niveaux de phase. / Modulation and detection methods have been studied to improve the performance of optical long distance communication systems. Polarization division multiplexed modulation and multilevel phase modulation format have been evaluated. Coherent detection associated with digital signal processing has been selected at the receiver side to optimize system performance. This receiver design allows especially to compensate linear distortions induced by fiber optics propagation very efficiently. After long distance propagation, optical signal to noise ratio is a major limitation. The other main limitation comes from non linear interactions of light and fiber optics which put a limit on the maximum power to be injected within fiber optics.The first wavelength division multiplexed transmission over long distances (>1000km) using coherent detection has been demonstrated.Various strategies have been proposed to minimize the impact of non linear effect. The impact of polarisation multiplexing has been quantified in configuration where chromatic dispersion is either regularly optically compensated within the line or digitally compensated at the receiver end.The proposition to use a polarization multiplexed format using only 2 phase levels as well as the algorithms capable to detect them has been done. The performance gain obtained compared to the convention solution using 4 phase levels has been demonstrated.At 100Gb/s bit rate, the demonstration of the first transmission over trans-oceanic distance has also been done.These research work have been used to define and then develop Alcatel-Lucent products which are now commercialized, at 40Gb/s by using a polarization multiplexed and 2 phase levels modulation format, and at 100Gb/s by using a polarization multiplexed 4 phase levels format.

La demande en capacité liée à la transmission de tout type d’information (voix, vidéos, données, etc.) ne cesse de croître. Afin de répondre à cette demande croissante, de nouvelles générations de systèmes de communication multiplexés en longueur d’onde transmettant des débits élevés d’information par canal (100 Gbit/s ou plus) doivent être conçues. En plus des fibres ayant de très faibles pertes, des amplificateurs à fibre dopée à l’Erbium et du multiplexage en longueur d’onde, des technologies sont mises en place, comme notamment le multiplexage en polarisation, la détection cohérente, les formats de modulation multi-niveaux et plus récemment le multiplexage spatial. Des interrogations résident sur l’impact du multiplexage en polarisation ainsi qu’un développement vers des formats de modulation plus évolués incluant modulation de phase et multiplexage en polarisation. Dans cette thèse, afin de contribuer à l’augmentation du produit capacité x distance dans les systèmes de transmission Nx100 Gbit/s par fibre optique également multiplexés en polarisation et utilisant la détection cohérente, nous avons étudié d’une part, la mise en forme spectrale des signaux à l’émission pour augmenter la densité spectrale d’information (ISD: Information Spectral density). Dans cette optique, nous avons étudié l’impact du filtrage étroit gaussien du second ordre et de la mise en forme spectrale en racine de cosinus surélevé (RRC: Root Raised Cosine) sur les signaux émis dans le cas de modulations en Polarization Division Multiplexed-Quaternary Phase Shift Keying (PDM-QPSK) et Polarization-Switched-Quaternary Phase Shift Keying (PS-QPSK). Ceci a été réalisé en simulation numérique en considérant un espacement spectral entre les différents canaux variable. Nous avons montré qu’en tenant compte à la fois du facteur de qualité maximal et de la densité spectrale d’information, l’application de la mise en forme RRC sur des signaux modulés en PS-QPSK, fournit de meilleures performances de transmission dans une configuration où toute la dispersion est compensée en fin de propagation, pour toutes les valeurs d’espacement spectral étudiées. D’autre part, nous nous sommes intéressés aux effets non-linéaires qui limitent la portée de ces systèmes en dégradant pendant la propagation, les symboles émis, par les interactions entre des symboles d’un même canal, entre canaux ou modes de polarisation. La compréhension et la réduction de l’impact des effets non-linéaires est indispensable lorsqu’on veut utiliser certaines technologies pour augmenter la densité spectrale d’information. L’utilisation du multiplexage en polarisation par exemple, se heurte aux dégradations causées par les effets non-linéaires car de nouvelles interactions entre symboles sont présentes pendant la propagation. Par conséquent le développement des futurs systèmes ayant des débits plus élevés de 400 Gbit/s et 1 Tbit/s par canal passe par une diminution de l’impact des effets non-linéaires. Nous avons établi dans ce travail de thèse, des règles de conception permettant de réduire l’impact des effets non-linéaires entre polarisation dans les systèmes de transmission optiques considérés / The ever-increasing demand of capacity in very high bit rate coherent optical transmission systems has paved the way towards the investigation of several techniques such as the use of ultra-low loss fibers, Erbium doped fiber amplifiers, polarization and wavelength division multiplexing (WDM), coherent detection, multi-level modulation formats, spatial division multiplexing, etc. However, there are questions concerning polarization division multiplexing and a development towards some advanced modulation formats including phase modulation and polarization division multiplexing. In this thesis, in order to increase the capacity-by-distance product of future optical coherent systems using wavelength and polarization division multiplexing, we first study spectral shaping of the transmitted signals to increase the information spectral density. For this purpose, we have numerically investigated the multi-channel transmission performance of Polarization Switched Quadrature Phase Shift Keying (PSQPSK) and we have compared it to the performance of Polarization-Division-Multiplexed QPSK (PDM-QPSK), using Root Raised Cosine (RRC) spectral shaping, in the context of a flexible channel grid. In addition we have presented the advantage of PS-QPSK against PDM-QPSK as a function of the system parameters, while we have also discussed the benefit of a RRC spectral shaping against a tight filtering at the transmitter side with a 2nd order super-Gaussian-shaped filter. Furthermore, we have focused on nonlinear effects that limit the transmission distance by degrading the transmitted symbols during propagation. Analyzing and reducing the impact of nonlinear effects is essential when using technologies that increase the information spectral density such as polarization division multiplexing which causes new nonlinear effects due to additional interactions between symbols during the propagation through the fiber. Therefore a reduction of the impact of nonlinear effects is necessary for the development of future systems with higher bit rates of 400 Gbit/s and 1 Tbit/s per channel. We have established in this thesis, design rules to reduce the impact of nonlinear effects in the optical WDM transmission systems at 100 Gbit/s per channel that use polarization multiplexing

Ces dernières décennies, la fibre optique est devenue le support privilégié pour le transport de données numériques entre villes, régions ou pays sur des distances allant de quelques kilomètres à une dizaine de milliers de kilomètres. Les systèmes de transmissions optiques de recherche aussi bien que commerciaux offrent aujourd'hui des capacités de transport multi-Terabit/s sur des distances de plus de 1000km pour répondre à l'augmentation vertigineuse du trafic de données, et sont basés sur l'utilisation en parallèle de canaux modulés à 10, 40 ou 100Gb/s. Pour autant, la conception efficace de systèmes de transmissions ou de réseaux optiques à capacité toujours plus grande et à coût maitrisé n'est pas chose aisée. En effet, cette activité requiert une très fine connaissance de l'interaction entre de multiples phénomènes physiques linéaires et non-linéaires et de leur impact sur la propagation de signaux optiques modulés. En outre, l'infrastructure d'un réseau optique terrestre est la plupart du temps très fortement hétérogène en raison de contraintes géographiques ou topologiques, ou encore en raison du poids très fort de la réutilisation d'infrastructures préexistantes. Enfin, lors de la construction d'un nouveau réseau ou la mise à niveau d'un réseau existant, cette étape de conception doit tenir compte du caractère partiel de la connaissance des paramètres physiques de l'infrastructure déployée. Pour maîtriser une telle complexité en un temps raisonnable et acquérir une vision globale du système, il est indispensable de s'appuyer sur des outils issus de la physique et de l'observation. Dans cette optique, ce manuscrit s'appuie sur des études menées entre 2000 et 2010 pour comprendre et quantifier l'accumulation des effets non-linéaires de type Kerr sur les systèmes de transmission modulés à 10, 40 et 100Gb/s. Nous introduisons ici de nouveaux outils permettant de prédire rapidement et avec précision la qualité de transmission de réseaux optiques terrestres hétérogènes affectés par de multiples effets de propagation ainsi que des outils permettant d'optimiser le réglage de la ligne de transmission (gestion de la dispersion, réglage des amplificateurs et des puissances d'entrée dans les fibres).

Des méthodes de modulation et de détection de la lumière originales ont été étudiées afin d'améliorer la performance des systèmes de transmission optique longue distance. Des formats de modulation multiplexés en polarisation, utilisant plusieurs niveaux de phase ont été étudiés en particulier. La détection cohérente associée à un traitement numérique du signal a également été choisie au niveau de la réception afin d'optimiser la performance du système. Cela permet notamment de compenser de façon très efficace les distorsions linéaires introduites par la propagation dans le fibre optique, telles que la dispersion chromatique et la dispersion modales de polarisation. Après propagation sur grande distance, le rapport signal à bruit devient une limitation importante. L'autre limitation provient des interactions non linéaire entre la lumière et la fibre optique qui limitent la puissance maximale que l'on peut injecter dans la fibre optique.La première transmission multiplexée en longueur d'onde sur grandes distances (>1000km) utilisant la détection cohérente a notamment été démontrée.Afin de minimiser l'impact de ces effets non linéaires, différentes stratégies ont été proposées et investiguées. L'impact du multiplexage de polarisation a notamment été quantifié dans des configuration où la dispersion chromatique de la fibre est compensée régulièrement dans la liaison et dans le cas où elle n'est compensée qu'en fin de liaison de façon numérique.La proposition d'utiliser un format de modulation à 2 niveaux de phase ainsi que les algorithmes permettant de le détecter ont été fait. Le gain de performance obtenu par rapport à la solution conventionnelle à 4 niveaux de phase a été montré.Au débit de 100Gb/s, la démonstration de la première transmission sur des distances transocéanique a également été faite.Ces travaux de recherche ont été notamment utilisés pour définir puis développer des produits Alcatel-Lucent qui sont maintenant commercialisés, à 40Gb/s en utilisant un format de modulation multiplexé en polarisation à deux niveaux de phase, et à 100Gb/s en utilisant un format multiplexé en polarisation à quatre niveaux de phase.

Les systèmes de transmission optiques (STOs) déployés actuellement utilisent la détection cohérente pour les débits de 40 Gb/s et 100 Gb/s. Une modulation QPSK ( « Quadrature Phase Shift Keying »), c’est à dire avec 4 niveaux de phase, associée à un multiplexage de polarisation (« PDM » pour « Polarization Division Multiplexing ») permet de transporter 4 bits par symbole. L’utilisation des formats de modulation plus complexes, tels que le 16QAM (pour « Quadrature Amplitude Modulation »), avec 16 états possibles, permet d’augmenter le débit transmis. Cependant, cette méthode réduit fortement la portée de transmission. Par exemple, si on passe de 100 Gb/s PDM-QPSK à 200 Gb/s PDM-16QAM, la portée est réduite par un facteur cinq. Une approche nouvelle et en rupture afin d’augmenter la capacité est le multiplexage en mode (MDM, pour « Mode Division Multiplexing »). Cette approche est investiguée dans le cadre de ma thèse. Je commence ma thèse avec des généralités sur les STOs, suivi d’une présentation de leur évolution historique dans le contexte de la demande de capacité croissante dans les réseaux de télécommunications. Ensuite je montre plusieurs options pour continuer la croissance de capacité dans les STOs avant de me focaliser sur le MDM. Je décris tous les nouveaux éléments clés d’un système MDM typique, notamment la fibre et l’amplificateur légèrement multimodaux, le multiplexeur / démultiplexeur de modes et le nouveau système de réception, en me fondant sur des résultats théoriques, numériques et expérimentaux. Je termine avec une présentation des expériences de transmission MDM, où nous étions parmi les premières équipes mondiales à réaliser une telle démonstration / Currently deployed optical transmission systems use coherent detection for data rates of 40 Gb/s and 100 Gb/s. Quadrature phase shift keying (QPSK) modulation using four phase levels in combination with polarization division multiplexing (PDM) allows transmitting four bits per symbol. The use of more complex modulation formats, such as 16 level quadrature amplitude modulation (16QAM) allows increasing the data rate. However, this method reduces dramatically the transmission reach. For example, when passing from 100 Gb/s PDM-QPSK to 200 Gb/s PDM-16QAM, the reach is reduced by a factor of five. A new and disruptive approach in order to increase the capacity is mode division multiplexing (MDM), and this approach is investigated in the frame of my thesis. I start my thesis with some generalities on optical transmission systems followed by a presentation of their historical evolution against the background of the increasing capacity demand in the worldwide telecommunication networks. Afterwards I show some ways to continue the capacity growth in optical transmission systems before focusing on MDM. I describe the new key elements, notably the few-mode fiber and the few-mode amplifier, the mode-multiplexer / -demultiplexer and the new receiver system. I finish with a presentation of some experiments using entire MDM systems, which allowed us to be among the first research teams worldwide to realize a successful MDM transmission

L'ingénierie moléculaire a développé au cours des dix dernières années, des structures moléculaires optimisées pour leur réponse non-linéaire quadratique. Dans ce travail,nous avons montré que l'analyse des propriétés de polarisation de la fluorescence<br />à deux photons et de la génération du second harmonique constitue un moyen original de déterminer l'organisation et l'orientation de ces molécules lorsqu'elles sont disposées dans une matrice polymère ou lorsqu'elles forment un réseau cristallin. Cette<br />analyse, menée dans une configuration de microscopie non-linéaire à deux photons, a permis d'étudier ces processus non-linéaires à des échelles réduites et d'identifier des symétries cristallines spécifiques. La nature cristalline d'agrégats moléculaires isolés<br />de taille nanométrique a ainsi pu être mise en évidence. Il a également été possible de déterminer leur orientation à partir d'un modèle théorique. Enfin, un montage de détection cohérente de la génération du second harmonique collectée par microscopie<br />a été mis en œuvre de façon à gagner encore en sensibilité.

Dans cette thèse, des algorithmes à faible complexité et des architectures parallèles et efficaces sont explorés pour les systèmes CO-OFDM. Tout d'abord, des algorithmes de faible complexité pour la synchronisation et l'estimation du décalage en fréquence en présence d'un canal dispersif sont étudiés. Un nouvel algorithme de synchronisation temporelle à faible complexité qui peut résister à grande quantité de retard dispersif est proposé et comparé par rapport aux propositions antérieures. Ensuite, le problème de la réalisation d'une architecture parallèle à faible coût est étudié et une architecture parallèle générique et évolutive qui peut être utilisée pour réaliser tout type d'algorithme d'auto-corrélation est proposé. Cette architecture est ensuite étendue pour gérer plusieurs échantillons issus du convertisseur analogique/numérique (ADC) en parallèle et fournir une sortie qui suive la fréquence des ADC. L'évolutivité de l'architecture pour un nombre plus élevé de sorties en parallèle et les différents types d'algorithmes d'auto-corrélation sont explorés. Une approche d'adéquation algorithme-architecture est ensuite appliquée à l'ensemble de la chaîne de l'émetteur-récepteur CO-OFDM. Du côté de l'émetteur, un algorithme IFFT à radix-22 est choisi pour et une architecture parallèle Multipath Delay Commutator (MDC). Feed-forward (FF) est choisie car elle consomme moins de ressources par rapport aux architectures MDC-FF en radix-2/4. Au niveau du récepteur, un algorithme efficace pour l'estimation du Integer CFO est adopté et implémenté de façon optimisée sans l'utilisation de multiplicateurs complexes. Une réduction de la complexité matérielle est obtenue grâce à la conception d'architectures efficaces pour la synchronisation temporelle, la FFT et l'estimation du CFO. Une exploration du compromis entre la précision des calculs en virgule fixe et la complexité du matériel est réalisée pour la chaîne complète de l'émetteur- récepteur, de façon à trouver des points de fonctionnement qui n'affectent pas le taux d'erreur binaire (TEB) de manière significative. Les algorithmes proposés sont validés à l'aide d'une part d'expériences off-line en utilisant un générateur AWG (arbitrary wave- form generator) à l'émetteur et un oscilloscope numérique à mémoire (DSO) en sortie de la détection cohérente au récepteur, et d'autre part un émetteur-récepteur temps-réel basé sur des plateformes FPGA et des convertisseurs numériques. Le TEB est utilisé pour montrer la validité du système intégré et en donner les performances. / In this thesis, low-complexity algorithms and architectures for CO-OFDM systems are explored. First, low-complexity algorithms for estimation of timing and carrier frequency offset (CFO) in dispersive channel are studied. A novel low-complexity timing synchro- nization algorithm, which can withstand large amount of dispersive delay, is proposed and compared with previous proposals. Then, the problem of realization of low-complexity parallel architecture is studied. A generalized scalable parallel architecture, which can be used to realize any auto-correlation algorithm, is proposed. It is then extended to handle multiple parallel samples from ADC and provide outputs, which can match the input ADC rate. The scalability of the architecture for higher number of parallel outputs and different kinds of auto-correlation algorithms is explored. An algorithm-architecture approach is then applied to the entire CO-OFDM transceiver chain. At the transmitter side, radix-22 algorithm for IFFT is chosen and parallel Mul- tipath Delay Commutator (MDC) Feed-forward (FF) architecture is designed which con- sumes lesser resources compared to MDC FF architectures of radix-2/4. At the receiver side, efficient algorithm for Integer CFO estimation is adopted and efficiently realized with- out the use of complex multipliers. Reduction in complexity is achieved due to efficient architectures for timing synchronization, FFT and Integer CFO estimation. Fixed-point analysis for the entire transceiver chain is done to find fixed-point sensitive blocks, which affect bit error rate (BER) significantly. The algorithms proposed are validated using opti- cal experiments by the help of arbitrary waveform generator (AWG) at the transmitter and digital storage oscilloscope (DSO) and Matlab at the receiver. BER plots are used to show the validity of the system built. Hardware implementation of the proposed synchronization algorithm is validated using real-time FPGA platform.

Au cours des dernières années, les services haut débit et les applications Internet ont explosé, provoquant un problème de saturation dans les réseaux et engendrant une augmentation de la demande de débit. Ceci a poussé les opérateurs à augmenter la capacité de leurs systèmes de transmission optiques WDM en introduisant les systèmes 100G et plus dans les réseaux coeurs. Avec les nouvelles possibilités offertes par les circuits numériques rapides, les systèmes optiques à réception cohérente ont attiré beaucoup d'attention durant ces dernières années. Outre l'amélioration de la sensibilité du récepteur, l'intérêt réside aussi dans l'augmentation de l'efficacité spectrale ainsi que la robustesse contre les effets de propagation dans les fibres. Dans cette thèse, nous développons des outils robustes de traitement numérique du signal spécifiques au canal optique et aux transmissions utilisant le multiplexage de polarisation(POLMUX) et des modulations de phase et d'amplitude (QAM). Ces algorithmes effectuent les opérations d'estimation de phase et de l'écart de fréquence, ainsi que d'égalisation et poursuite des variations du canal. L'optimisation de ces algorithmes est essentielle vu qu'ils sont à implémenter dans des circuits opérant à quelques dizaines de MHz. En outre, comme les QAMs sont plus sensibles aux distorsions du canal, il est essentiel de construire des algorithmes plus robustes et des estimateurs plus précis que ceux déjà proposés pour les modulations de phase. Nos algorithmes sont testés à travers des simulations d'un système POLMUX-16QAM et validés par un traitement offline des mesures expérimentales réalisées à HHI, Berlin dans le cadre du projet EURO-FOS