Afin de répondre à la demande croissante de nouveaux services, les objets que nous utilisons au quotidien (les smartphones, les voitures, les avions, etc.) tendent à intégrer de plus en plus de systèmes radio tandis que l’espace disponible pour l’intégration de ces éléments est de plus en plus réduit. Ces systèmes radio nécessitent l’utilisation de plusieurs antennes devant répondre à des critères de compacité, d’isolation, de coût, etc. À titre d’illustration, un smartphone contient plusieurs antennes pour assurer des fonctions telles que la téléphonie, la navigation, la connexion à internet par WiFi, les liaisons Bluetooth, la technologie NFC (Near-Field Communications) et ce nombre tend à s’accroitre considérablement avec l’émergence de nouveaux services. Le même phénomène se retrouve également au niveau des plateformes aéroportées où des fonctions telles que la communication, la navigation, le radar, etc. sont utilisées. Cela conduit donc à la nécessité de réduire le nombre d’antennes en regroupant par exemple plusieurs fonctions au sein d’une même et unique antenne. Dans de précédents travaux de recherches, J. Euzière a démontré la possibilité de combiner une fonction radar et une seconde fonction (ici de communication) en utilisant un réseau de 16 monopoles initialement dédié au seul radar, grâce au Time Modulated Array (TMA). De cette façon, les deux fonctions utilisaient la même fréquence et étaient alimentées par une seule source. L’objectif principal de cette thèse est de proposer une solution d’antenne multifonction pour radar et communication encore plus compacte (constituée d’une seule antenne). L’idée est de partir d’une solution antennaire déjà existante et d’y apporter les modifications nécessaires à l’ajout d’une seconde fonction, sans pour autant augmenter la surface de l’antenne ni la complexité du système. / In order to respond to the increasingly demand of new services, the objects we use on a daily basis (such as mobile phones, cars, airplanes etc.), tend to integrate more and more radio systems while the space available is limited. These radio systems require the use of many antennas that must meet multiple requirements such as compactness, isolation, costs, etc. A smart-phone, for example, contains several antennas for global navigation satellite system (GNSS), WiFi, TV, FM radio, Bluetooth, near-field communications (NFC) and the number is expected to increase as new systems are added. Another example is in airborne platforms where multiple functions such as communication, navigation, radar, electronic warfare are used. This leads to the need of reducing the number of associated antennas by regrouping several radio functions into a single antenna. However, combining the functionality of several antennas into one shared radiating element while maintaining the functionality of the various radio systems presents a great challenge. During its Ph.D, J. Euzière demonstrated the possibility to combine a radar function and a secondary function from a 16-monopole array originally dedicated to radar operation by using Time Modulated Array (TMA) technique. By this way, the two functions were operating at the same frequency and the system was powered by a single source.The main objective of this thesis is to propose a more compact antenna (a single antenna) dedicated to radar and communication operations instead of using antenna array as J. Euzière did it. The idea is to start from an existing antenna solution and make the necessary modifications to add a second function without adding additional surface and complexity. As we are interested in radar applications, we will choose a directive antenna: a horn antenna. The goal is then to study the possibility to modify the radiation pattern of the horn antenna through controllable elements (slots) and to transmit a direct modulated signal at the antenna level for the communication function. Furthermore, polarization diversity is an attractive way to increase the isolation between two applications. Thus, this aspect will be taken into account in the design of the antenna solution.

La photonique silicium est un domaine de recherche en plein expansion, visant à intégrer la photonique avec la microélectronique. Cette technologie est envisagée pour l’obtention de solutions bas-coûts dans le domaine des télécommunications optiques grâce à l'intégration de l'optique avec l’électronique de commande des composants. La réalisation d'un lien optique rapide pour transporter une information à haut débit nécessite le développement de blocs de base performants et compatibles avec la technologie CMOS. Dans ce contexte, les travaux menés durant ma thèse ont porté plus spécifiquement sur le modulateur optique en silicium, pour les applications haut débit, de 10 à 40 Gbit/s. Les résultats présentés portent notamment sur la conception, l’optimisation, la fabrication et la caractérisation de ce composant. Le modulateur est basé sur un effet électroréfractif obtenu par déplétion des porteurs dans des structures de type PN et PIPIN pour obtenir une variation de phase de l’onde optique. La modulation d’intensité est ensuite obtenue par intégration de la région active dans un interféromètre Mach Zehnder ou un résonateur en anneau. Des simulations électriques, optiques et radiofréquences ont été menées sur les différents éléments du composant, afin de concevoir un dispositif pour les applications FTTH (Fiber To The Home), fonctionnant à 1,27 µm. Parmi les points clefs de ces études on peut noter l’optimisation des électrodes RF coplanaires réalisée grâce au développement d’un modèle électro-optique prenant en compte la propagation des ondes électriques et optiques dans la région active. Un procédé technologique compatible avec la filière CMOS a ensuite été mis en place et les masques nécessaires à la fabrication ont pu être dessinés en considérant les tolérances de fabrication et paramètres critiques. Enfin un grand nombre de résultats expérimentaux ont pu être obtenus, sur des composants conçus à l’IEF et fabriqués au CEA-LETI. On peut notamment retenir un modulateur Mach Zehnder fonctionnant à 40 Gbit/s utilisant une diode « PIPIN » pour réaliser la variation d’indice, et présentant un taux d'extinction de 7.5 dB pour des pertes de seulement 6 dB. Les futures optimisations des modulateurs, silicium visent à les intégrer avec l’électronique de commande, et à aller vers des formats de modulation plus complexes mais aussi plus performants que la modulation d’intensité sur 2 niveaux considérée jusqu’à présent. / Silicon photonics is a research field in full expansion that works towards the integration of photonics and microelectronic components in a single chip. The creation of a broadband optical link that is able to carry high-speed information requires the development of efficient building blocks compatible with CMOS technology. The work carried out during my Ph.D. focused specifically on silicon optical modulators for high-speed applications from 10 to 40 Gbit/s. The work presented includes design, optimization, fabrication and characterization of the complete device. The modulator is based on the electro-refractive effect obtained by depletion of carriers in PN and PIPIN diodes to obtain a phase change of the optical mode. Intensity modulation is obtained by integration of the active region in a Mach-Zehnder interferometer or a ring resonator. Electrical, optical and radio frequency simulations were conducted on the various elements of the modulator to design a device for FTTH (Fiber To The Home) applications operating at 127 µm. Additional studies included the design of RF coplanar waveguide electrodes optimized through the development of an electro-optical model that takes into account the propagation of the electrical and optical waves in the active region. Compatible CMOS processes were proposed, and the necessary masks for fabrication were designed considering fabrication tolerances and critical parameters. Finally, various experimental results were obtained on components designed at IEF and fabricated at CEA-LETI. We can specially mention a Mach Zehnder modulator operating at 40 Gbit/s that uses a PIPIN diode to obtain an index variation, and having an extinction ratio of 7.5 dB and losses of only 6 dB. The goal of future optimizations of silicon modulator is to integrate these devices with the RF driver, and to move towards more complex and efficient modulation formats than the two-level intensity modulation seen so far.

Abstract not available

Quadrature amplitude modulation (QAM) is a highly bandwidth efficient transmission technique for digital communications. It makes use of multiple signal phase and amplitude levels to carry multiple bits per symbol. This requires accurate and robust carrier phase and frequency estimation in the receiver. / Thesis (PhDElectronicEngineering)--University of South Australia, 2002

Récemment, nombres d'alternatives à la traditionnelle modulation d'intensité ont été proposées dans le contexte des télécommunications optiques. Les systèmes dits cohérents, utilisant la phase de l'onde optique, présentent de nombreux avantages : meilleure sensibilité, resistance à divers effets non-linéaires. Ils montrent néanmoins un comportement différent vis à vis du bruit accumulé lors de la propagation. L'effet Kerr dans la fibre induit un bruit de phase non-linéaire qui limite les performances de ces systèmes.<br />Dans une première partie, l'estimation rapide, analytique ou semi-analytique, de ces fluctuations est proposée dans deux contextes différents. Les résultats alors obtenus par application de la méthode des moments et de la théorie des perturbations sont validés par des simulations numériques de la propagation. Nous menons également une étude expérimentale de l'influence de la carte de dispersion sur le bruit de phase.<br />Dans une deuxième partie, nous proposons et étudions un format de modulation basé sur la modulation de phase différentielle continue, dans le but d'améliorer l'efficacité spectrale. Ce format est obtenu en modulant la phase optique par un signal à trois niveaux de type duobinaire. Ses performances sont comparées à celles des formats standards au débit de 10 Gbit/s lors d'une expérience utilisant une boucle à recirculation.

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.

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.

Dans le cadre de cette thèse nous nous intéressons à la liaison d'un terminal utilisateur vers un satellite géostationnaire pour les futurs systèmes d'applications multimédia en bande Ka. Le but est de concevoir une forme d'onde qui permet de s'adapter aux conditions de propagation. L'adaptation des performances en spectre et en puissance de la forme d'onde, notamment dans un contexte avec une forte fluctuation du niveau du signal, comme celui du canal satellite en bande Ka, permet à la fois d'augmenter la capacité et d'améliorer la disponibilité du système. Dans ces travaux, les formes d'onde basées sur les modulations CPM (Continuous Phase Modulation) ont été adoptées. L'enveloppe constante, les différents paramètres ayant un impact sur les performances de la forme d'onde, ainsi que les bonnes performances en puissance lors d'un processus de décodage itératif sont les principales motivations de notre choix. Concernant l'adaptativité nous montrons qu'une forme d'onde CPM basée sur la variation de l'indice de modulation (et éventuellement la réponse en fréquence) au sein d'une famille d'indices ayant un même dénominateur est une solution particulièrement attractive. Une telle solution ne nécessite pas une très grande complexité lors d'un passage d'un mode de transmission à un autre. Elle nécessite essentiellement le changement des coefficients des filtres adaptés. Cette technique permet aussi d'obtenir une marge de performance assez importante vu que l'indice de modulation est le paramètre qui affecte le plus les performances de la CPM. La CPM octale 2RC est un schéma particulièrement attractif d'un point de vue performance.

The wavelength-division multiplexing (WDM) is a well know technique capable of increasing the total capacity of a lightwave communication system; however, the system performance can be significantly limited by the dispersive and nonlinear effects, among others. This dissertation is mainly focused on the nonlinear effects upon the short-haul and long-haul lightwave systems.The short-haul lightwave system is mainly adopted in the access network. A passive optical access network is generally used to connect individual homes to a central office of a local area, and since there is no active component installed outside the central office of the passive optical access network, the system complexity and maintenance frequency can be significantly reduced. This dissertation provides a long-reach passive optical network (LR-PON) which can further reduce the system complexity and system cost. We found that four-wave mixing (FWM) and Rayleigh backscattering induced crosstalk were two main reasons to degrade the transmission performance in our proposed LR-PON. The long-haul lightwave system is mainly adopted in the transoceanic application. Although differential phase-shit keying (DPSK) modulation format has been confirmed to be suitable for long-haul WDM system, we found that a performance dip can be observed near the system zero dispersion avelength. In this dissertation, we designed various experiments to confirm the nonlinear effect to cause the performance dip being observed, and concluded that self-phase modulation (SPM) was the dominant reason to cause the performance dip rather than cross-phase modulation (XPM) or nonlinear phase noise.

A high efficiency driver circuit is proposed for Light Emitting Diode (LED) lamps with dimming feature. The current regulation is accomplished by processing partial power of the power conversion circuit so that a high overall efficiency can be realized. The detailed description and analysis of circuit operation are provided. The dimming feature can be accomplished by means of linear current regulation, pulse-width modulation (PWM) or double pulse-width modulation (DPWM). Based on the circuit analyses and derived equations, a laboratory circuit is designed for an LED lamp which is composed of 40 high-brightness white LEDs in series. The performances with three dimming schemes are compared from the measured results. LEDs dimmed by DPWM have less color shift than those dimmed by linear current regulation and PWM. On the other hand, the dimming scheme with linear current regulation has the highest light efficiency over the entire dimming range. The circuit efficiency can be as high as 95.5% at the rated output and deteriorates slightly to 90.5% as the lamp is dimmed to 10% of the rated power.