Les stations de base de télécommunications contemporaines pour les réseaux GSM / EDGE, WCDMA / HSPA et LTE sont de plus en plus complexes et à forte intensité énergétique. La solution privilégiée est un émetteur véritablement multi-standard. Modernes émetteurs des stations de base sont souvent multi-standard, en ce qu'ils peuvent supporter différentes normes ou de modes air-interface. Cependant, ce n'est pas réalisé par le fonctionnement simultané des normes différentes ou des «modes», mais par des moyens de reconfiguration, qui sont inefficaces et coûteux. Nous envisageons un émetteur entièrement multi-mode pratique capable de supporter simultanément GSM / EDGE, WCDMA / HSPA et LTE transporteurs. L'évolution des normes 3GPP vers un fonctionnement multi-mode est au stade embryonnaire. Pour contribuer à cet effort, notre travail revisite l'architecture traditionnelle de l'émetteur de station de base macro-cellule afin d'analyser et de définir les exigences de performance pour une plate-forme de radio cellulaire multi-standard. Notre analyse et la conception du système identifie également un goulot d'étranglement potentiel dans la chaîne multi-mode proposé, dont l'analyse est présentée. En conséquence, et enfin, nous proposons la conception d'un gain variable analogique modulateur en quadrature qui contourne le goulot d'étranglement, en soulignant la portée pour le développement futur et la validation de ce travail. Ce travail apporte également en avant quelques problèmes au niveau du système et met également en lumière les défis dans le fonctionnement des stations de base multi-standard. / Contemporary telecommunication Base-Stations for GSM/EDGE, WCDMA/HSPA and LTE are increasingly complex and energy intensive. The favoured solution is a truly multi-standard transmitter known as a single Radio Access Network (single-RAN). Modern base station transmitters are often multi-standard, in that they can support different air-interface standards or modes. However, this is achieved not through concurrent operation of the different standards or 'modes', but by means of reconfiguration, which is inefficient and expensive. We envision a practical, fully multi-mode transmitter capable of simultaneously supporting GSM/EDGE, WCDMA/HSPA and LTE carriers. The evolution of 3GPP standards towards multi-mode operation is in the nascent stage. To contribute to this effort, our work revisits the architecture of the traditional macro-cell Base-Station transmitter in order to analyse and define performance requirements for a multi-standard cellular radio platform. Our system analysis and design also identifies a potential bottleneck in the proposed multi-mode chain, for which analysis is presented. Consequently and lastly, we propose the conceptual design of a variable-gain Analog Quadrature Modulator that bypasses the bottleneck, highlighting scope for future development and validation of this work. This work also brings forth some system-level issues and also highlights challenges in the operation of multi-standard Base-Stations. Some of these include multi-mode signal crest-factor reduction, carrier-to-carrier interference mitigation, per-carrier power-control, etc.

Le multiplexage par division de mode (MDM) a reçu une attention considérable de la part des chercheurs au cours des dernières années. La principale motivation derrière l'utilisation de différents modes de fibre optique est d'augmenter la capacité des réseaux de transport. Les expériences initiales ont montré une grande complexité dans le traitement de signal (DSP) du récepteur. Dans cette thèse, nous étudions la viabilité et les défis de la transmission de données sur des fibres à quelques modes (FMF) pour des systèmes MDM à complexité de DSP réduite. Nos études comprennent à la fois une transmission de données cohérente et non cohérente. Dans notre première contribution, nous démontrons, pour la première fois, la transmission de données sur 4 canaux dans une nouvelle fibre OAM sans démultiplexage de polarisation optique. Nous utilisons une complexité de DSP réduite: deux jeux d'égaliseurs MIMO (multiple-input multiple-output) 2 × 2 au lieu d'un bloc égaliseur MIMO 4 × 4 complet. Nous proposons un nouveau démultiplexeur de mode permettant de recevoir simultanément deux polarisations d'un mode et de réaliser électriquement un démultiplexage de polarisation dans le récepteur DSP. Nous étudions également la pénalité OSNR due aux imperfections dans le démultiplexeur de mode et nous examinons la vitesse de transmission maximum accessible pour notre système. Dans notre deuxième contribution, nous étudions les dégradations modales dans les systèmes OAM-MDM, en nous concentrant sur leur effet sur la performance et la complexité du récepteur. Dans notre étude expérimentale, nous discutons pour la première fois de l'impact de deux modes non porteurs de données sur les canaux de données véhiculés par les modes OAM. Deux types différents de fibres OAM sont étudiés. Nous caractérisons notre liaison MDM en utilisant les techniques de mesure du temps de vol et de réponse impulsionnelle. Nous discutons des conclusions des résultats de caractérisation en étudiant l'impact des interactions modales sur la complexité de l'égaliseur du récepteur pour différents scénarios de transmission de données. Dans le troisième chapitre, nous étudions un nouveau FMF à maintien de polarisation et conduisons deux séries d'expériences de transmission de données cohérentes et de radio sur fibre (RoF). Nous démontrons pour la première fois, la transmission de données sans MIMO sur six et quatre canaux dans les systèmes cohérents et RoF, respectivement. Nous démontrons également, pour la première fois, la transmission de données RoF sur deux polarisations d'un mode dans une FMF. Nous discutons de la dégradation des performances due à la diaphonie dans de tels systèmes. Nous étudions également l'impact de la courbure sur cette fibre dans un contexte de RoF. La propriété de maintien de polarisation de cette fibre sous courbure est étudiée à la fois par des expériences de caractérisation et de transmission de données. / Mode division multiplexing (MDM) has received extensive attention by researchers in the last few years. The main motivation behind using different modes of optical fiber is to increase the capacity of transport networks. Initial experiments showed high complexity in DSP of the receiver. In this thesis, we investigate the viability and challenges for data transmission over specially designed few mode fibers (FMF) for MDM systems with reduced DSP. Our studies include both coherent and non-coherent data transmission. In our first contribution, we demonstrate, for the first time, data transmission over 4 channels in a novel OAM fiber without optical polarization demultiplexing. We use reduced DSP complexity: two sets of 2×2 multiple-input multiple-output (MIMO) equalizers instead of a full 4×4 MIMO equalizer block. We propose a novel mode demultiplexer enabling us to receive two polarizations of a mode simultaneously and conducting polarization demultiplexing electrically in receiver DSP. We also investigate the OSNR penalty due to imperfections in the mode demultiplexer and we examine the maximum reachable baud rate for our system. In our second contribution, we study the modal impairments in OAM-MDM systems, focusing on their effect on receiver performance and complexity. In our experimental study, for the first time, we discuss the impact of two non-data carrying modes on data channels carried by OAM modes. Two different types of OAM fibers are studied. We characterize our MDM link using time-of-flight and impulse response measurement techniques. We discuss conclusions from characterization results with studies of the impact of modal interactions on receiver equalizer complexity for different data transmission scenarios . In the third contribution, we study a novel polarization-maintaining FMF and conduct two sets of coherent data transmission and non-coherent radio over fiber (RoF) experiments. We demonstrate for the first time, MIMO –Free data transmission over six and four channels in coherent and RoF systems, respectively. We also demonstrate, for the first time, RoF data transmission over two polarizations of a mode in a FMF. We discuss the performance degradation due to crosstalk in such systems. We also study the impact of bending on this fiber in RoF context. The polarization maintaining property of this fiber under bending is studied both via characterization and data transmission experiments.

Avec les progrès récents des communications numérique sans fil, le besoin d'une grande vitesse de transmission de données s'impose. Le multiplexage par division en fréquences orthogonales (OFDM) est une alternative duc à sa robustesse contre les évanouissements sélectifs en fréquence et sa résistance aux interférences entre symboles (IES). qui est un problème commun dans la communication de données à grande vitesse. Dans les systèmes OFDM, la modulation peut être différentielle ou cohérente. La modulation cohérente exige l'estimation du canal et donne de meilleures performances mais avec une structure du récepteur relativement complexe. Les techniques d'estimation de canal pour les systèmes OFDM basées sur les symboles pilotes sont étudiées et comparées dans ce travail. Trois types d'arrangement des symboles pilotes sont étudiés pour différents algorithmes d'estimation de canal aux fréquences pilotes. On présente aussi différentes techniques pour interpoler le canal aux fréquences de données. Les différents types d'arrangement des symboles pilotes utilisés dans ce travail sont : l'arrangement en forme de bloc, en forme de peigne et en forme de treillis. L'estimation du canal aux fréquences pilotes est un problème critique dans la conception d'un système OFDM, et est basée sur l'un des algorithmes suivants : LS, LS modifié, LMMSE, LMMSE modifié et ML. Quant à l'interpolation de canal, elle est faite en utilisant l'interpolation linéaire, l'interpolation du second ordre, l'interpolation passe-bas, ou l'interpolation par splincs cubiques. Nous avons comparé les performances des divers algorithmes d'estimation en mesurant le taux d'erreur par bit (TEB) et l'erreur quadratique moyenne (EQM), dans un système utilisant les modulations M-QAM traversant un canal à évanouissements par trajets multiples de Rayleigh

L'augmentation du trafic de données met énormément de pression sur les systèmes de communications par fibre optique qui doivent répondre à la demande tout en maintenant les coûts d'opération et la consommation énergétique les plus faibles possibles. Pour palier à ce problème, une solution intéressante consiste à utiliser des interconnections optiques reconfigurables ne nécessitant peu ou pas de conversion électro-optique intermédiaire, notamment dans les centres de données. On parle ici de transparence dans les réseaux optiques. Pour concevoir ces dispositifs photoniques, la plateforme intégrée silicon-on-insulator (SOI) est très prometteuse. En effet, elle offre la possibilité de concevoir des composants intégrés qui sont compacts, polyvalents, évolutifs et sophistiqués, le tout en réduisant les coûts de production. Ce mémoire porte sur l'étude, sur la conception et sur la fabrication de filtres à micro-cavités en anneau d'ordre élevé sur SOI et à leur utilisation dans des systèmes de multiplexage en longueur d'onde reconfigurables, transparents et insensibles à la polarisation. L'objectif de ce travail est plus particulièrement d'adresser le défi complexe qui consiste à développer un système de ce type, possédant toutes les caractéristiques visées par les équipements qui sont déployés à grande échelle. La première partie de ce travail a comme objectif de présenter les systèmes de communications optiques et le problème qui est adressé dans son contexte. C'est aussi à ce moment que sera introduite en détails la plateforme SOI qui offre des outils pour répondre au problème. Ensuite, en seconde partie, il sera question des filtres à micro-cavité en anneau et des méthodes de design permettant de les modéliser afin de les intégrer dans des systèmes complexes. Ces filtres sont cependant très sensibles au processus de fabrication et il est donc nécessaire de présenter un méthodologie permettant de corriger leur réponse en post-fabrication, chose qui sera faite en troisième partie. Enfin, la dernière section de ce travail de recherche porte sur l'intégration des concepts développés dans les sections précédentes afin de bâtir un système complet de multiplexage en longueur d'onde reconfigurable, transparent et insensible en polarisation. Enfin, même s'il reste beaucoup de travail d'analyse et de conception devant nous, cette recherche montre de manière non-exhaustive les avantages et les limitations fondamentales que peuvent avoir les filtres à micro-résonateurs en anneau implémentés dans les réseaux transparents reconfigurables. / Increase in data traffic puts a lot of pressure on optical communication systems which must provide for its users while maintaining operation costs and energy consumption as low as possible. A solution to overcome those problems consists in using reconfigurable optical inter-connects which do not require any electro-optical conversion, especially in data centers. This is known as optical network transparency. In order to build the optical components required to implement optical network transparency, the silicon-on-insulator (SOI) platform provides very promising solutions. It offers the possibility to design highly-scalable integrated devices with a small footprint and low fabrication costs. This memoir aims to study the design and fabrication of high-order microring resonator filters on the SOI platform and their usage in reconfigurable, transparent and polarization insensitive wavelength division multiplexing (WDM) optical communications systems. The main goal of this work is to address the complex challenges of designing such components for widespread usage, having all the specifications that are required for their implementation. In the first part of this work, optical communications systems and the problem that will be addressed will be discussed in its context. At this point, the silicon-on-insulator platform which offers helpful tools for responding to the issue will be introduced. Then, in the second part, high-order microring filters will be introduced as a solution and their principles and applications will be discussed. Those filters are unfortunately very sensitive to the fabrication process and it is thus necessary to discuss the methodology required in order to mitigate those effects at the post-fabrication level. This methodology will be discussed in the third part of this work. Then, in the final part of this memoir, all the concepts previously introduced will be consolidated in order to build a complete reconfigurable and transparent WDM system that is insensitive to polarization. There is still a lot of work ahead of us and even though this research is not exhaustive, it shows the advantages as well as fundamental limitations of high-order microring filters when implemented in transparent and reconfigurable optical networks.

Le multiplexage généralisé par répartition en fréquence (GFDM), une méthode de traitement par blocs de modulation multiporteuses non orthogonales, est une candidate prometteuse pour les technologies de forme d'onde pour les systèmes sans fil au-delà de la cinquième génération (5G). La capacité du GFDM à ajuster de manière flexible la taille du bloc et le type de filtres de mise en forme des impulsions en fait une méthode appropriée pour répondre à plusieurs exigences importantes, comme une faible latence, un faible rayonnement hors bande (OOB) et des débits de données élevés. En appliquant aux systèmes GFDM la technique des systèmes à entrées multiples et sorties multiples (MIMO), la technique de MIMO massif ou des codes de contrôle de parité à faible densité (LDPC), il est possible d'améliorer leurs performances. Par conséquent, l'étude de ces systèmes combinés sont d'une grande importance théorique et pratique. Dans cette thèse, nous étudions les systèmes de communication sans fil basés sur le GFDM en considérant trois aspects. Tout d'abord, nous dérivons une borne d'union sur le taux d'erreur sur les bits (BER) pour les systèmes MIMO-GFDM, technique qui est basée sur des probabilités d'erreur par paires exactes (PEP). La PEP exacte est calculée en utilisant la fonction génératrice de moments(MGF) pour les détecteurs à maximum de vraisemblance (ML). La corrélation spatiale entre les antennes et les erreurs d'estimation de canal sont prises en compte dans l'environnement de canal étudié. Deuxièmement, les estimateurs et les précodeurs de canal de faible complexité basés sur une expansion polynomiale sont proposés pour les systèmes MIMO-GFDM massifs. Des pilotes sans interférence sont utilisés pour l'estimation du canal basée sur l'erreur quadratique moyenne minimale(MMSE) pour lutter contre l'influence de la non-orthogonalité entre les sous-porteuses dans le GFDM. La complexité de calcul cubique peut être réduite à une complexité d'ordre au carré en utilisant la technique d'expansion polynomiale pour approximer les inverses de matrices dans l'estimation MMSE conventionnelle et le précodage. De plus, nous calculons les limites de performance en termes d'erreur quadratique moyenne (MSE) pour les estimateurs proposés, ce qui peut être un outil utile pour prédire la performance des estimateurs dans la région de Eₛ/N₀ élevé. Une borne inférieure de Cramér-Rao(CRLB) est dérivée pour notre modèle de système et agit comme une référence pour les estimateurs. La complexité de calcul des estimateurs de canal proposés et des précodeurs et les impacts du degré du polynôme sont également étudiés. Enfin, nous analysons les performances de la probabilité d'erreur des systèmes GFDM combinés aux codes LDPC. Nous dérivons d'abord les expressions du ratio de vraisemblance logarithmique (LLR) initiale qui sont utilisées dans le décodeur de l'algorithme de somme de produits (SPA). Ensuite, basé sur le seuil de décodage, nous estimons le taux d'erreur de trame (FER) dans la région de bas E[indice b]/N₀ en utilisant le BER observé pour modéliser les variations du canal. De plus, une borne inférieure du FER du système est également proposée basée sur des ensembles absorbants. Cette borne inférieure peut agir comme une estimation du FER dans la région de E[indice b]/N₀ élevé si l'ensemble absorbant utilisé est dominant et que sa multiplicité est connue. La quantification a également un impact important sur les performances du FER et du BER. Des codes LDPC basés sur un tableau et construit aléatoirement sont utilisés pour supporter les analyses de performances. Pour ces trois aspects, des simulations et des calculs informatiques sont effectués pour obtenir des résultats numériques connexes, qui vérifient les méthodes proposées. / $8 372162\u $a Generalized frequency division multiplexing (GFDM) is a block-processing based non-orthogonal multi-carrier modulation scheme, which is a promising candidate waveform technology for beyond fifth-generation (5G) wireless systems. The ability of GFDM to flexibly adjust the block size and the type of pulse-shaping filters makes it a suitable scheme to meet several important requirements, such as low latency, low out-of-band (OOB) radiation and high data rates. Applying the multiple-input multiple-output (MIMO) technique, the massive MIMO technique, or low-density parity-check (LDPC) codes to GFDM systems can further improve the systems performance. Therefore, the investigation of such combined systems is of great theoretical and practical importance. This thesis investigates GFDM-based wireless communication systems from the following three aspects. First, we derive a union bound on the bit error rate (BER) for MIMO-GFDM systems, which is based on exact pairwise error probabilities (PEPs). The exact PEP is calculated using the moment-generating function (MGF) for maximum likelihood (ML) detectors. Both the spatial correlation between antennas and the channel estimation errors are considered in the investigated channel environment. Second, polynomial expansion-based low-complexity channel estimators and precoders are proposed for massive MIMO-GFDM systems. Interference-free pilots are used in the minimum mean square error (MMSE) channel estimation to combat the influence of non-orthogonality between subcarriers in GFDM. The cubic computational complexity can be reduced to square order by using the polynomial expansion technique to approximate the matrix inverses in the conventional MMSE estimation and precoding. In addition, we derive performance limits in terms of the mean square error (MSE) for the proposed estimators, which can be a useful tool to predict estimators performance in the high Eₛ/N₀ region. A Cramér-Rao lower bound (CRLB) is derived for our system model and acts as a benchmark for the estimators. The computational complexity of the proposed channel estimators and precoders, and the impacts of the polynomial degree are also investigated. Finally, we analyze the error probability performance of LDPC coded GFDM systems. We first derive the initial log-likelihood ratio (LLR) expressions that are used in the sum-product algorithm (SPA) decoder. Then, based on the decoding threshold, we estimate the frame error rate (FER) in the low E[subscript b]/N₀ region by using the observed BER to model the channel variations. In addition, a lower bound on the FER of the system is also proposed based on absorbing sets. This lower bound can act as an estimate of the FER in the high E[subscript b]/N₀ region if the absorbing set used is dominant and its multiplicity is known. The quantization scheme also has an important impact on the FER and BER performances. Randomly constructed and array-based LDPC codes are used to support the performance analyses. For all these three aspects, software-based simulations and calculations are carried out to obtain related numerical results, which verify our proposed methods.

Ces dernières années, le volume de trafic à l'intérieur des centres de données a considérablement augmenté. Par conséquent, nous avons besoin de solutions évolutives et efficaces appropriées à l'infrastructure de centre de données. Le multiplexage par division de mode (MDM) est un excellent candidat pour augmenter la capacité des liaisons optiques. Dans cette thèse, nous examinons les fibres à noyau annulaire (RCF) qui permettent la propagation des modes de moment angulaire orbital (OAM) pour le multiplexage. Nous montrons les avantages de l'utilisation des modes OAM par rapport aux autres solutions de multiplexage de mode. Dans notre première contribution, nous avons introduit un modèle numérique pour trouver les coefficients de couplage entre les modes OAM à cause de la déformation elliptique dans la fibre. Notre modèle prédit des observations expérimentales qui ne peuvent pas être observées avec les modèles de perturbation classiques. Nous avons utilisé le modèle pour comparer les performances de différentes conceptions de fibres. Dans la deuxième contribution, nous avons fabriqué une conception de fibre qui a été identifiée comme ayant un faible couplage à l'aide de notre modèle numérique. Nous avons caractérisé expérimentalement la perte dépendante du mode de la fibre. Nous minimisons la destruction des fibres lors de la caractérisation des pertes en fonction du mode en utilisant quatre longueurs de fibres fixes et examinons chaque mode de manière itérative. Nous avons utilisé un récepteur reprogrammable pour valider la pureté de l'excitation modale. Nous avons maximisé la pureté du mode lancé en optimisant la largeur et le diamètre du faisceau en espace libre à l'aide de la technique d'excitation du faisceau vortex parfait. Nous discutons de plusieurs défis auxquels nous avons été confrontés et démontrons les avantages de notre technique par rapport à d'autres techniques. La perte de notre fibre est acceptable pour les liaisons intra-centre de données. Dans notre troisième contribution, nous avons examiné les performances de transmission de données dans notre fibre. Nous avons comparé les performances de réception sans traitement MIMO (multiple-input multiple-output) (ni optique ni électronique) et la réception avec 2×2 MIMO. Les deux schémas de réception surpassent les schémas habituels étant donné la complexité du MIMO 4×4 et l'impraticabilité du MIMO optique. Nous discutons le hardware requis au démultiplexeur pour réaliser le MIMO 2×2. Nous démontrons huit transmissions de canaux de données sur 600 m et 1.3 km de RCF sur la bande C. Dans la dernière contribution, nous avons examiné la transmission des modes OAM et du multiplexage en longueur d'onde (WDM) pour augmenter la capacité de liaison optique dans les centres de données. Nous avons transmis avec succès des données sur douze modes OAM et trois longueurs d'onde simultanément dans la fibre. Nous avons examiné les performances lors du balayage de trois canaux WDM sur la bande C étendue, atteignant le débit binaire net le plus élevé enregistré pour la transmission OAM, soit 65,5 Tb/s. / In recent years, traffic volume inside data centers has increased significantly. As a result, we need scalable and efficient solutions appropriate for a data center infrastructure. Mode division multiplexing (MDM) is an excellent candidate to increase the capacity of such optical links. In this thesis, we examine ring-core fibers (RCFs) that support the propagation of orbital angular momentum (OAM) modes for multiplexing. We show the advantages of using OAM modes compared to other mode multiplexing solutions. In our first contribution, we introduced a numerical model to find coupling coefficients between OAM modes due to elliptical deformation in the fiber. Our model predicts experimental observations which cannot be seen with the classical perturbation models. We used the model to compare the performance of various fiber designs. In the second contribution, we fabricated a fiber design found to have low coupling using our numerical model. We characterized the mode-dependent loss (MDL) of the fiber experimentally. We minimize fiber destruction during MDL characterization with four fixed fiber lengths, probing each mode in a round-robin fashion. We used a re-programmable receiver to validate the purity of the modal excitation. We maximized launched mode purity and coupling by optimizing the free-space beam width and diameter using the perfect vortex excitation technique. We discuss several challenges we confronted, and demonstrate the advantages of our MDL technique over other techniques. Our fiber loss is acceptable for intra-data center links. In our third contribution, we examined data transmission performance in our fiber. We compared reception performance without multiple-input multiple-output (MIMO) processing (neither optical nor electronic) and reception with 2×2 MIMO. The two reception schemes overcome the complexity of 4×4 MIMO and the impracticality of optical MIMO. We discuss the hardware required at the demultiplexer to achieve the 2×2 MIMO. We demonstrate eight data channel transmissions over 600 m and 1.3 km of RCF across the C-band. In the last contribution, We examined the transmission of OAM modes and wavelength-division multiplexing (WDM) channels to increase the optical link capacity in data centers. We successfully transmitted data on twelve OAM modes and three wavelengths simultaneously in the fiber. We examined the performance when sweeping three WDM channels across the extended C-band, achieving the highest recorded net bit rate for OAM transmission, 65.5 Tb/s.

Ce travail de thèse porte sur la conception d’un « laboratoire-sur-fibre » original dédié à l’analyse moléculaire à distance, sans marquage et in vivo compatible dans l’avenir avec les examens endoscopiques et dédié à l’assistance aux diagnostiques. Notre approche est basée sur l’utilisation de faisceaux de fibres microstructurés. Lorsqu’ils sont correctement conçus et recouverts d’une couche d’or, ces assemblages de fibres présentent des propriétés plasmoniques intéressantes. Dans un premier temps, le modèle numérique utilisé pour atteindre une meilleure compréhension des phénomènes physiques impliqués dans l’optimisation de la sensibilité des capteurs est expliqué. Les simulations, basées sur l’optique géométrique, ont été utilisées pour optimiser la géométrie des pointes et l’épaisseur de la couche d’or dans le but d’améliorer les performances analytiques et permettre ainsi des détections d’interactions biochimiques. Le processus de fabrication des capteurs est ensuite expliqué depuis leur structuration par gravure chimique effectuée à l’ISM (Bordeaux) jusqu’à leur métallisation réalisée au CEA Grenoble. Une comparaison entre les comportements théoriques et expérimentaux et alors menée pour comprendre l’influence de l’hétérogénéité du dépôt d’or et des surfaces gravées sur la sensibilité optique. Ces propriétés optiques sont ensuite exploitées jusqu’à la preuve de concept d’analyses biochimiques déportées. Cette étape a été réalisée en deux temps : d’abord la sensibilité à l’indice local a été démontrée en détectant l’adsorption d’une couche organique auto-assemblée et ensuite un suivi de l’interaction spécifique entre deux brins d’ADN complémentaires a été effectué. Le manuscrit s’achève par une analyse des aspects plus complexes liés à la nature peu multimodale des fibres présentes dans le faisceau. La théorie des guides d’ondes est alors utilisée pour expliquer l’influence du caractère modal de la propagation de la lumière sur les réponses des fibres optiques. / This Ph.D. thesis focuses on the design of an original “lab-on-fiber” tool for remote, label-free in vivo molecular analysis that could be dedicated in the future to endoscopic diagnosis. Our approach is based on functionalized microstructured optical fiber bundles. When appropriately designed and covered by a gold layer, those fibers exhibit interesting plasmonic properties. First, the numerical model used to reach a better understanding of the physical phenomena involved in the optimization of the sensor’s sensitivity is explained. The simulations based on ray optics were then used to optimize the fiber tip geometry and gold coating thickness to enhance the analytical performances and ultimately allow biochemical detections. The fabrication process of the sensor is then explained going from the chemical etching done by the ISM team (Bordeaux) to the metallization of the tips performed at the CEA Grenoble. A comparison between theoretical and experimental behaviors is then conducted to assess the influence of the heterogeneity of both the gold deposit and the etched surfaces on the optical sensitivity. Afterwards, we take advantage of those optical properties to perform remote biochemical analysis. This was achieved in two steps: we first proved that our sensor was sensitive to local optical index variations by detecting the adsorption of a thin self-assembled organic layer and ultimately a specific interaction between two complementary DNA strands was monitored. The last part of this work tackles the more difficult aspects of the few-modes fibers composing the bundle. Waveguide theory is then used to explain the influence of the modal characteristics of light propagation on the optical fibers responses.

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L'amélioration des biopuces et de leurs lecteurs est un enjeu crucial dans l'industrie actuelle qui réclame des méthodes d'analyses moléculaires plus sensibles et moins onéreuses. Dans ce but, plusieurs points doivent être revus : sensibilité du lecteur, densité des puces, marquage en fluorescence des biomolécules. Nous avons mis en place et développé différentes techniques de dépôt de molécules basées sur la lithographie douce ainsi qu'une technique de détection d'interaction biologique par diffraction afin de créer une plateforme biopuce complète, sans marquage et à bas coût. A travers ce mémoire de thèse, la structuration de diverses molécules à l'échelle nanométrique sur un substrat sera étudiée : structuration de dendrimères, de polymères à empreintes moléculaires (MIP), d'ADN. Nous verrons des techniques pour structurer des couches à l'échelle nanométrique par lithographie douce, mais sans avoir recours préalablement à la lithographie électronique pour créer les moules. De même, nous étudierons le " macrotimbre " qui permet le dépôt de plusieurs molécules différentes en une seule étape (multiplexage) par lithographie douce. Une technique de détection par diffraction de la lumière sera développée afin de passer outre l'étape de marquage qui porte le risque d'endommager la molécule et donc de dénaturer ses fonctions. Ce travail se place dans le cadre d'un projet de développement industriel en partenariat avec la société INNOPSYS et dont l'objectif est de démocratiser l'analyse biopuce en une solution financièrement accessible aux hôpitaux et aux laboratoires d'analyses et non plus seulement aux seuls organismes de recherche.

L'objectif de ce travail est d'étudier la possibilité d'étendre les formats de modulation utilisés actuellement en télécommunications optiques par solitons. Face aux techniques classiques de modulation d'intensité, multiplexage temporel, et multiplexage en longueur d'onde, largement répandues dans de tels systèmes, nous avons réalisé un démonstrateur basé sur les retards optiques et la modulation de phase différentielle. Cette modulation s'apparente à un codage cohérent, c'est à dire que l'information est codée dans la phase optique des solitons transmis. De plus, l'utilisation de retards optiques nous fournit un moyen naturel de multiplexage / démultiplexage tout optique. Cette technique nous a permis d'explorer les effets propres à la phase dans la propagation de solitons sur une liaison amplifiée. Nous avons donc réalisé une source soliton basée sur la commutation de gain d'un laser semiconducteur et la compression linéaire au moyen d'un réseau de Bragg chirpé photoinscrit. Afin d'évaluer les performances du système proposé, nous avons ensuite étudié la stabilité de la phase d'un soliton face au bruit des amplificateurs optiques de manière théorique. L'expression analytique obtenue a été validée par des simulations numériques basées sur la méthode split-step Fourier. Cette étude nous a permis de mettre en évidence l'effet bénéfique du filtrage en ligne sur la stabilité de la phase. Enfin, nous avons réalisé un démonstrateur mettant en pratique le format de modulation proposé. Celui-ci comporte un unique dispositif pour simuler le codeur et le décodeur, et la propagation sur de longues distances est étudiée grâce à une boucle de recirculation. La gigue de phase mesurée correspond assez bien aux estimations théoriques.