nÃo hà / Neste trabalho foi realizado um estudo numÃrico do interferÃmetro de Sagnac baseado em cristais fotÃnicos e de acoplador Ãptico de metamaterial. Na simulaÃÃo do interferÃmetro foram analisados os efeitos da propagaÃÃo da luz, considerando-se a dispersÃo de velocidade de grupo (GVD) e de terceira ordem (TOD), espalhamento Raman intrapulso, auto-inclinaÃÃo (Self-steepening) e auto-modulaÃÃo de fase na equaÃÃo nÃo linear de SchrÃdinger generalizada. No primeiro momento foi realizado o estudo para quatro fatores de razÃo de divisÃo da potÃncia incidente em uma das portas do dispositivo e trÃs dimensÃes para o comprimento do anel do dispositivo. Para caracterizar o desempenho do sistema, foram analisadas as curvas de transmissÃo, taxa de extinÃÃo, crosstalk e fator de compressÃo do pulso transmitido. No segundo momento, foi verificada a performance do chaveamento nÃo-linear para obtenÃÃo de porta lÃgica sob ModulaÃÃo por Amplitude de Pulsos (PAM). Excitando-se as duas portas de entrada do dispositivo com nÃveis lÃgicos "0" e "1", observando o seu comportamento em uma das saÃdas do dispositivo. Inicialmente, variou-se o parÃmetro de ajuste da modulaÃÃo (|ε|), obtendo-se apenas a porta lÃgica OR. E, em uma segunda aplicaÃÃo, manteve-se o parÃmetro da modulaÃÃo fixa e variou-se a fase de uma das portas de entrada, de 0 a 2π rad, encontrando-se portas lÃgicas do tipo OR, AND e XOR. TambÃm foram estudadas as caracterÃsticas de um guia metamaterial que possui a parte real da permissividade elÃtrica e da permeabilidade magnÃtica negativas. Esse guia metamaterial à acoplado com um guia convencional, observando-se as caracterÃsticas de transmissÃo e potÃncia crÃtica desse tipo de acoplador e, comparando-se com um acoplador convencional. Para essa anÃlise foi utilizado um perfil de automodulaÃÃo decrescente linearmente com cinco valores mÃnimo, observando-se um comportamento de histerese. / In this paper we present a numerical study of the Sagnac interferometer based on photonic crystals and optical coupler metamaterial. In the simulation of the interferometer effects of light propagation were analyzed, considering the dispersion of the group velocity (GVD) and third order (TOD), intrapulse Raman scattering, self-slope (self-steepening) and self-modulation phase in the generalized non-linear SchrÃdinger equation. The first time the study was conducted for four power division ratio of factors incident in one of the device ports and three dimensions for the device ring length. To characterize the system performance, were analyzed the transmission curves, extinction ratio, crosstalk and compression factor of the transmitted pulse. In the second moment, the performance of the non-linear switching was observed for obtaining gate under Pulse Amplitude Modulation (PAM). Exciting the two device input ports with logical levels "0" and "1", observing their behavior in one of the device outputs. Initially, the modulation is varied adjustment parameter (| ε |), obtaining only the logical OR gate. And in a second application, the fixed modulation parameter remained and was varied the phase of the input ports 0 to 2π rad, lying type logic gate OR, AND and XOR. The characteristics of a metamaterial guide that has the real part of electrical permittivity and magnetic permeability negatives were also studied. This metamaterial guide is coupled to a conventional guide, observing the transmission characteristics and critical power of this type of coupler and compared with a conventional coupler. For this analysis we used a decreasing automodulation profile linearly with five minimum, observing a hysteresis behavior.

Abstract In this thesis, novel data and channel estimation methods are proposed and analyzed for low-complexity short-range communication (SRC) radios. Low complexity is challenging to achieve especially in very wideband or millimeter-wave SRC radios where phase recovery and energy capture from numerous multipaths easily become a bottleneck for system design. A specific type of transceiver is selected using pulse amplitude modulation (PAM) at the transmitter and energy detection (ED) at the receiver, and it is thus called an ED-PAM system. Nonnegative PAM alphabets allow using an ED structure which enables a phase-unaware detection method for avoiding complicated phase recovery at the receiver. Moreover, the ED-PAM approach results in a simple multipath energy capture, and only one real decision variable, whose dimension is independent of the symbol alphabet size, is needed. In comparison with optimal phase-aware detection, the appealing simplicity of suboptimal ED-PAM systems is achieved at the cost of the need for a higher transmitted signal energy or shorter link distance for obtaining a sufficient signal-to-noise ratio (SNR) at the receiver, as ED-PAM systems are more vulnerable to the effects of noise and interference. On the other hand, the consequences of requiring a higher SNR may not be severe in the type of SRC scenarios where a sufficient received SNR is readily available due to a short link distance. Furthermore, significant interference can be avoided by signal design. However, what has slowed down the development of ED-PAM systems is that efficient symbol decision threshold estimation and related error probability analysis in multipath fading channels have remained as unsolved problems. Based on the above observations, this thesis contributes to the state-of-the-art of the design and analysis for ED-PAM systems as follows. Firstly, a closed-form near-optimal decision threshold selection method, which adapts to a time-varying channel gain and enables an arbitrary choice of the PAM alphabet size and an integer time-bandwidth product of the receiver filters, is proposed. Secondly, two blind estimation schemes of the parameters for the threshold estimation are introduced. Thirdly, analytical error probability evaluation in frequency-selective multipath fading channels is addressed. Special attention is given to lognormal fading channels, which are typically used to model very wideband SRC multipath channels. Finally, analytical error probability evaluation with nonideal parameter estimation is presented. The results can be used in designing low-complexity transceivers for very wideband and millimeter-wave wireless SRC devices of the future. / Tiivistelmä Tässä työssä esitetään ja analysoidaan uusia data- ja kanavaestimointimenetelmiä, joiden tavoitteena on yksinkertaistaa lähikommunikaatiota (short-range communication, SRC) langattomien laitteiden välillä. SRC-radioiden yksinkertainen toteutus on poikkeuksellisen haasteellista silloin, kun käytetään erittäin suurta kaistanleveyttä tai millimetriaaltoalueen tiedonsiirtoa. Tällöin vastaanottimen yksinkertaisen toteutuksen voivat estää esimerkiksi kantoaallon vaiheen estimointi ja signaalienergian kerääminen lukuisilta kanavan monitiekomponenteilta. Näistä lähtökohdista valitaan SRC-radion järjestelmämalliksi positiiviseen pulssiamplitudimodulaatioon (pulse amplitude modulation, PAM) perustuva lähetin ja energiailmaisimeen (energy detection, ED) perustuva vastaanotin. ED-PAM-järjestelmän ei tarvitse tietää vastaanotetun signaalin vaihetta ja signaalienergian kerääminen tapahtuu yksinkertaisen diversiteettiyhdistelytekniikan avulla. Lisäksi ilmaisuun tarvitaan vain yksi reaalinen päätösmuuttuja, jonka dimensio on riippumaton PAM-tasojen määrästä. ED-PAM-tekniikan yksinkertaisuutta optimaaliseen vaihetietoiseen ilmaisuun verrattuna ei saavuteta ilmaiseksi. Yhtenä rajoituksena on alioptimaalisen ED-PAM-tekniikan luontainen taipumus vahvistaa kohinan ja häiriöiden vaikutusta symbolin päätöksenteossa. Kohinan vahvistus ei välttämättä ole suuri ongelma niissä SRC-radioissa, joissa pienen linkkietäisyyden johdosta riittävä signaali-kohinasuhde vastaanottimessa voidaan kohinan vahvistuksesta huolimatta saavuttaa. Myös häiriöiden vahvistuksen vaikutusta voidaan tehokkaasti vähentää signaalisuunnittelulla. Joka tapauksessa ED-PAM-tekniikan käyttöönottoa on hidastanut tehokkaiden symbolipäätöskynnysten estimointi- ja analysointimenetelmien puuttuminen. Edellä mainitut havainnot ovat motivoineet löytämään uusia suunnittelu- ja analyysimenetelmiä ED-PAM-järjestelmille seuraavasti. Symbolipäätöskynnysten estimointiin johdetaan lähes optimaalinen suljetun muodon menetelmä, joka kykenee adaptoitumaan muuttuvassa kanavassa ja valitsemaan mielivaltaisen kokonaisluvun sekä PAM-tasojen määrälle että vastaanottimen aika-kaistanleveystulolle. Lisäksi esitetään kaksi sokeaa päätöskynnysten estimointimenetelmää, jotka eivät tarvitse redundanttista opetussignaalia. Työn toisessa osassa ED-PAM-järjestelmän symbolivirhesuhdetta analysoidaan taajuusselektiivisessä monitiekanavassa. Analyysissä keskitytään log-normaalijakauman mukaan häipyvään kanavaan. Seuraavaksi analyysia laajennetaan ottamalla mukaan epäideaalisten kynnysarvojen estimoinnin vaikutus. Saavutettuja tuloksia voidaan hyödyntää erittäin laajakaistaisten ja millimetriaaltoalueen SRC-laitteiden suunnittelussa.

Předložená dizertační práce se zabývá kombinací optických mikromanipulací s mikrospektroskopickými metodami. Využili jsme laserovou pinzetu pro transport a třídění živých mikroorganismů, například jednobuněčných řas, či kvasinek. Ramanovskou spektroskopií jsme analyzovali chemické složení jednotlivých buněk a tyto informace jsme využili k automatické selekci buněk s vybranými vlastnostmi. Zkombinovali jsme pulsní amplitudově modulovanou fluorescenční mikrospektroskopii, optické mikromanipulace a jiné techniky ke zmapování stresové odpovědi opticky zachycených buněk při různých časech působení, vlnových délkách a intenzitách chytacího laseru. Vyrobili jsme různé typy mikrofluidních čipů a zkonstruovali jsme Ramanovu pinzetu pro třídění mikro-objektů, především živých buněk, v mikrofluidním prostředí.

La révolution technologique majeure des nouveaux aéronefs repose sur une électrification intensive de nombreux constituants de l'appareil et le fait que la vitesse des génératrices électriques n'est plus fixe mais variable. Cette nouvelle manière de générer la puissance électrique engendre des variations de tension sur les réseaux DC. De plus, pour accroître la compacité des Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) à puissance donnée, on augmente autant que possible leur vitesse d'entrainement, en les associant pour certaines applications à des réducteurs mécaniques. La variation du niveau de tension du bus DC alimentant une MSAP haute vitesse implique son dimensionnement afin d'assurer sa contrôlabilité sur toute la plage de vitesse reportant d'importantes contraintes sur l'onduleur de tension. Pour pallier ce problème, une solution consiste à intercaler un convertisseur DC/DC entre le filtre d'entrée et l'onduleur de tension pour maintenir la tension DC d'entrée de l'onduleur à une valeur adaptée au fonctionnement de la MSAP et optimiser son dimensionnement. Cependant, cette solution augmente l'ordre du système, ce qui accroît la complexité de son contrôle, accentuée par les contraintes liées à la nature haute-fréquence des MSAP considérées.Les travaux menés dans cette thèse concernent l'étude, l'optimisation et le contrôle des structures d'alimentation des actionneurs haute vitesse connectés aux réseaux DC avioniques à tension variable. Il en résulte que pour les applications avioniques considérées, ces architectures d'alimentation intégrant un convertisseur DC/DC supplémentaire permettent de réduire sa masse et son volume sans dégrader le rendement global de la chaîne de conversion notamment avec les convertisseurs à source impédante qui permettent de supprimer structurellement les ondulations de courant en entrée du convertisseur. De plus, des stratégies de commande Pulse Amplitude Modulation employées avec des architectures de contrôle non-linéaires (platitude, passivité) permettent d'assurer le contrôle de ces MSAP haute-vitesse tout en assurant leur stabilité sur toute la plage de fonctionnement / The main technological revolution of the new aircrafts is based on intensive electrification of many components of the aircraft. Moreover, the speed of electrical generators is no longer fixed but variable. This new way of generating electrical power generates voltage variations on DC networks. Besides, to increase the compactness of the Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM) at a given power, their mechanical speed is increased as much as possible by combining them with mechanical reducers for certain applications. The variation of the voltage level of the DC bus supplying a high-speed PMSM implies its sizing in order to ensure its controllability over the entire speed range which carries significant stresses on the Voltage Source Inverter (VSI). To solve this problem, one solution consists in adding an extra DC / DC converter between the input filter and the VSI to maintain the inverter input voltage at a value adapted to the operating point of the PMSM and to optimize its dimensioning. However, this solution increases the order of the system, which increases the complexity of its control, accentuated by the constraints related to the high-frequency nature of the PMSMs considered. The work carried out in this thesis concerns the study, the optimization and the control of the power supply architecture of the high-speed actuators connected to variable-voltage avionic DC networks. As a result, for the avionics applications considered, these power supply architectures integrating an additional DC / DC converter make it possible to reduce the mass and the volume of the power supply structure without degrading the overall efficiency of the conversion chain, in particular by using the impedance-source converters which allow to cancel the DC input current ripples. In addition, Pulse Amplitude Modulation (PAM) control strategies used with non-linear control architectures (flatness, passivity) make it possible to control these high-speed PMSMs while ensuring their stability over the entire operating range

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de NÃvel Superior / Neste trabalho, foram investigadas as caracterÃsticas de operaÃÃo de um Acoplador Direcional NÃo-Linear(NLDC) Duplo SimÃtrico, trabalhando com pulsos de , em duas diferentes aplicaÃÃes: ObtenÃÃo de portas lÃgicas E e OU, sob ModulaÃÃo Por PosiÃÃo de Pulsos (PPM); obtenÃÃo de portas lÃgicas E e OU, sob ModulaÃÃo Por Amplitude de Pulsos (PAM). A investigaÃÃo à realizada, atravÃs de simulaÃÃes numÃricas, utilizando-se do mÃtodo de Runge Kutta de quarta ordem. Na primeira aplicaÃÃo, à analisada a possibilidade da realizaÃÃo de operaÃÃes lÃgicas pelo Acoplador Direcional NÃo-Linear (NLDC) Duplo SimÃtrico sem perda. Considerando a operaÃÃo das portas lÃgicas, foram utilizadas as quatro possÃveis combinaÃÃes para dois pulsos, nas fibras 1 e 2, modulados pela posiÃÃo temporal (PPM) nos nÃveis lÃgicos 0 ou 1. Foram investigados os efeitos de uma variaÃÃo no parÃmetro de ajuste da modulaÃÃo PPM, ou seja, no deslocamento inicial do pulso em relaÃÃo ao pulso referencial, ou informaÃÃo nÃo modulada, e na diferenÃa de fase entre os pulsos sÃlitons fundamentais de entrada devidamente modulados. Na segunda aplicaÃÃo, o NLDC duplo simÃtrico à submetido à modulaÃÃo PAM, utilizando-se tambÃm, das quatro combinaÃÃes possÃveis para os dois pulsos, nas fibras de entrada. Foram investigados os efeitos da variaÃÃo no parÃmetro de ajuste da modulaÃÃo PAM na amplitude inicial do pulso em relaÃÃo à amplitude de referÃncia, ou sinal sem modulaÃÃo, e tambÃm observada a amplitude de saÃda modulada versus uma diferenÃa de fase entre os pulsos sÃlitons fundamentais de entrada devidamente modulados. Nas duas aplicaÃÃes foram obtidas portas lÃgicas E e OU. / In this work, the performance study of a Symmetric Dual-Core Non-Linear Directional Coupler (NLDC), working with pulses of , in two different applications have been investigated: accomplishment of logical gates AND and OR, under Pulse Position Modulation (PPM); accomplishment of logical gates AND and OR, under Pulse Amplitude Modulation (PAM). The investigation is based in a numerical simulation study, using the fourth order Runge Kutta numerical method. In the first application, the possibility of the accomplishment of logical operations by Symmetric Dual-Core Non-Linear Directional Coupler (NLDC) without loss is analyzed. Considering the operation of the logical gates, the four possible combinations for two pulses, on the input fibers, modulated by the temporal PPM in the logical levels 0 or 1, were used. The effects of a variation in the coding parameter offset of the PPM modulation, that is, in the displacement of the input pulse relative to the reference time level, was investigated. In the second application, the symmetric dual-core NLDC is submitted to PAM modulation, using the four possible combinations for two pulses on the input fibers, were used, as well. The effects of a variation in the coding parameter offset of the PAM modulation relative to the reference amplitude, was investigated. The modulated output amplitude versus a phase difference between the input pulses , was also studied. On the two applications, logical gates AND and OR was observed.

La consommation d'énergie des centres de données est un enjeu majeur. Leurs communications internes représentent près du quart de cette consommation. Les technologies de commutation optique ont en principe une meilleure efficacité énergétique que les solutions actuelles. Ce travail porte sur les réseaux optiques en mode paquet pour des centres de données de petite et moyenne taille. Il s'est déroulé dans le cadre du projet EPOC (Energy Proportional and Opportunistic Computing) qui s'intéresse à la réduction de la consommation d'énergie d'un centre de données alimenté partiellement par des sources renouvelables. Une hypothèse clé est l'absence d'un réseau de stockage dédié réduisant ainsi la consommation des interconnexions. Par contre, afin de pouvoir éteindre certains serveurs selon la charge de travail et l'énergie disponible, le débit doit être de l'ordre de 100 Gbit/s. Après un état de l'art des réseaux optiques pour centre de données nous choisissons une solution reposant sur une infrastructure entièrement passive et des émetteurs rapidement accordables en longueur d'onde, proposée récemment dans la littérature (POPI).Nous étudions les limitations dues aux composants (pertes d'insertion, plage d'accord et espacement des canaux). Nous proposons une extension (E-POPI) qui permet d'augmenter le nombre de serveurs connectés en utilisant plusieurs plages de longueurs d'onde. Pour les centres de données de plus grande taille nous proposons un réseau à deux étages (intra- et inter-racks) opérant respectivement dans les bandes C et L, POPI+. La connexion entre étages se fait via une passerelle transparente dans un sens et opaque dans l'autre. Différentes solutions de contrôle des deux étages sont détaillées.Un des éléments essentiels de faisabilité de ces architectures est de concilier la montée en débit avec les pertes du réseau passif d'interconnexion. Les techniques cohérentes des transmissions longue distance ne sont pas actuellement envisageables pour un centre de données. Nous avons donc étudié les formats PAM 4 et 8, par simulation avec différents débits (jusqu'à 112 Gbit/s et récepteurs (PIN, APD et SOA-PIN) et aussi, expérimentalement, à 12 et 18 Gbit/s. Nous avons développé une méthode de compensation des distorsions générées par les différents composants qui procure un compromis entre précision de correction et temps de calcul.Ces résultats nous permettent de déterminer les pertes d'insertion tolérables. Nous les combinons avec les limitations liées à la plage d'accord des émetteurs et à l'encombrement spectral des canaux occupant des fenêtres multiples de 12,5 GHz pour dimensionner les différentes architectures. Les réseaux POPI, E-POPI et POPI+ permettent respectivement la connexion de 48, 99 et 2352 entités à 112 Gbit/s. Nos évaluations tiennent compte d'une possible dispersion des caractéristiques des principaux composants. / Data-center energy consumption is nowadays a major issue. Intra-data-center networking accounts almost for a quarter of the data-center total power consumption. Optical switching technologies could provide higher power efficiency than current solutions based on electrical-packet switching. This work focuses on optical-packet-switched networks for small- and medium-size data centers. It takes part of the EPOC (Energy-Proportional and Opportunistic Computing) project, which main interest consists on reducing the overall power consumption of a data center partially powered by renewable sources. A key assumption is that our data center does not rely on a dedicated storage network, in order to reduce the consumption of those interconnections. In addition, with the aim of being able to turn off some servers according to the workload and the available energy, the bit rate must be close to 100 Gbit/s. We have chosen, after studying the state of the art of data-center interconnects, a purely passive network architecture based on fast-wavelength-tunable transmitters under the name of POPI.We study POPI's limitations due to its components (insertion loss, tuning range and channel spacing). We then propose an extension called E-POPI that allows to increase the number of connected servers by using several transmission bands. For larger data centers, we propose POPI+, a two-stage infrastructure for intra- and inter-rack communications operating in the C and L bands, respectively. The connection between both stages is done via a transparent gateway in one direction and an opaque one in the other. We discuss different control solutions for both stages.The feasibility of these architectures depends on, among other factors, dealing with bit-rate increasing and power losses of a passive interconnect. Coherent long-distance-transmission techniques are not currently suited to data centers. We therefore studied PAM 4 and 8 modulation formats with direct detection. On one hand, by simulation, with different bit rates (up to 112 Gbit/s) and receivers (PIN, APD and SOA-PIN) and, on the other hand, experimentally, at 12 and 18 Gbit/s. We have developed a method for compensating the distortions generated by the different network components. Our method takes into account a good tradeoff between correction accuracy and computation time.Simulation results allow us to determine the amount of insertion loss that may be supported. We then combine these results with the limitations of transmitters-tuning range and channel spacing using multiple of 12.5 GHz slots for dimensioning the proposed architectures. POPI, E-POPI and POPI+ interconnects allow the connection of 48, 99 and 2352 entities, respectively, at 112 Gbit/s. Our assessments take into account a potential dispersion of the characteristics of the main architecture components.

Depuis une dizaine d’années, avec la diversification des appareils connectés (PCs, Tablettes, TVs et Smartphones), l’écosystème Internet s’est drastiquement étendu. Aujourd’hui, 80 % du trafic IP mondial est concentré dans les centres de données. Pour répondre aux problématiques d’échelle des centres de données en terme de densité de bande passante, de consommation énergétique et de coût des interconnections, le développement de nouveaux émetteurs optiques est critique. L’objectif de cette thèse est de proposer et évaluer différentes architectures d’émetteur en photonique sur silicium afin de répondre à la prochaine norme de débit de 400 Gbit/s sur des transmissions de 2 kilomètres. Le modulateur électro-optique sélectionné est le modulateur silicium en anneau résonant. Il possède des avantages non négligeables: faibles dimensions, faible consommation énergétique, et il permet un multiplexage dense en longueurs d’ondes. Durant cette thèse, l’optimisation de l’émetteur optique a été faite de manière progressive: de la jonction active à l’émetteur complet. Cette première étude a identifié les différents compromis à faire sur les paramètres du modulateur en anneau afin de définir ses performances. Un model compact du modulateur a été créé, permettant d’optimiser le composant avec un temps de simulation très réduit. Puis, tout en utilisant le modèle compact, deux architectures d’émetteur ont été étudiées basées sur une architecture classique de la littérature. Elles sont basées sur la mise en série de 8 modulateurs en anneau, chacun modulant une longueur d’onde différente. La différence entre les deux architectures vient du format de modulation utilisé: la première est modulée avec des signaux sur deux niveaux électriques avec des signaux sur 2 niveaux électriques au format d’impulsions en amplitude (PAM-2) à 50 Gbaud ; alors que la deuxième est modulée avec des signaux sur 4 niveaux électriques au format d’impulsions en amplitude (PAM-4). Les deux solutions répondent aux demandes de performances de la norme 400 Gbit/s avec les mêmes points de compromis de fonctionnement. Finalement, de nouvelles architectures d’émetteur optique ont été proposées permettant de réaliser la modulation PAM-4. Contrairement aux solutions précédemment étudiées, ces architectures utilisent en entrée deux flux de bits en parallèle qui sont optiquement combinés pour générer en sortie une modulation PAM-4. Une première solution est basée sur la mise en série de deux modulateurs en anneaux. Cette architecture a été validée avec des caractérisations de transmission optique à 30 Gbit/s avec seulement 1 Vpp de tension de commande. Une seconde solution a ensuite été proposée, elle est basée sur l’utilisation de deux modulateurs mis en parallèle dans un interféromètre Mach Zehnder. De la même manière, des caractérisations de transmission à 30 Gbit/s avec 1.2 Vpp de tension de commande ont permis de valider le fonctionnement de l’architecture. / Over the past decade, with the diversification of connected devices (PCs, Tablets, TVs and Smartphones), the Internet ecosystem has drastically extended. Today, 80 % world traffic is concentrated in the data centers where the data rate, the size and the cost is still growing. To address such scaling issues as bandwidth density, energy consumption and cost of the interconnects inside the data centers, the development of new optical transmitters is critical. The aim of this thesis is to propose and evaluate transmitter architectures using silicon photonics technology to address next 400 Gbit/s data rate standard over up to 2 kilometer links. The selected electro-optical modulator is the silicon ring resonator modulator which has substantial benefits: low footprint, low energy consumption and enables dense multiplexing. The optical transmitter architectures evaluations were successively optimized: from the active junction to the complete optical transmitter. This study identified the performances trade-offs impacted by the ring resonator modulator parameters. A compact model was generated to physically optimize the component in a reduced simulation time. Then, using the compact model, two transmitter architectures were studied based on classical architecture. Both are based on eight ring resonator modulators arranged in series modulating eight different wavelengths. The difference is the modulation format: the first one is electrically modulated at 50 Gbaud in 2-levels pulse amplitude modulation (PAM-2) and the second one at 25 Gbaud 4-levels pulse amplitude modulation (PAM-4). The two solutions fit the 400 Gbit/s performances demand with the use of the same trade-offs. Finally, new transmitter architectures were proposed to generate PAM-4 modulation. Unlike the previous architecture, they have in input two parallel bit streams which are optically combined to generate the PAM-4 modulation. The first solution is based on two silicon ring resonator modulator arranged in series. This architecture was validated through 30 Gbit/s transmission characterizations with only 1 Vpp. A second solution was then proposed, based on two silicon ring resonator modulators arranged in parallel in a Mach Zehnder interferometer. In the same way, transmission characterizations at 30 Gbit/s with 1.2 Vpp allows this architecture to be validated.

Today’s communication systems are in need of spectrally efficient and high throughput techniques more than ever because of high data rate applications and the scarcity and expense of bandwidth. To cope with increased data rate demands, more base stations are needed which is not cost and energy efficient in cellular networks. It has been shown that wireless relay networks can provide higher network throughput and increase power efficiency with low complexity and cost. Furthermore, network resources can be utilized more efficiently by using network coding in relay networks. A wireless relay network in which multiple nodes exchange information with the help of relay node(s) is called a multi-way relay channel (MWRC). MWRCs are expected to be an integral part of next generation wireless standards. The main focus of this dissertation is the investigation of transmission schemes in an MWRC to improve the throughput and error performance. An MWRC with full data exchange is assumed in which a half-duplex relay station (RS) is the enabler of communication. One of the challenges with signal demodulation in MWRCs is the existence of ambiguous points in the received constellation. The first part of this dissertation investigates a transmission scheme for full data exchange in MWRC that benefits from these points and improves its throughput by 33% compared to traditional relaying. Then an MWRC is considered where a RS assists multiple nodes to exchange messages. A different approach is taken to avoid ambiguous points in the superposition of user symbols at the relay. This can be achieved by employing complex field network coding (CFNC) which results in full data exchange in two communication phases. CFNC may lead to small Euclidean distances between constellation points, resulting in poor error performance. To improve this performance, the optimal user precoding values are derived such that the power efficiency of the relay constellation is highest when channel state information is available at the users. The error performance of each user is then analyzed and compared with other relaying schemes. Finally, focusing on the uplink of multi-way relay systems, the performance of an MWRC is studied in which users can employ arbitrary modulation schemes and the links between the users and the relay have different gains, e.g. Rayleigh fading. Analytical expressions for the exact average pairwise error probability of these MWRCs are derived. The probability density function (PDF) and the mean of the minimum Euclidean distance of the relay constellation are closely approximated, and a tight upper bound on the symbol error probability is developed. / Graduate

This work deals with the analysis of pulse modulation issues, work is divided into six chapters. The first chapter of the thesis deals with pulse modulations as a whole. It explains the concept of modulation, the distinction between analog and digital modulation, and there is the basic classification of pulse modulation done. The second chapter focuses on the issue of non-quantized pulse modulation. For each modulation belonging to this group is verbally and graphically explains the principle of its activities. In the third chapter, which is similar to the second chapter, the work focuses on quantized pulse modulation. Again, each of these modulations explained its basic principle. It is also in this chapter outlines the design models in Matlab-Simulink. The fourth chapter presents calculations and tables with calculated values needed for simulations. In the fifth chapter, a comparison waveforms. It contains a discussion about the dependence of modulation on their parameters, parameters of the input signal and the sampling frequency. In the final sixth chapter deals with the early design concepts and detailed diagrams for the production of demonstration products.

Les centres de données deviennent de plus en plus importants, allant de petites fermes de serveurs distribuées à des grandes fermes dédiées à des tâches spécifiques. La diffusion de services "dans le nuage" conduit à une augmentation incessante de la demande de trafic dans les centres de données. Dans cette thèse, nous étudions l'évolution des réseaux dans les centres de données et proposons des solutions à court et à long terme pour leur intra-connexion physique. Aujourd'hui, la croissance de la demande de trafic met en lumière la nécessité urgente d’interfaces à grande vitesse capables de faire face à la bande passante exigeant de nouvelles applications. Ainsi, à court terme, nous proposons de nouveaux transpondeurs optiques à haut débit, mais à faible coût, permettant la transmission de 200 Gb /s utilisant des schémas de modulation en intensité et à détection directe. Plusieurs types de modulations d’impulsions en amplitude avancées sont explorés, tout en augmentant la vitesse à des débits symboles allant jusqu’à 100 GBd. La génération électrique à haute vitesse est réalisé grâce à un nouveau convertisseur analogique-numérique intégré, capable de doubler les vitesses des entrées et de générer des signaux à plusieurs niveaux d’amplitude. Cependant, le trafic continuera sa croissance. Les centres de données actuels reposent sur plusieurs niveaux de commutateurs électroniques pour construire un réseau d'interconnexion capable de supporter une telle grande quantité de trafic. Dans une telle architecture, la croissance du trafic est directement liée à une augmentation du nombre des composants du réseau, y-compris les commutateurs avec plus de ports, les interfaces et les câbles. Le coût et la consommation d'énergie qui peut être attendus à l'avenir est intenable, ce qui appelle à une réévaluation du réseau. Par conséquent, nous présentons ensuite un nouveau concept fondé sur la commutation de "slots" optiques (Burst Optical Slot Switching, i.e. BOSS) dans lequel les serveurs sont connectés via des nœuds BOSS à travers des anneaux de fibres multiplexé en longueur d'onde et en temps, et organisés dans une topologie en tore. Au cours de cette thèse, nous étudions la mise en œuvre des nœuds BOSS; en particulier, la matrice de commutation et les transpondeurs optiques. L'élément principal au sein de la matrice de commutation est le bloqueur de slots, qui est capable d'effacer n’importe quel paquet (slot) sur n’importe quelle longueur d'onde en quelques nanosecondes seulement. D'une part, nous explorons l'utilisation d'amplificateurs optiques à semi-conducteurs comme portes optiques à utiliser dans le bloqueur des slots, et étudier leur cascade. D'autre part, nous développons un bloqueur de slots intégré monolithiquement capable de gérer jusqu'à seize longueurs d'onde avec la diversité de polarisation. Ensuite, nous présentons plusieurs architectures de transpondeur et nous étudions leur performance. La signalisation des transpondeurs doit répondre à deux exigences principales: le fonctionnement en mode paquet et la résistance au filtrage serré. D'abord, nous utilisons des transpondeurs élastiques qui utilisent des modulations Nyquist N-QAM, et qui adaptent le format de modulation en fonction du nombre de nœuds à traverser. Ensuite, nous proposons l'utilisation du multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence en cohérence optique (CO-OFDM). Avec une structure de paquet inhérente et leur grande adaptabilité fréquentielle, nous démontrons que les transpondeurs CO-OFDM offrent une capacité plus élevée et une meilleure portée que leurs homologues Nyquist. Finalement, nous comparons notre solution BOSS avec la topologie Clos replié utilisée aujourd'hui. Nous montrons que notre architecture BOSS nécessite 400 fois moins de transpondeurs et de câbles que les réseaux de commutation électronique d'aujourd'hui, ce qui ouvre la voie à des centres de données hautement évolutifs et durables / Data centers are becoming increasingly important and ubiquitous, ranging from large server farms dedicated to various tasks such as data processing, computing, data storage or the combination thereof, to small distributed server farms. The spread of cloud services is driving a relentless increase of traffic demand in datacenters, which is doubling every 12 to 15 months. Along this thesis we study the evolution of data center networks and present short- and long-term solutions for their physical intra-connection. Today, rapidly-growing traffic in data centers spotlights the urgent need for high-speed low-cost interfaces capable to cope with hungry-bandwidth demanding new applications. Thereby, in the short-term we propose novel high-datarate low-cost optical transceivers enabling up to 200 Gb/s transmission using intensity-modulation and direct-detection schemes. Several advanced pulse amplitude modulation schemes are explored while increasing speeds towards record symbol-rates, as high as 100 GBd. High-speed electrical signaling is enabled by an integrated selector-power digital-to- analog converter, capable of doubling input baud-rates while outputting advance multi-level pulse amplitude modulations. Notwithstanding, data centers’ global traffic will continue increasing incessantly. Current datacenters rely on high-radix all-electronic Ethernet switches to build an interconnecting network capable to pave with such vast amount of traffic. In such architecture, traffic growth directly relates to an increase of networking components, including switches with higher port-count, interfaces and cables. Unsustainable cost and energy consumption that can be expected in the future calls for a network reassessment. Therefore, we subsequently present a novel concept for intra-datacenter networks called burst optical slot switching (BOSS); in which servers are connected via BOSS nodes through wavelength- and time-division multiplexed fiber rings organized in a Torus topology. Along this thesis we investigate on the implementation of BOSS nodes; in particular, the switching fabric and the optical transceivers. The main element within the switching fabric is the slot blocker, which is capable of erasing any packet of any wavelength in a nanosecond time-scale. On the one hand, we explore the use of semiconductor optical amplifiers as means of gating element to be used within the slot blocker and study their cascadability. On the other hand we develop a monolithically integrated slot blocker capable of handling up to sixteen wavelength channels with dual-polarization diversity. Then we present several transceiver architectures and study their performances. Transceivers’ signaling needs to fulfill two main requirements: packet-mode operation, i.e. being capable of recovering few microsecond –long bursts; and resiliency to tight filtering, which occurs when cascading many nodes (e.g. up to 100). First we build packet-mode Nyquist-pulse-shaped N-QAM transceivers, which adapt the modulation format as a function of the number of nodes to traverse. Later we propose the use of coherent-optical orthogonal frequency division multiplexing (CO-OFDM). With inherent packet structure and high spectral tailoring capabilities, we demonstrate that CO-OFDM-based transceivers offer higher capacity and enhanced reach than its Nyquist counterpart. Finally, we compare our BOSS solution to today’s Folded Clos topology, and show that our BOSS architecture requires x400 fewer transponders and cables than today’s electronic switching networks, which paves the way to highly scalable and sustainable datacenters