Twenty-odd years ago, scientists managed to produce several new techniques for manipulating certain properties of laser and microwave radiation. These new properties made it possible for the radiation to contain a lot more information than what was previously known. What they had discovered was that light could be twisted, thereby not only carrying polarization, also known as spin angular momentum (SAM) but also orbital angular momentum (OAM).Radar beams are used by scientists to probe the earth’s ionosphere. By measuring the echo of the radar waves one can deduce a lot of information, such as density and temperature of the plasma. In this thesis we will expand an existing program (iscatspb0.m) which computes the spectrum of plasma fluctuations as seen with an incoherent scatter radar, to having it incorporate radar beams carrying OAM, to see what new information of the plasma can be obtained.The three major findings in this thesis were what magnitude of the integer l is needed in order for the contribution of OAM to equal the contribution for the beam opening angle, how much the radar beam opening angle affected the measurements and in what way the spectrum obtained by a twisted beam is affected by different flows

Orbital Angular Momentum (OAM) modes promise an exciting future for communications due to the infinite number available and their orthogonal nature. However modern implementations of OAM mode communications utilize a multi-element approach to multiplexing. This multi-element approach wastes power and becomes increasingly complex and expensive as the number of modes in the system increases. This makes the multi-approach method not scalable. In this thesis we explore single element OAM multiplexing and de-multiplexing. A system utilizing single element multiplexer and de-multiplexer, was designed built and qualified. We have demonstrated that such a system can easily achieve a BER of less than 1% and is thusly feasible.

It is well known that light can carry two different kind of angular momentum that together form the total angular momentum of photons. These two forms are the spin orbital angular momentum, associated with the circular polarisation of light, and the orbital angular momentum of light associated with a wavefront tilted with respect to the propagation axis. Any tilted wavefront generates an orbital component of the angular momentum but there are some special cases in which this property becomes particularly interesting. It is the case of optical vortices which form when the waveform is continuously and uniformly tilted to the propagation axis forming a spiral structure.

Le domaine des télécommunications ferroviaires est en perpétuelle évolution, ses axes d’investigation sont principalement motivés par un besoin toujours grandissant en termes de débit de données, qualité de transmission et fiabilité de localisation, mais restent freinés par un environnement fréquentiel de plus en plus encombré. Dans ce contexte, la conception d’un système qui assure à la fois, les besoins de localisation, d’identification des obstacles, et de communication, semble primordiale. Aussi, la technologie ultra large bande s’avère très prometteuse comme technologie de base pour ce système. Dans ce travail de thèse, un système radar coopératif pour la localisation, la détection d’obstacles, l’identification d’obstacles et la communication basé sur la technologie ULB, est proposé. Dans ce cadre, différentes techniques de multiplexage basées sur le principe de plusieurs techniques de modulation et d’accès multiple telles que la PPM, l’OAM, la 2πM, et la DS-CDMA ont été développées. Ces techniques ont pour buts, de séparer les signaux de communication et les signaux de localisation, ainsi que d’augmenter le débit des transmissions de données en augmentant le nombre des paramètres véhiculant l’information à envoyer. Des études théoriques alliées à des simulations ont été réalisées, afin de les comparer en termes de taux d’erreur binaire et de débit. Les résultats théoriques et de simulations du système proposé ont été validés par des expérimentations menées dans un environnement réel. / Telecommunication in railway land is in perpetual evolution, its investigation axes are mainly motivated by a growing need in term of data rates, quality of transmission, accuracy and reliability of the localization, but it remains slowed by a frequentiel environment, which is increasingly crowded. In this context, the design of a system that ensure in same time, localization, obstacles recognition and communication, seems a very critical. In this thesis, to design such a sensor, we propose the use of so-called spectral diversity techniques also found under the name of Ultra Wideband radio (UWB). To separate localization signal and communication signal and to increase communication data rate, several multiplexing techniques based on the principle of multiple modulation techniques and multiple access such as PPM, the OAM, the 2πM, and DS-CDMA have been developed. Theoretical studies combined with simulations were performed to evaluate and compare these techniques in term of binary error rate and data rate communication. Theoretical results and simulations of the proposed system have been validated by experiments conducted in a real environment.

Le but de ce travail de thèse est l'étude et la réalisation de sources laser de haute cohérence à semi-conducteurs III-V basées sur la technologie Vertical-External-Cavity-Surface-Emitting-Laser (VeCSEL) à puits quantiques (matériaux InGaAs/GaAs/AlGaAs), émettant dans le proche-IR sur des modes transverses du type Laguerre Gauss (LG) et Hermite Gauss (HG) d'ordre supérieur. Ces modes ont des structures de phase, d'amplitude et de polarisation complexes qui leur vaut souvent l'appellation de 'lumière complexe' ou 'structurée'. Nous mettrons l'accent particulièrement sur les modes LG possédant un moment angulaire orbital, et sur une source contrôlant le spin du photon. Ce type de sources laser présente un grand intérêt pour le développement de systèmes ou capteurs optiques dans différents domaines, tels que les télécommunications, les pinces optiques, et le piégeage et le refroidissement d'atomes, ainsi que la métrologie optique.Nous sommes amenés à étudier les modes propres des cavités optiques de haute finesse. Nous décrivons ces modes suivant les trois "axes" définissant l'état de photon: distributions longitudinal (fréquentiel), transverse (spatial) et de polarisation. Pour chacun de ces trois axes nous étudions les ingrédients physiques qui régissent la formation des modes, et développons les outils théoriques nécessaires à la manipulation et le calcul des états propres dans des cavités modifiées.Dans une seconde étape, puisque la sélection de modes dans une cavité laser passe par l'interaction matière-rayonnement, nous nous penchons sur la dynamique de ces systèmes en écrivant les équations de Maxwell-Bloch pour notre laser. Ces équations nous permettent d'étudier le rôle de la dynamique temporelle dans la sélection des modes lasers et le chemin vers l'état stationnaire. Nous nous appuyons sur ces modèles pour expliquer certaines questions non/mal comprises, et qui mènent parfois à des interprétations erronées dans la littérature scientifique, notamment la sélection spontanée du sens de rotation du front de phase dans les modes vortex.Une partie de ce travail est consacré au développement et la caractérisation d'une technologie à semiconducteurs III-V, qui permet de sélectionner efficacement un mode laser donné, dans la base propre. Nous développons une approche basée sur des méta-matériaux intégrés à la structure de gain (le 1/2-VCSEL) et qui agit comme un masque de phase et d'amplitude. Nous nous appuyons sur cette technologie pour réaliser une cavité laser qui lève la dégénérescence des modes vortex contrarotatif et brise légèrement leur symétrie, ces deux étapes sont cruciales pour pourvoir sélectionner la charge et le signe du vortex généré et stabilisé. Afin de contrôler les modes de polarisation nous étudions les propriétés de polarisation de la cavité et du milieu à gain à puits quantique : la biréfringence, le dichroïsme, et le temps de spin flip dans les puits quantiques. Nous exploitons ces paramètres pour générer les états de polarisation désirés : linéaire stable, circulaire avec un moment angulaire de spin contrôlé par le spin de pompage. À la fin nous présentons la conception et la réalisation d'un capteur laser sous rétro-injection optique (self-mixing) pour la vélocimétrie linéaire et rotationnelle, en utilisant une source laser émettant sur un mode vortex. Ce capteur montre un exemple de mesure inaccessible avec un laser conventionnel. Il tire profit des propriétés uniques des modes vortex pour mesurer simultanément la vitesse linéaire et angulaire des particules. Nous finirons cette partie par l'étude d'un autre design de capteur laser possible pour la granulométrie, utilisant d'autres types de modes laser générés dans ce travail. / The goal of this PhD thesis is the study, design and the development of highly coherent III-V semiconductor laser sources based on multi-quantum wells (InGaAs/GaAs/AlGaAs) Vertical-External-Cavity-Surface-Emitting-Laser (VeCSEL), operating in the near infra-red (IR), and emitting high order Laguerre-Gauss (LG) and Hermite-Gauss (HG) modes. These modes, usually called ‘complex' or ‘structured' light, have a complex wavefronts, amplitudes and polarizations structures. We especially focus on lasers with modes carrying OAM, and also on sources with controlled photon's spin. These modes are of great interest for the development optical systems in several fields, such as telecommunications, optical tweezers, atom trapping and cooling, and sensing applications. We need to study the light eigenstates in high-finesse laser cavities, we describe these eigenstates with respect to the three axis of the light that define the photon state: longitudinal (frequency), transverse (spatial), and polarization. For each one of these axis, we study the physical ingredients governing mode formation, and develop the theoretical tools required for the calculation of the eigenmodes in non-conventional cavities.In a second step, as the mode selection in a laser involves light-matter interaction, we focus on dynamic study by writing the semi classical Maxwell-Bloch equations for our lasers. These equations allow us to study the role of temporal dynamics in laser mode selection, as well as the path the steady state. We use these theoretical models to explain some none /poorly understood questions, and which lead sometimes to erroneous interpretations in the scientific literature. We see in particular the question of the spontaneous selection of the wavefront handedness in vortex modes. We also address the development and the characterization of a III-V semiconductor based technology that enables us to efficiently select the wanted mode in the eigenbasis. We adopt an approach based on metamaterials integrated on the semiconductor gain structure (1/2- VCSEL) that play the role of a phase and amplitude mask. We use this technology to build a laser cavity that lifts the degeneracy and breaks the symmetry between vortex modes with opposite handedness. These two effects are of paramount importance when one wants to select a vortex mode with a well-defined charge and handedness. In order to control the polarization modes, we study the polarization properties of the optical cavity and the quantum-well based gain medium: the birefringence the dichroism, and the spin-flip time in the quantum wells. We make use of these elements to generate the wanted polarization states: stable linear, and circular carrying an angular momentum controlled via the pump spin. In the end, we present the design and building of a feedback laser sensor (self-mixing) for linear and rotational velocimetry, using a laser source emitting a vortex beam. This sensor shows an example of a measurement inaccessible using conventional laser sources. It takes advantage of the orbital angular momentum of the vortex beam to measure both translational and rotational velocities using the Doppler effect. We end this part by presenting other possible sensor designs for particle sizing, using other exotic modes generated in this work.

Cette thèse étudie la technique dite de ‘Retournement Temporel’ afin d’améliorer l’efficacité énergétique des futurs réseaux mobiles d’une part, et réduire le coût des futurs terminaux mobiles, d’autre part. Le retournement temporel consiste à utiliser l’inverse temporel de la réponse impulsionnelle du canal de propagation entre un émetteur et un récepteur pour préfiltrer l’émission d’un signal de données. Avantageusement, le signal ainsi préfiltré est reçu avec une puissance renforcée (c’est la focalisation spatiale) et un écho principal qui est renforcé par rapport aux échos secondaires (c’est la compression temporelle). Lors d’une étape préalable d’apprentissage, l’émetteur estime le canal en mesurant un signal pilote provenant du récepteur. La focalisation spatiotemporelle n’est obtenue qu’à condition que la propagation demeure identique entre la phase d’apprentissage et la phase de transmission de données : c’est la condition de ‘réciprocité du canal’. De nombreux travaux montrent que la focalisation spatiale permet de réduire la puissance émise nécessaire pour atteindre une puissance cible au récepteur d’une part, et que la compression temporelle permet de réduire la complexité du récepteur nécessaire pour gérer l’effet des échos multiples, d’autre part. Cependant, les études sur la réduction de la complexité du récepteur se limitent à l’ultra large bande. Des travaux de cette thèse (basés sur des simulations et des mesures expérimentales) montrent que pour des bandes de fréquences plus typiques des futurs réseaux mobiles (fréquence porteuse à 1GHz et spectre de 30 MHz à 100 MHz), grâce au retournement temporel, un récepteur simple et un signal monoporteuse suffisent pour atteindre de hauts débits. En outre, la condition de réciprocité du canal n’est pas vérifiée dans deux scénarios typiques des réseaux mobiles. Tout d’abord, dans la plupart des réseaux mobiles européens, le mode de duplex en fréquence est utilisé. Ce mode implique que l’émetteur et le récepteur communiquent l’un avec l’autre sur des fréquences porteuses distinctes, et donc à travers des canaux de propagations différents. De plus, lorsqu’on considère un récepteur sur un véhicule connecté en mouvement, l’émetteur et le récepteur communiquent l’un avec l’autre à des instants distincts, correspondants à des positions distinctes du véhicule, et donc à travers des canaux de propagations différents. Des travaux de cette thèse proposent des solutions pour obtenir la focalisation spatio-temporelle dans ces deux scenarios. Enfin, des travaux de la thèse explorent la combinaison du retournement temporel avec d’autres techniques de traitement de signal récentes (la modulation spatiale, d’une part, et une nouvelle forme d’onde multiporteuse, d’autre part), ou des scenarios de déploiement nouveaux (ondes millimétriques et très grands réseaux d’antennes pour inter-connecter les noeuds d’un réseau ultra dense) ou de nouvelles applications (guidage et navigation) envisageables pour les futurs réseaux mobiles. / This thesis studies the time reversal technique to improve the energy efficiency of future mobile networks and reduce the cost of future mobile devices. Time reversal technique consists in using the time inverse of the propagation channel impulse response (between a transceiver and a receiver) as a prefilter. Such pre-filtered signal is received with a stronger power (this is spatial focusing) and with a strong main echo, relatively to secondary echoes (this is time compression). During a previous learning phase, the transceiver estimates the channel by measuring the pilot signal emitted by the receiver. Space-time focusing is obtained only at the condition that the propagation remains identical between the learning phase and the data transmission phase: this is the ‘channel reciprocity’ condition. Numerous works show that spatial focusing allows for the reduction of the required transmit power for a given target received power, on the one hand, and that time compression allow for the reduction of the required complexity at the receiver side to handle multiple echoes, on the other hand. However, studies on complexity reduction are limited to ultra wideband. Some works of this thesis (based on simulations and experimental measurements) show that, for bands which are more typical for future networks (a carrier frequency of 1GHz and a spectrum of 30 MHz to 100 MHz), thanks to time reversal, a simple receiver and a mono-carrier signal are sufficient to reach high data rates. Moreover, the channel reciprocity condition is not verified in two scenarios which are typical from mobile networks. Firstly, in most European mobile networks, the frequency division duplex mode is used. This mode implies that the transceiver and the receiver communicate on distinct carriers, and therefore through different propagation channels. Secondly, when considering a receiver on a moving connected vehicle, the transceiver and the receiver communicate one with each other at distinct instants, corresponding to distinct positions of the vehicles, and therefore through different propagation channels. Some works of this thesis propose solutions to obtain space-time focusing for these two scenarios. Finally, some works of this thesis explore the combination of time reversal with other recent signal processing techniques (spatial modulation, on the one hand, a new multi-carrier waveform, on the other hand), or new deployment scenarios (millimeter waves and large antenna arrays to interconnect the nodes of an ultra dense network) or new applications (guidance and navigation) which can be envisaged for future mobile networks.

Two inverse problems are investigated in this dissertation, taking into account both the spatial and temporal aspects. The first problem addresses the under determined image reconstruction problem for dynamic SPECT. The quality of the reconstructed image is often limited due to having fewer observations than the number of voxels. The proposed algorithms make use of the generalized α-divergence function to improve the estimation performance. The first algorithm is based on an alternating minimization framework to minimize a regularized α-divergence objective function. We demonstrate that selecting an adaptive α policy depending on the time evolution of the voxels gives better performance than a fixed α assignment. The second algorithm is based on Newton's method. A regularized approach has been taken to avoid stability issues. Newton's method is generally computationally demanding due to the complexity associated with inverting the Hessian matrix. A fast Newton-based method is proposed using majorization-minimization techniques that diagonalize the Hessian matrix. In dynamically evolving systems, the prediction matrix plays an important role in the estimation process. An estimation technique is proposed to estimate the prediction matrix using the α-divergence function. The simulation results show that our algorithms provide better performance than the techniques based on the Kullback-Leibler distance. The second problem is the recovery of data transmitted over free-space optical communication channels using orbital angular momentum (OAM). In the presence of atmospheric turbulence, crosstalk occurs among OAM optical modes resulting in an error floor at a relatively high bit error rate. The modulation format considered for the underlying problem is Q-ary pulse position modulation (PPM). We propose and evaluate three joint detection strategies to overcome the OAM crosstalk problem: i) maximum likelihood sequence estimation (MLSE). ii) Q-PPM factor graph detection. iii) branch-and-bound detection. We compare the complexity and the bit-error-rate performance of these strategies in realistic scenarios.

Dans ce travail de thèse, nous proposons d'utiliser la technologie ULB pour établir un nouveau système de communication haut débit Radio Impulsionnelle (IR-ULB), basé sur un nouveau schéma de modulation nommé M-OAM (M-Orthogonal Amplitude Modulation) et les formes d'ondes orthogonales MGF (Modified Gegenbaeur Function). Ce système est dédié aux applications sans fil à courte portée, notamment les communications multimédia et le transport intelligent (ITS). Les modulations M-OAM proposées, sont évaluées sous le canal AWGN et les canaux ULB à trajets multiples à savoir IEEE.802.15.3a et IEEE.802.15.4a. Les résultats de simulation montrent que la performance du système proposé, en terme de taux d'erreur binaire (BER), est du même ordre que celle des modulations ULB traditionnelles. En outre, les modulations M-OAM offrent un très haut débit de données avec une faible complexité d'implémentation. En effet, la conception d'un tel système doit certes fournir un très haut débit mais aussi servir un grand nombre d'utilisateurs simultanément avec une bonne qualité de service. Dans cette optique, une nouvelle technique d'accès multiple DS-MGF-OAM est proposée. Ce système multi-utilisateur fait usage de la technique DS-ULB et l'orthogonalité des impulsions MGF pour permettre une communication efficace avec un nombre maximal d'utilisateurs. Néanmoins, l'effet de trajets multiples réduit la qualité de la transmission. Ainsi, la contribution de deux architectures de réception dans l'amélioration des performances est étudiée, à savoir le récepteur RAKE et l'égaliseur MMSE (Minimum Mean Square Error). Cette étude montre que le système de communication M-OAM offre de bonnes performances en terme de qualité de services (QoS). Après l'étape de simulation, les résultats expérimentaux des systèmes proposés dans les environnements réelles sont analysés et discutés. Dans la dernière partie de ce document, nous avons réalisé un prototype de traitement en temps réel sur une plateforme FPGA, offrant des temps de calcul à 3GHz grâce à des algorithmes parallélisables sur des architectures re-configurables. / In this thesis, we propose to use the UWB technology to establish a new communications system Impulse Radio (IR-UWB), based on a new modulation scheme called M-OAM (Orthogonal M-Amplitude Modulation) and orthogonal waveforms MGF (Modified Gegenbauer Function). This system is dedicated to the short-range wireless applications, especially multimedia communications and intelligent transportation (ITS). The proposed modulations M-OAM, are evaluated under the AWGN channel and UWB multipath channel namely IEEE.802.15.3a and IEEE.802.15.4a. Simulation results show that the performance of the proposed system in terms of bit error rate (BER) is the same as that of traditional UWB modulations. In addition, M-OAM modulations offer the highest data rate with low complexity of implementation. Indeed, the design of a such system should certainly provide a very high speed but also serve a large number of concurrent users with good quality of service. In this context, a new multiple access technique DS-MGF-OAM is proposed. This multi-user system makes use of the DS-UWB technology and orthogonal pulses MGF to enable effective communication with a maximum number of users. However, the multi-path effect reduces the quality of the transmission. Thus, the contribution of two receiver architectures in performance improvement is studied, namely the RAKE receiver and MMSE (Minimum Mean Square Error) equalizer. This study shows that the M-OAM communication system offers good performance in terms of quality of service (QoS). Following the simulation step, the experimental results of the proposed systems in real environments are analyzed and discussed. In the last part of this document, we performed a real-time protoptype on an FPGA platform, offering calculation time of 3GHz through parallelizable algorithms on reconfigurable architectures.

In the search for natural orbital angular momentum (OAM) effects, some of the first incoherent scatter experiments with twisted radar beams during aurora were conducted at Poker Flat Incoherent Scatter Radar (PFISR), Alaska, USA, in October 2012. Experimental data of scatter from beam configurations with opposite twists were investigated. By the use of hypothesis tests in combination with Monte Carlo simulations together with traditional estimations of the mean and confidence interval, asymmetries between scatter of radar beams with opposite twists were identified for an integration time of at least 30 minutes. Asymmetries were detected in the internal radar noise too, but not necessarily with the same signs as for the asymmetries from the ionospheric signals. The asymmetries identified could be due to amplified noise for signals coming from intense aurora or perhaps the rectangular-shaped antenna array used at PFISR. These two possible causes need to be ruled out before suggesting that the asymmetries identified are an outcome of OAM effects present in the ionosphere.

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