L’alliage ternaire InGaN reçoit beaucoup d’attention grâce à son énergie de bande interdite ajustable qui varie entre l’infrarouge et l’ultraviolet. Les matériaux GaN et InGaN sont largement utilisés dans de nombreuses applications telles que des cellules photovoltaïques à haute efficacité, des diodes électroluminescentes ou des diodes laser à forte luminosité allant du bleu au vert ou encore la génération de lumière blanche directe. L’ensemble des propriétés de ce matériau en fait aussi un candidat sérieux pour un certain nombre d’autres applications. Pour concevoir des composants à base d’InGaN, il est cependant vital de déterminer au préalable les propriétés optiques du matériau aux fréquences d’intérêt et il n’existe que très peu voire aucune communication sur les indices du GaN ou de l’InxGa1-xN pour x>0.07. Nous étudions dans cette thèse la croissance par metalorganic chemical vapor deposition et la caractérisation des indices optiques de GaN, d’InN et d’InxGa1-xN avec une concentration en indium variant jusqu’à x=0.14 dans les domaines de fréquence visible et térahertz et discutons la conception et le procédé de fabrication d’une photodiode térahertz ultrarapide. / The InGaN compound is a promising ternary alloy system that receives a lot of attentions thanks to its tunable bandgap that varies from the near infrared region to the near ultraviolet region. InGaN/GaN materials have been widely used in various applications like high efficiency solar cells, high-brightness blue to green light emitting diodes or laser diodes as well as non-phosphor based direct white light generation. The unique set of properties of this material also makes it a suitable candidate for a number of other new applications. However, to design efficient InGaN-based devices, it is a prerequisite to know the optical properties of InGaN films at the frequencies of interest and there is currently very little information on the index of GaN and InxGa1-xN with x>0.07. In this thesis, we study and characterize the optical indices of GaN, InN and InxGa1-xN thin films grown by metalorganic chemical vapor deposition with indium concentration varying up to x=0.14. We discuss the design and fabrication process of an InGaN-based ultrafast terahertz photodiode.

L’objectif de ce travail est de développer des matériaux à base de titane sous la forme de monolithe capable d’assurer des réactions photo catalytiques en flux, sous la lumière du soleil ou la lumière visible. Ces matériaux doivent présenter des propriétés physiques et chimiques particulières afin de pallier aux inconvénients des photocatalyseurs classiques qui limitent leur efficacité, à savoir : la stabilité mécanique, la perte de charge, le faible transport de masse, et le controle du temps de contact, la gamme de longueur d’onde d’absorption réduite, le temps de vie de la charge photo-générée. Trois voies de synthèse de monolithes TiO2 ont ainsi été élaborées et optimisées pour atteindre la forme et la dimension adéquate à l’application visée. Les monolithes TiO2 présentant une porosité bimodale macro-mésoporeux interconnectée, avec une stabilité mécanique et chimique élevée, ont été utilisés comme un microréacteur photocatalytique sous flux sous différentes conditions de flux. Les monolithes synthétisés ont montré une absorption plus élevée dans la lumière du visible, ce qui leur permet d’être efficaces dans une plus grande gamme de rayonnements. L’absorption dans le visible des monolithes de TiO2 est attribuée aux espèces carbonées et/ou azotées contenues dans le matériau. Ces matériaux on été testes dans la dégradation de l’orange G en milieu aqueux. Ce suivi a été réalisé à la fois en réacteur en batch et en flux, à la lumière du soleil, sous lumière du visible et sous lumière UV. Tous les tests catalytiques ont conduit à une dégradation totale du polluant avec une cinétique plus rapide que pour le matériau de référence (TiO2 P25) sous rayonnement visible. De plus aucune désactivation n’est détectée après 85 h sous circulation de la solution dans les conditions du flux opératoire. L’autre utilisation envisagée pour ces monolithes est le water-splitting (dissociation de l’eau en hydrogène et oxygène). Pour cela des films autoportés (~ 1 mm d’épaisseur) de compositions similaires aux précédents matériaux ont été synthétisés afin de permettre une activité photo-catalytique de dissociation de l’eau sous lumière visible. Afin d’augmenter la production d’hydrogène, des matériaux associant une couche d’oxyde de cuivre et une couche de TiO2 ont été réalisés par l’optimisation de la méthode précédente. / The aim of this study is to develop titania based materials able to perform photocatalytic reaction in flow condition, under sunlight or visible light, with special physical and chemical properties in order to overcome common photocatalysts’ deficiencies like: mechanical stability, pressure drop, low mass transfer and contact time, reduced wavelength range absorption, photo-generated charge lifetime, and in general all features that limit photocatalysts efficiencies. Three synthesis methods have been developed and optimized to obtain TiO2 monoliths with shape and dimension that can be adapted to any specific application. TiO2 monoliths, displaying bimodal macro-mesoporous interconnected network together with an elevated mechanical and chemical stability, have been used as flow photocatalyst microreactor under different flow rate conditions. Synthesized monoliths displayed enhanced visible light absorption, enabling them to efficiently operate in a vast range of illumination. TiO2 monoliths absorption on the visible range of the spectrum is attributed to carbon-nitrogen containing species within the material. Orange G degradation in aqueous medium have been performed both in batch and flow reactors under sunlight, visible light and UV light. All reactions resulted in complete mineralization of pollutant, with higher degradation rate than TiO2 nanoparticles benchmark material (P-25) when visible light is used. No photocatalyst deactivation have been detected after 85 hours of wastewater treatment in flow conditions. Similar TiO2 material, with a free-standing thick-film shape, have been used to perform photocatalytic water splitting under visible light. Another strategy has been developed to synthesize a TiO2/CuO self-standing film to enhance charge separation giving unexpected results in terms of hydrogen production.

La problématique scientifique de cette thèse est centrée sur le développement decommunications par lumière visible (Visible Light Communications - VLC) dans lesapplications automobiles. En permettant la communication sans fil entre les véhicules, ou entreles véhicules et l’infrastructure routière, la sécurité et l'efficacité du transport peuvent êtreconsidérablement améliorées. Compte tenu des nombreux avantages de la technologie VLC,cette solution se présente comme une excellente alternative ou un complément pour lescommunications actuelles plutôt basées sur les technologies radio-fréquences traditionnelles.Pour réaliser ces travaux de recherche, un système VLC à faible coût pour applicationautomobile a été développé. Le système proposé vise à assurer une communication très robusteentre un émetteur VLC à base de LED et un récepteur VLC monté sur un véhicule. Pour l'étudedes communications véhicule à véhicule (V2V), l'émetteur a été développé sur la base d’un pharearrière rouge de voiture, tandis que pour l'étude des communications de l'infrastructure auvéhicule (I2V), l'émetteur a été développé sur la base d'un feu de circulation. Considérant lerécepteur VLC, le problème principal réside autour d’un capteur approprié, en mesured'améliorer le conditionnement du signal et de limiter les perturbations dues des conditionsenvironnementales. Ces différents points sont abordés dans la thèse, d’un point de vue simulationmais également réalisation du prototype.La validation expérimentale du système VLC a été réalisée dans différentes conditions etscénarii. Les résultats démontrent que la VLC peut être une technologie viable pour lesapplications envisagées. / The scientific problematic of this PhD is centered on the usage of Visible LightCommunications (VLC) in automotive applications. By enabling wireless communication amongvehicles and also with the traffic infrastructure, the safety and efficiency of the transportation canbe substantially increased. Considering the numerous advantages of the VLC technologyencouraged the study of its appropriateness for the envisioned automotive applications, as analternative and/or a complement for the traditional radio frequency based communications.In order to conduct this research, a low-cost VLC system for automotive application wasdeveloped. The proposed system aims to ensure a highly robust communication between a LEDbasedVLC emitter and an on-vehicle VLC receiver. For the study of vehicle to vehicle (V2V)communication, the emitter was developed based on a vehicle backlight whereas for the study ofinfrastructure to vehicle (I2V) communication, the emitter was developed based on a traffic light.Considering the VLC receiver, a central problem in this area is the design of a suitable sensorable to enhance the conditioning of the signal and to avoid disturbances due to the environmentalconditions, issues that are addressed in the thesis. The performances of a cooperative drivingsystem integrating the two components were evaluated as well.The experimental validation of the VLC system was performed in various conditions andscenarios. The results confirmed the performances of the proposed system and demonstrated thatVLC can be a viable technology for the considered applications. Furthermore, the results areencouraging towards the continuations of the work in this domain.

De nos jours, le nombre d'appareils connectés nécessitant un accès aux données mobiles est en augmentation constante. L'arrivée d'encore plus d'ojects multimédias connectés et la demande croissante d'informations par appareil ont mis en évidence les limites de la quatrième génération de réseaux cellulaires (4G). Cela a poussé au développement de nouvelles méthodes, dont la 5G. L'objectif est d'être en mesure de prendre en charge la croissance des systèmes portables, des capteurs ou des sysèmes associés à l'internet des objets (IoT). La vision derrière la 5G est de permettre une société entièrement mobile et connectée avec une expérience consistente.Les petites cellules sont la base des normes de communication avancées telles que 4G et maintenant 5G. Ils résultent de l’utilisation de bandes de fréquences plus élevées pour l’accès radiofréquences (RF) afin de supporter de nouvelles normes et exigences croissantes en bande passante. La 5G utilise des ondes millimétriques et nécessite un déploiement dans un environnement urbain intérieur et urbain dense, ce qui peut s'avérer être un défi. C’est là que la 5G devra inclure des solutions de réseau hybrides et pouvoir coexister avec d’autres technologies d’accès sans fil. La communication par lumière visible (VLC) s’inscrit dans ce moule puisque la lumière visible correspond à la bande comprise entre 400 et 800 THz. Le spectre disponible est des milliers de fois plus large que le spectre RF et il n’interfère pas avec celui-ci. Le principe se base sur la combinaison de l'éclairage avec un lien de communication pouvant atteindre des dizaines de gigabits par seconde. Le potentiel est d’offrir un complément à la 5G dans un réseau hybride, offrant une vitesse élevée, aucune interférence et une sécurité accrue au prix d’une couverture limitée et d’une faible maturité technologique.L’objectif de cette thèse est donc de proposer et d’évaluer une implémentation expérimentale d’un système VLC en intérieur et multi-utilisateurs afin de répondre aux objectifs de la configuration light-fidelity (Li-Fi) dans le contexte d’une petite cellule. La première étape de cette étude est un état de l'art détaillé sur le principe de VLC dans la communication sans fil en intérieur et de l’accès multi-utilisateur. Cela permet de mieux expliquer le concept de notre désign et de comparer notre approche aux travaux existants. La deuxième étape consiste en une analyse des principes et des hypothèses pour le système VLC multi-utilisateurs en intérieur portant à la fois sur la technique de modulation et sur les schémas d’accès multi-utilisateurs. Les conclusions tirées des analyses théoriques et numériques servent de base pour la suite du travail. La troisième étape consiste en plusieurs analyses expérimentales sur l'optimisation des performances de diffusion pour un utilisateur unique, puis sur les performances multi-utilisateurs du système à l'aide de divers schémas d'accès. Le débit total avec une LED blanche commerciale atteint 163 Mb/s avec un taux d'erreur réduit d'un facteur de 3,55 grâce au processus d'optimisation des performances. Cette technique a l'avantage d'augmenter la flexibilité pour un scénario avec plusieurs utilisateurs sans augmenter la complexité car seuls les paramètres des filtres de modulation sont altérés. La taille de la cellule obtenue est de 4.56 m² à une distance de 2,15 mètres du transmetteur. Le capacité peut atteindre jusqu'à 40 utilisateurs, ou 40.62 Mb/s dans un scénario à 4 utilisateurs. Il est donc démontré que le système proposé pourrait fonctionner comme une cellule à une distance réaliste, avec un débit de données élevé et la capacité de répondre aux besoins d’un grand nombre d’utilisateurs tout en limitant les coûts de mise en œuvre. / Nowadays, the number of connected devices requiring access to mobile data is considerably increasing. The arrival of even more connected multimedia objects and the growing demand for more information per device highlighted the limits of the fourth generation of broadband cellular networks (4G). This pushed for the development of new methods, one of which is 5G. The goal is to be able to support the growth of wearable, sensors, or related internet-of-object (IoT) systems. The vision behind 5G is to enable a fully mobile and connected society with a consistent experience. In consequence, there is a fundamental need to achieve a seamless and consistent user experience across time and space.Small cells are the basis of advanced communications standards such as 4G and now, 5G. They exist as a result of using higher frequency bands for RF access in order to support new standards and the increasing demands in bandwidth. 5G use millimeter waves and requires a deployment across indoor and dense urban environment which may prove to be a challenge. This is where 5G will need to include hybrid networking solutions and be able to coexist with other wireless access technologies. Visible light communication (VLC) fits into that mold since visible light corresponds to the band between 400 and 800 THz. The available spectrum is multiple thousand times the size of the RF spectrum and it does not interfere with it. The technique combines illumination with communication at possibly tens of gigabits per second. It has the potential to offer a synergistic pairing with 5G in a hybrid network, offering high speed, no interferences, and more security at the cost of limited coverage and low technological maturity.The goal of this thesis is thus to propose and evaluate an experimental implementation of an indoor multi-user VLC system in order to answer the objectives of Li-Fi setup in the context of a small cell. The first step of this study is a detailed state-of-the-art on VLC in indoor wireless communication and multi-user access. It allows the design of our work to be better explained and to compare our approach with existing works. The second step is an analysis of the principles and hypothesis supporting the indoor multi-user VLC system in the study both on the modulation technique and the multi-user access schemes. The conclusions drawn from theoretical and numerical analysis are used as a basis for the rest of the work. The third step is the experimental setup investigations on the single-user broadcast performances optimization and then on the multi-user performances of the system using various schemes. The total throughput using an off-the-shelf white LED reaches 163 Mb/s with a bit-error rate decreased by a factor of 3.55 thanks to the performance optimization process. This technique has the advantage of increasing the flexibility for a multi-access scenario while not augmenting the complexity as it only optimizes the modulation filter parameters. The multi-user access is obtained for a cell size of 4.56 m² at a distance of 2.15 meter away from the transmitter. The user capacity can reach up to 40 users, or 40.62 Mb/s in a 4-user scenario. It is thus demonstrated that the proposed system could function as a cell at a realistic range, with high data rate and the ability to provide for a large amount of users while limiting the cost of implementation.

Dans cette thèse, nous avons développé de nouveaux cadres d'analyse pour analyser et optimiser les futurs réseaux cellulaires à l'aide de la géométrie stochastique et des processus ponctuels. Cette thèse fournit quatre contributions techniques principales.Nous analysons d’abord les réseaux émergents capables de communiquer en utilisant la lumière plutôt que les ondes radio. Dans ce contexte, nous proposons un cadre analytique innovant qui nous permet d’estimer la probabilité de couverture et le débit moyen des réseaux distribués dans l’espace, qui sont utilisés pour mieux comprendre l’optimisation du système.Deuxièmement, nous proposons une méthodologie innovante pour modéliser des réseaux cellulaires spatialement corrélés en utilisant des processus ponctuels non homogènes. L'approche proposée est testée par rapport au déploiement pratique de réseaux cellulaires et s'est révélée pratique et précise. Il est appliqué à l'analyse des réseaux de communication à lumière visible et l'impact de la corrélation spatiale est étudié.Troisièmement, nous abordons le problème ouvert de la modélisation de réseaux cellulaires MIMO massifs. Nous étudions les réseaux cellulaires montants et descendants et proposons de nouvelles limites supérieures et inférieures pour l'efficacité spectrale moyenne, ce qui nous permet d'identifier le nombre optimal d'utilisateurs à desservir dans chaque cellule du réseau et l'impact de plusieurs paramètres clés du système.Quatrièmement, nous présentons et analysons les performances d'un nouvel algorithme de planification prenant en compte les interférences pour une application sur la liaison montante des réseaux cellulaires. L’approche proposée consiste à assourdir certains utilisateurs afin de réduire le niveau d’interférence. La performance réalisable et l'équité utilisateur de l'approche proposée sont discutées et quantifiées analytiquement. / In this thesis, we have developed new analytical frameworks for analyzing and optimizing future cellular networks with the aid of stochastic geometry and point processes. This thesis provides four main technical contributions.First, we analyze emerging networks that can communicate by using light instead of radio waves. In this context, we propose an innovative analytical framework that allows us to estimate the coverage probability and the average rate of spatially distributed networks, which are used to gain insight for system optimization.Second, we propose an innovative methodology for modeling spatially correlated cellular networks by using inhomogeneous point processes. The proposed approach is tested against practical deployment of cellular networks and found to be tractable and accurate. It is applied to the analysis of visible light communication networks, and the impact of spatial correlation is studied.Third, we tackle the open problem of modeling Massive MIMO cellular networks. We study uplink and downlink cellular networks and propose new upper and lower bounds for the average spectral efficiency, which allow us to identify the optimal number of user to serve in each cell of the network and the impact of several key system parameters.Fourth, we introduce and analyze the performance of a new interference-aware scheduling algorithm for application to the uplink of cellular networks. The proposed approach is based on muting some users in order to reduce the level of interference. The achievable performance and the user-fairness of the proposed approach are discussed and quantified analytically.

L'objectif de cette thèse CIFRE est de contribuer à la communication véhiculaire autonome et au développement de la mobilité urbaine. Les travaux sont basés sur les limitations et défis de la communication par radio pour les applications de sécurité et envisagent de déployer le système d'éclairage des véhicules en tant que solution de communication de soutien pour le platooning d'IVC-activées par VC Véhicules autonomes. L'objectif principale de cette recherche doctorale consiste à intégrer le système VLC dans l'architecture existante de C-ITS en développant un prototype VLC, ainsi que des algorithmes de transfert suffisants permettant VLC, RF et des solutions basées sur la perception afin d'assurer les exigences de sécurité maximales et l'échange continu d'informations entre les véhicules. La faisabilité et l'efficacité de la mise en oeuvre du système et des algorithmes de transfert ont fait l'objet de recherches approfondies sur six chapitres, destinés à faciliter une progression logique des matériaux et permettre un accès relativement facile. En plus de l'amélioration de la capacité routière en utilisant les systèmes de conduite autonome à la base de convoi. Les simulations réalisées ainsi que les résultats expérimentaux ont montré que l'intégration de VLC avec les solutions existantes RF a un avantage certain dans la qualité du canal de communication et les exigences de sécurité d'un système de platooning quand un algorithme approprié est utilisé. / This thesis effort contributes to the autonomous vehicular communication and urban mobility improvements. The work addresses the main radio-based V2V communication limitations and challenges for ITS hard-safety applications and intends to deploy the vehicular lighting system as a supportive communication solution for platooning of IVC-enabled autonomous vehicles. The ultimate objectives of this Ph.D research are to integrate the VLC system within the existing C-ITS architecture by developing a VLC prototype, together with sufficient, hand-over algorithms enabling VLC, RF, and perception-based solutions in order to ensure the maximum safety requirements and the continuous information exchange between vehicles. The feasibility and efficiency of the VLC-RF system implementation and hand-over algorithms were subjects to deep investigations over six self-contained chapters meant to facilitate a logical progression of materials and to enable a relatively easy access. In addition to the improvement in road capacity by utilizing the convoy-based autonomous driving systems. The carried out simulations followed-up by experimental results proved that the integration of VLC with the existed RF solutions lead to a definite benefit in the communication channel quality and safety requirements of a platooning system when a proper hand-over algorithm is utilized.

Dans cette thèse, nous concevons et étudions un système de communication bidirectionnel par lumière visible (VLC) entre une diode électroluminescente (DEL) de couleur, intégrée à un objet connecté, et un smartphone. Le dispositif est ainsi capable d'envoyer et de recevoir des informations à travers sa DEL, tandis que le smartphone utilise sa caméra pour recevoir des données et son flash pour envoyer des informations. Nous mettons en œuvre et évaluons expérimentalement ce système VLC DEL-à-camera conçu spécifiquement pour les DELs de couleur à faible puissance. En nous appuyant sur les résultats d'une vaste étude expérimentale, nous modélisons, pour la première fois dans la littérature, le canal de communication DEL-à-caméra. Nous proposons alors un modèle de processus de Bernoulli modulé par une chaîne de Markov, qui nous permet d'étudier facilement l'efficacité de différentes stratégies de retransmission des messages. Nous exploitons ce modèle afin de concevoir un simulateur pour l'évaluation des performances des communications DEL-à-caméra. Afin d'obtenir un système de communication bidirectionnel, nous étudions ensuite les communications de type flash-vers-DEL entre un smartphone non-modifié et une petite DEL de couleur. Les performances, bien que limitées, sont suffisantes pour établir une voie retour qui permet de mettre en œuvre des mécanismes de fiabilisation. Nous proposons alors un mécanisme de codage linéaire pseudo-aléatoire, spécialement adapté aux conditions et contraintes du système DEL-à-caméra en ligne de visée directe. Notre évaluation expérimentale souligne que ce type d'approche augmente le rendement jusqu'à deux fois par rapport aux stratégies de retransmission classiques. Enfin, la plupart des objets que nous adressons ont des contraintes énergétiques importantes. Par conséquent, nous comparons la consommation d'énergie de notre système avec celle d'un module Bluetooth Low Energy avec une activité similaire. Nos résultats montrent que notre système réduit la consommation d'énergie dans le cadre d'un profil d'utilisation classique. / With the exponential growth of the Internet of Things, people now expect every household appliance to be smart and connected. At the same time, smartphones have become ubiquitous in our daily life. Their continuous performance improvement and their compatibility with a broad range of radio protocols as WiFi, Bluetooth Low Energy (BLE) or NFC make them the most convenient way to interact with these smart objects. However, providing wireless connectivity with BLE or NFC means adding an extra chipset and an antenna, increasing the object size and price. Previous works already have demonstrated the possibility of receiving information through visible light using an unmodified smartphone thanks to its camera. Also, LED-to-LED communication for smart devices like toys has been shown previously. However, past efforts in LED to camera communication for IoT device communication have been limited. In this work, we design LightIoT, a bidirectional visible-light communication (VLC) system between a low-cost, low-power colored LED that is part of an IoT device and an off-the-shelf smartphone. The IoT device is thus able to send and receive information through its LED, while the smartphone uses its camera to receive data and its flashlight to send information. We implement and experimentally evaluate a LED-to-camera VLC system, designed specifically for small LEDs. The proposed solution exploits the rolling shutter effect of unmodified smartphone cameras and an original decoding algorithm, achieving a throughput of nearly 2 kb/s. Based on the insight gained from an extensive experimental study, we model, for the first time in the literature, the LED-to-camera communication channel. We propose a Markov-modulated Bernoulli process model, which allows us to easily study the performance of different message retransmission strategies. We further exploit this model to implement a simulator for LED-to-Camera communications performance evaluation. In order to achieve bi-directional communications, we evaluate flashlight-to-LED communications using non-rooted smartphones and small LEDs. With these constraints, our implementation achieves a throughput of 30 bits/second. While limited, this is enough for a feed-back channel coming to support the required redundancy mechanisms. Some of these redundancy mechanisms are based on random linear coding, never tested previously in VLC. Therefore, we design and implement, for the first time in the literature, a pseudo random linear coding scheme especially fitted for line-of-sight LED-to-camera conditions. Experimental evaluation highlights that this type of approach increases the goodput up to twice compared to classical retransmission strategies. Finally, we compare the energy consumption of LightIoT with the one of a BLE module with similar activity. Our results show that using the LED for communication purposes reduces the energy consumption under a normal usage behavior.