La migration d'un réseau optique en anneaux interconnectés vers un réseau arbitrairement maillé et d'un trafic statique vers un trafic dynamique nécessite l'introduction de plusieurs niveaux de granularité pour s'adapter à cette diversité spatiale et temporelle et réduire ainsi la complexité et la taille des brasseurs optiques. Cette taille peut être réduite en traitant en bloc un groupe de longueurs d'onde contiguës. Cette bande d'ondes sera éventuellement traitée comme une seule entité. Par contre, ce traitement en bloc complique l'opération de routage et d'allocation de longueurs d'onde. Quelques ports d'entrée/sortie du brasseur de bandes peuvent éventuellement être connectés à des démultiplexeurs/multiplexeurs pour passer à un brassage par longueurs d'onde. De cette manière, on résout la commutation en bloc et quelques bandes pourront sortir de la continuité des tunnels établis pour passer d'un tunnel à l'autre. Cette notion peut être étendue pour couvrir différentes granularités et différents niveaux de brassage à l'aide de brasseurs optiques hiérarchiques. La coexistence des différents concepts de groupage optique et électronique ainsi que la manipulation de plusieurs niveaux et différentes échelles d'agrégation forment l'idée de base derrière ce qu'on appelle "réseau optique à plusieurs niveaux de granularité". Dans cette thèse, On propose un nouveau modèle graphique adapté au réseau optique à plusieurs niveaux de granularité. Le modèle d'un composant optique est formé par l'interconnexion d'un nombre d'éléments de base (BNE). Chaque BNE est une représentation graphique des supports du trafic. On introduit la notion de "groupes" qui permet l'abstraction des agrégateurs/désagrégateurs et définit par suite la granularité de commutation de chaque côté du BNE. Étant modulable, ce modèle pourra servir au développement d'un outil d'aide à la conception de ce type de réseaux. On propose un nouveau modèle combinatoire du brasseur hiérarchique permettant de comparer différentes réalisations matérielles. Ceci nous a permis d'étudier la réduction de la complexité du matériel et l'augmentation de la complexité opérationnelle quand on remplace un brasseur optique simple par un brasseur optique hiérarchique. On propose le nouveau concept de modifier les canaux de longueurs d'onde sans modifier l'allocation logique des longueurs d'onde et par suite, permettre un réarrangement avec un minimum d'interruptions afin d'optimiser le brassage à plusieurs granularités. Ce réarrangement est réalisé sans changer la distribution du trafic résultant du routage et de l'attribution des longueurs d'onde. On montre l'importance de la gestion des granularités et on propose une nouvelle méthode de contrôler l'allocation des multiplexeurs/démultiplexeurs dans le contexte du trafic dynamique. Dans ce contexte et en utilisant le modèle graphique, on propose de construire une topologie logique multicouche dans le but d'avoir une base d'informations adaptée à la proposition d'ingénierie de trafic. Dans cette solution, on estime la diversité potentielle d'acheminement des tunnels établis par le brassages hiérarchique en considérant une distribution de charge donnant le flot maximal. cette distribution est considérée comme objectif à atteindre et est mise à jour après tout changement. On donne aux tunnels ayant la plus grande diversité potentielle d'acheminement la priorité de passer aux fines granularités. L'ensemble des propositions est renforcé par des analyses et simulations et plusieurs domaines à aborder en perspective sont présentés en conclusion.

L'augmentation continuelle du trafic dans le coeur de réseau à fibres optiques amène les opérateurs à utiliser des techniques capables de supporter cette croissance : augmentation de la capacité de transport, soit par l'augmentation du débit par canal, soit par l'augmentation du nombre de canaux ou les deux. Ces nouveaux systèmes de transmission sont très couteux et dans des réseaux de taille européenne voire même plus grands, la question se pose également sur la performance de ces systèmes pour éviter de multiplier des interfaces coûteuses entre l'optique et l'électronique. C'est dans ce contexte que se sont développées des technologies optiques transparentes de brassage de longueur d'onde. On ne parle plus alors du coeur du réseau comme d'une juxtaposition de gros tuyaux mais bien d'un réseau optique transparent et maillé. Outre les gains économiques attendus, cette nouvelle fonction de brassage au niveau optique rend ce réseau flexible, et capable de délivrer de la bande passante à la demande en échange d'une complexité croissante du point de vue de la gestion et de la commande de ces réseaux. L'augmentation des débits a par ailleurs une conséquence importante : désormais la moindre coupure sur une longueur d'onde a une conséquence majeure compte tenu de la quantité de données transportées. Rendre les réseaux robustes vis à vis des interruptions est donc devenu encore plus important et cependant de plus en plus complexe. Cependant les contraintes appliquées à la couche optique sont restées très conservatrices : "l'optique" doit fournir un service de qualité maximum aux couches supérieures, c'est-à-dire garantir une transmission parfaite et sans perte des données. Pratiquement cela se traduit par l'obligation pour tous les canaux d'une liaison WDM (Wavelength Division Multiplexing) donnée de fonctionner sans erreur (le plancher est fixé à 10-12 erreurs par seconde pour les systèmes optiques terrestres) et sans coupure pour la durée de son exploitation (qui, en général, est de 8 à 10 ans sur les systèmes terrestre). Garantir le fonctionnement d'un canal dans un contexte de réseaux optiques maillés est encore plus complexe que dans le contexte d'une liaison "point à point". Les règles universellement adoptée pour la mise en service des systèmes de transmission "point à point" consistent à "sur-dimensionner" les systèmes, c'est-à-dire à installer des systèmes dont la plupart des canaux sont capables de supporter plus de dégradations que ce que prévoit le fonctionnement moyen, cela pour permettre à tous les canaux de la liaison WDM de fonctionner en permanence de façon satisfaisante. Cela signifie que le fonctionnement est prévu pour supporter le "pire" des cas en terme de dégradation, même si ce cas est très peu probable. Appliquer une règle similaire pour la conception des réseaux optiques maillés reviendrait à dimensionner les systèmes de transmission pour qu'ils supportent le "pire" des chemins, sans savoir si ce chemin sera effectivement mis en service. Cette solution tendancielle a bien sûr l'avantage de garantir la qualité de transmission. Cependant elle a l'inconvénient de coûter cher puisque l'opérateur paye pour des performances dont il n'a pas besoin.

La physique statistique quantique formule les règles permettant de classifier les différentes particules. Dans cette thèse nous avons étudié deux projets, l'un portant sur les anyons dits de "Fibonacci" et l'autre sur les fermions sur réseau optique. Ici, nous avons naturellement étendu cette étude aux cas pertinent d'anyons itinérants en interaction sur des échelles. Notre but a été de construire le modèle 2D le simple possible d'anyons itinérants en interaction, analogue direct des systèmes fermioniques et inspiré par les études précédentes. En particulier, nous nous sommes demandé si la séparation spin-charge, bien connu à 1D, pouvait subsister dans le cas d'anyons sur une échelle. De plus, dans l'étude de ce modèle, nous avons découvert une nouvelle phase incompressible pouvant présenter un caractère topologique. Dans le cas des fermions confinés sur un réseau optique unidimensionnel, nous avons étudié les effets d'un chargement non-adiabatique et proposé des protocoles visant à minimiser le réchauffement du gaz quantique. Les atomes ultra-froids sur réseau optique constituent une réalisation idéale pour étudier les systèmes fortement corrélés soumis à un potentiel périodique. Le refroidissement évaporatif d'un nuage d'atomes confiné, c.a.d. sans le potentiel du réseau, s'est avéré être un processus très efficace. Les protocoles courants permettent d'obtenir(pour des fermions) des températures aussi basses que T/TF ≈ 0.08, impossible à réaliser en présence du réseau optique. Notre étude concerne les effets de redistribution de densité pour un système 1D de fermions. Notre but était de voir si des défauts causés par la mauvaise répartition des particules lors du chargement du réseau optique pouvaient empêcher les atomes de se refroidir jusqu'à la température voulue. Nous avons conçu des scenario améliorés où certains paramètres sont modifiés de façon dynamique afin de réduire la densité de défauts créés. / Quantum statistics is an important aspect of quantum mechanics and it lays down the rules for identifying dfferent classes of particles. In this thesis, we study two projects, one that surveys models of Fibonacci anyons and another that delves into fermions in optical lattices. We analyse the physics of mobile non-Abelian anyons beyond one-dimension by constructing the simplest possible model of 2D itinerant interacting anyons in close analogy to fermionic systems and inspired by the previous anyonic studies. In particular, we ask the question if spin-charge separation survives in the ladder model for non-Abelian anyons. Furthermore, in the study of this model, we have found a novel physical effective model that possibly hosts a topological gapped state. For fermions in one dimensional optical lattices, we survey the effects of non-adiabatic lattice loading on four different target states, and propose protocols to minimise heating of quantum gases. The evaporative cooling of a trapped atomic cloud, i.e. without the optical lattice potential, has been proven to be a very effective process. Current protocols are able to achieve temperatures as low as T/TF ≈ 0.08, which are lost in the presence of the optical lattice. We aim to understand if defects caused by poor distribution of particles during lattice loading are important for the fermionic case, forbidding the atoms to cool down to the desired level. We device improved ramp up schemes where we dynamically change one or more parameters of the system in order to reduce density defects.

Les systèmes de communication optique avec des formats de modulation avancés sont actuellement l’un des sujets de recherche les plus importants dans le domaine de communication optique. Cette recherche est stimulée par les exigences pour des débits de transmission de donnée plus élevés. Dans cette thèse, on examinera les techniques efficaces pour la modulation avancée avec une détection cohérente, et multiplexage par répartition en fréquence orthogonale (OFDM) et multiples tonalités discrètes (DMT) pour la détection directe et la détection cohérente afin d’améliorer la performance de réseaux optiques. Dans la première partie, nous examinons la rétropropagation avec filtre numérique (DFBP) comme une simple technique d’atténuation de nonlinéarité d’amplificateur optique semiconducteur (SOA) dans le système de détection cohérente. Pour la première fois, nous démontrons expérimentalement l’efficacité de DFBP pour compenser les nonlinéarités générées par SOA dans un système de détection cohérente porteur unique 16-QAM. Nous comparons la performance de DFBP avec la méthode de Runge-Kutta quatrième ordre. Nous examinons la sensibilité de performance de DFBP par rapport à ses paramètres. Par la suite, nous proposons une nouvelle méthode d’estimation de paramètre pour DFBP. Finalement, nous démontrons la transmission de signaux de 16-QAM aux taux de 22 Gbaud sur 80km de fibre optique avec la technique d’estimation de paramètre proposée pour DFBP. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur les techniques afin d’améliorer la performance des systèmes OFDM optiques en examinent OFDM optiques cohérente (CO-OFDM) ainsi que OFDM optiques détection directe (DDO-OFDM). Premièrement, nous proposons une combinaison de coupure et prédistorsion pour compenser les distorsions nonlinéaires d’émetteur de CO-OFDM. Nous utilisons une interpolation linéaire par morceaux (PLI) pour charactériser la nonlinéarité d’émetteur. Dans l’émetteur nous utilisons l’inverse de l’estimation de PLI pour compenser les nonlinéarités induites à l’émetteur de CO-OFDM. Deuxièmement, nous concevons des constellations irrégulières optimisées pour les systèmes DDO-OFDM courte distance en considérant deux modèles de bruit de canal. Nous démontrons expérimentalement 100Gb/s+ OFDM/DMT avec la détection directe en utilisant les constellations QAM optimisées. Dans la troisième partie, nous proposons une architecture réseaux optiques passifs (PON) avec DDO-OFDM pour la liaison descendante et CO-OFDM pour la liaison montante. Nous examinons deux scénarios pour l’allocations de fréquence et le format de modulation des signaux. Nous identifions la détérioration limitante principale du PON bidirectionnelle et offrons des solutions pour minimiser ses effets. / Optical communication systems with advanced modulation formats are currently one of the major research focuses of the optical communication community. This research is driven by the ever-increasing demand for higher data transmission rates. In this thesis, we investigate efficient techniques for advanced modulation with coherent detection, and optical orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) and discrete multi-tone (DMT) for both direct detection and coherent detection to improve the performance of optical networks. In the first part, we investigate digital filter back-propagation (DFBP) as a simple semiconductor optical amplifier (SOA) nonlinearity mitigation technique in coherent detection systems. For the first time, we experimentally demonstrate effectiveness of DFBP in compensating for SOA-induced nonlinearities in a 16-ary quadrature amplitude modulation (16-QAM) singlecarrier coherent detection system. We compare performance of DFBP with Runge-Kutta fourth-order method. We examine sensitivity of DFBP performance to its parameters. Afterwards, we propose a novel parameter estimation method for DFBP. Finally, we demonstrate successful transmission of 22 Gbaud 16-QAM signals over 80 km fiber with the proposed parameter estimation technique for DFBP. In the second part, we concentrate on techniques to improve performance of optical OFDM systems, examining both coherent optical OFDM (CO-OFDM) and direct-detection optical OFDM (DDO-OFDM). First, we propose a combination of clipping and predistortion technique to compensate for CO-OFDM transmitter nonlinear distortions. We use piecewise linear interpolation (PLI) for characterizing the transmitter nonlinearity. At the transmitter, we use inverse of the PLI estimate to pre-compensate the nonlinearities induced at the COOFDM transmitter. Second, we design optimized non-square constellations for short-reach DDO-OFDM systems based on two channel noise models. We experimentally demonstrate 100 Gb/s+ OFDM/DMT with direct detection using the optimized QAM constellations. In the third part, we propose and experimentally demonstrate a passive optical network (PON) architecture with DDO-OFDM for the downlink and CO-OFDM for the uplink. We examine two scenarios for the occupied frequency and modulation format of the signals. We identify main limiting impairments of the bidirectional PON and provide solutions to minimize their effects.

L'augmentation exponentielle de la demande de bande passante pour les communications laisse présager une saturation prochaine de la capacité des réseaux de télécommunications qui devrait se matérialiser au cours de la prochaine décennie. En effet, la théorie de l’information prédit que les effets non linéaires dans les fibres monomodes limite la capacité de transmission de celles-ci et peu de gain à ce niveau peut être espéré des techniques traditionnelles de multiplexage développées et utilisées jusqu’à présent dans les systèmes à haut débit. La dimension spatiale du canal optique est proposée comme un nouveau degré de liberté qui peut être utilisé pour augmenter le nombre de canaux de transmission et, par conséquent, résoudre cette menace de «crise de capacité». Ainsi, inspirée par les techniques micro-ondes, la technique émergente appelée multiplexage spatial (SDM) est une technologie prometteuse pour la création de réseaux optiques de prochaine génération. Pour réaliser le SDM dans les liens de fibres optiques, il faut réexaminer tous les dispositifs intégrés, les équipements et les sous-systèmes. Parmi ces éléments, l'amplificateur optique SDM est critique, en particulier pour les systèmes de transmission pour les longues distances. En raison des excellentes caractéristiques de l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium (EDFA) utilisé dans les systèmes actuels de pointe, l'EDFA est à nouveau un candidat de choix pour la mise en œuvre des amplificateurs SDM pratiques. Toutefois, étant donné que le SDM introduit une variation spatiale du champ dans le plan transversal de la fibre, les amplificateurs à fibre dopée à l'erbium spatialement intégrés (SIEDFA) nécessitent une conception soignée. Dans cette thèse, nous examinons tout d'abord les progrès récents du SDM, en particulier les amplificateurs optiques SDM. Ensuite, nous identifions et discutons les principaux enjeux des SIEDFA qui exigent un examen scientifique. Suite à cela, la théorie des EDFA est brièvement présentée et une modélisation numérique pouvant être utilisée pour simuler les SIEDFA est proposée. Sur la base d'un outil de simulation fait maison, nous proposons une nouvelle conception des profils de dopage annulaire des fibres à quelques-modes dopées à l'erbium (ED-FMF) et nous évaluons numériquement la performance d’un amplificateur à un étage, avec fibre à dopage annulaire, à ainsi qu’un amplificateur à double étage pour les communications sur des fibres ne comportant que quelques modes. Par la suite, nous concevons des fibres dopées à l'erbium avec une gaine annulaire et multi-cœurs (ED-MCF). Nous avons évalué numériquement le recouvrement de la pompe avec les multiples cœurs de ces amplificateurs. En plus de la conception, nous fabriquons et caractérisons une fibre multi-cœurs à quelques modes dopées à l'erbium. Nous réalisons la première démonstration des amplificateurs à fibre optique spatialement intégrés incorporant de telles fibres dopées. Enfin, nous présentons les conclusions ainsi que les perspectives de cette recherche. La recherche et le développement des SIEDFA offriront d'énormes avantages non seulement pour les systèmes de transmission future SDM, mais aussi pour les systèmes de transmission monomode sur des fibres standards à un cœur car ils permettent de remplacer plusieurs amplificateurs par un amplificateur intégré. / The exponential increase of communication bandwidth demand is giving rise to the so-called ‘capacity crunch’ expected to materialize within the next decade. Due to the nonlinear limit of the single mode fiber predicted by the information theory, all the state-of-the-art techniques which have so far been developed and utilized in order to extend the optical fiber communication capacity are exhausted. The spatial domain of the lightwave links is proposed as a new degree of freedom that can be employed to increase the number of transmission paths and, subsequently, overcome the looming ‘capacity crunch’. Therefore, the emerging technique named space-division multiplexing (SDM) is a promising candidate for creating next-generation optical networks. To realize SDM in optical fiber links, one needs to investigate novel spatially integrated devices, equipment, and subsystems. Among these elements, the SDM amplifier is a critical subsystem, in particular for the long-haul transmission system. Due to the excellent features of the erbium-doped fiber amplifier (EDFA) used in current state-of-the-art systems, the EDFA is again a prime candidate for implementing practical SDM amplifiers. However, since the SDM introduces a spatial variation of the field in the transverse plane of the optical fibers, spatially integrated erbium-doped fiber amplifiers (SIEDFA) require a careful design. In this thesis, we firstly review the recent progress in SDM, in particular, the SDM optical amplifiers. Next, we identify and discuss the key issues of SIEDFA that require scientific investigation. After that, the EDFA theory is briefly introduced and a corresponding numerical modeling that can be used for simulating the SIEDFA is proposed. Based on a home-made simulation tool, we propose a novel design of an annular based doping profile of few-mode erbium-doped fibers (FM-EDF) and numerically evaluate the performance of single stage as well as double-stage few-mode erbium-doped fiber amplifiers (FM-EDFA) based on such fibers. Afterward, we design annular-cladding erbium-doped multicore fibers (MC-EDF) and numerically evaluate the cladding pumped multicore erbium-doped fiber amplifier (MC-EDFA) based on these fibers as well. In addition to fiber design, we fabricate and characterize a multicore few-mode erbium-doped fiber (MC-FM-EDF), and perform the first demonstration of the spatially integrated optical fiber amplifiers incorporating such specialty doped fibers. Finally, we present the conclusions as well as the perspectives of this research. In general, the investigation and development of the SIEDFA will bring tremendous benefits not only for future SDM transmission systems but also for current state-of-the-art single-mode single-core transmission systems by replacing plural amplifiers by one integrated amplifier.

Les réseaux informatiques avec une grande capacité nécessitent des liaisons de transmission de données rapides et fiables pour prendre en charge les applications web en pleine croissance. Comme le nombre de serveurs interconnectés et la capacité de stockage des médias ne cessent daugmenter, les communications optiques et les technologies de routage sont devenues intéressantes grâce au taux binaire élevé et à lencombrement minimum offert par la fibre optique. Les réseaux optiques à commutation de paquets (OPSNs) offrent une flexibilité accrue dans la gestion de réseau. OPSNs exploitent les convertisseurs de longueur donde accordables (WC) pour minimiser la probabilité de blocage et fournir une allocation dynamique des longueurs donde. Les émetteurs optiques basés sur des sources multi-longueurs donde se présentent comme une solution intéressante en termes de coût, dencombrement et defficacité énergétique par rapport aux autres types de lasers. Les convertisseurs de longueurs donde doivent permettre des taux binaires élevés et une transparence à une grande variété de formats de modulation, tout en offrant une réponse rapide, des niveaux de puissance modérés et un rapport de signal à bruit optique (OSNR) acceptable à la sortie. Plusieurs technologies de conversion de longueur donde ont été proposées dans la littérature. Lutilisation du mélange à quatre ondes (FWM) dans les amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA) permet lutilisation de faibles niveaux de puissance dentrée et offre une bonne efficacité de conversion ainsi que la possibilité dintégration photonique. Les SOAs offrent donc un excellent compromis par rapport aux autres solutions. Pour couvrir une plus large bande de conversion, nous utilisons le schéma exploitant le FWM avec doubles pompes dans les SOAs. Pour la stabilité de phase, les pompes viennent d’un laser en mode bloqué (QDMLL) qui sert comme source multi-longueurs donde. Deux modes du QDMLL sont sélectionnés par un filtrage accordable et servent comme doubles pompes. Un filtre accordable placé à la sortie du SOA sert à sélectionner le produit du FWM pour le signal final. Nous étudions le convertisseur de longueur donde proposé et comparons sa performance pour différents formats de modulation (modulation dintensité et de phase) et à différents débits binaires (10 et 40 Gbit/s). Le taux derreur binaire, lefficacité de conversion et la mesure de lOSNR sont présentés. Nous démontrons aussi la possibilité de simultanément convertir en longueurs donde les données et l’étiquette. Les données à haut débit et l’étiquette à faible débit se retrouvent dans une seule bande de longueurs d’onde, et ils sont convertis ensemble avec une bonne efficacité. Notre démonstration se concentre sur les performances de conversion, donc les données et létiquette sont des signaux continus plutôt que de paquets optiques. Des mesures de taux derreur binaire ont été effectuées à la fois pour les données et pour létiquette. Nous proposons aussi lutilisation de QDMLL comme source de transmetteurs WDM pour deux applications différentes: unicast et multicast. Nous démontrons aussi sa compatibilité avec le format de transmission DQPSK à haut débit binaire. Nous évaluons la performance du DQPSK en terme de taux derreur binaire et comparons sa performance à celle dune source laser à cavité externe. / Large scale computer networks require fast and reliable data links in order to support growing web applications. As the number of interconnected servers and storage media increases, optical communications and routing technologies become interesting because of the high speed and small footprint of optical fiber links. Furthermore, optical packet switched networks (OPSN) provide increased flexibility in network management. Future networks are envisaged to be wavelength dependent routing, therefore OPSN will exploit tunable wavelength converters (WC) to enable contention resolution, reduce wavelength blocking in wavelength routing and switching, and provide dynamic wavelength assignment. Optical transmitters based on multi-wavelength sources are presented as an attrative solution compared to a set of single distributed feedback lasers in terms of cost, footprint and power consumption. Wavelength converters should support high bit rates and a variety of signal formats, have fast setup time, moderate input power levels and high optical signal-to-noise ratio at the output. Several wavelength conversion technologies have been demonstrated. The use of four wave mixing (FWM) in semiconductor optical amplifiers (SOAs) provides low input power levels, acceptable conversion efficiency and the possibility of photonic integration. SOAs therefore offer excellent trade-offs compared to other solutions. To achieve wide wavelength coverage and integrability, we use a dual pump scheme exploiting four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers. For phase stability, we use a quantum-dash mode-locked laser (QD-MLL) as a multi-wavelength source for the dual pumps, with tunability provided by the frequency selective filter. We investigate the proposed wavelength converter and compare its performance of wavelength conversion for different non-return-to-zero (NRZ) intensity and phase modulation formats at different bit rates (10 and 40 Gbit/s). Bit error rate, conversion efficiency and optical signal-to-noise ratio measurements are reported. We demonstrate the possibility of tightly packed payload and label wavelength conversion at very high data baud rate over wide tuning range with good conversion efficiency. Our demonstration concentrates on conversion performance, hence continuous payload and label signals were used without gating into packets. Bit error measurements for both payload and label were performed. We propose the use of QD-MLL as multi-wavelength source for WDM unicast and multicast applications and we investigated its compatibility with DQPSK transmission at high bit rate. We quantify DQPSK performance via bit error rate measurements and compare performance to that of an external cavity laser (ECL) source.

Les systèmes de courte portée et de détection directe sont le dernier/premier kilomètre de la fourniture des services Internet d'aujourd'hui. Deux cas d'application sont abordés dans cette thèse, l'un concerne l'amélioration des performances des services Internet par la Fibre-To-TheHome ou les réseaux optiques passifs (PONs). L'autre est le radio access network (RAN) pour le fronthaul. Notre objectif pour RAN est de superposer les signaux 5G sur une infrastructure PON. Nous démontrons expérimentalement la génération d'un signal de répartition multiplexée de fréquences orthogonales (OFDM) à bande latérale unique en utilisant un modulateur IQ sur puce basé sur les photoniques au silicium à micro-anneau. Il s'agit d'une solution à coût bas permettant aux PONs d'augmenter les débits de données grâce à l'utilisation d'OFDM. Nous avons généré un signal OFDM à large bande avec un ratio de suppression de bande latérale de plus de 18 dB. Afin de confirmer la robustesse de la dispersion chromatique (CD), nous transmettons le signal généré OFDM SSB dans plus de 20 km de fibre de monomode standard. Aucun fading induit par la CD n'a été observé et le taux d'erreur sur les bits était bon. Nous proposons une solution de photoniques au silicium pour un réseau optique passif afin de mitiger l'interférence de battement signal-signal (SSBI) dans la transmission OFDM, et de récupérer une partie des porteuses de la liaison descendante pour une utilisation dans la liaison montante. Le sous-système recrée les interférences à une entrée du détecteur équilibré ; le signal de données corrompu par SSBI est à la deuxième entrée. L'annulation se produit via la soustraction dans la détection équilibrée. Comme notre solution de photoniques au silicium (SiP) ne peut pas filtrer les signaux idéalement, nous examinons un facteur d'échelle introduit dans la détection équilibrée qui peut balancer les effets de filtrage non idéaux. Nous montrons expérimentalement l'annulation de l'interférence donne de bonnes performances même avec une porteuse faible, soit pour un ratio porteuse/signal ultra bas de 0 dB. Bien que notre solution soit sensible aux effets de la température, notre démonstration expérimentale montre que le réglage de la fréquence résonante peut dériver jusqu'à 12 GHz de la valeur ciblée et présenter toujours de bonnes performances. Nous effectuons des simulations extensives du schéma d'annulation SSBI proposé, et suggérons une diverse conception polarisée pour le sous-système SiP. Nous examinons via la simulation la vulnérabilité à la variation de température et introduisons une nouvelle métrique de performance : Q-facteur minimum garanti. Nous nous servons de cette métrique pour évaluer la robustesse d'annulation SSBI contre la dérive de fréquence induite par les changements de température. Nous maximisons l'efficacité spectrale sous différentes conditions du système en balayant les paramètres de conception contrôlables. Finalement, les résultats de la simulation du système fournissent des indications sur la conception du résonateur micro-anneau, ainsi que sur le choix de la bande de garde et du format de modulation pour obtenir la plus grande efficacité spectrale. Finalement, nous nous concentrons sur la superposition des signaux 5G sur une infrastructure PON pour RAN. Nous expérimentalement validons un sous-système photonique au silicium conçu pour les réseaux optiques passifs avec réutilisation de porteuses et compatibilité radiosur-fibre (RoF) analogique 5G. Le sous-système permet la détection simultanée des signaux RoF et du signal PON transmis dans une seule tranche assignée de longueur d'onde. Tout en maintenant une qualité suffisante de détection des signaux RoF et PON, il n'y a que la puissance minimale de la porteuse qui est extraite pour chaque détection, ce qui conserve ainsi la puissance de la porteuse pour la modulation de liaison montante. Nous réalisons une suppression efficace du signal de liaison descendante en laissant une porteuse propre et forte pour la remodulation. Nous démontrons expérimentalement le signal RoF de liaison montante via un modulateur à micro-anneau. Nous avons détecté avec succès un signal à large bande de 8 GHz et cinq signaux RoF de 125 MHz simultanément. Et deux signaux RoF de 125 MHz sont remodulés sur la même porteuse. Le signal RoF de liaison montante généré est de 13 dB de plus que les signaux de liaison descendante, ce qui indique leur robustesse contre la diaphonie des signaux résiduels de la liaison descendante. / Short reach, direct detection systems are the last/first mile of today's internet service provision. Two use cases are addressed in this thesis, one is for enhancing performance of Internet services on fiber-to-the-home or passive optical networks (PON). The other is radio access networks (RAN) for fronthaul. Our focus for RAN is to overlay 5G signals on a PON infrastructure. We experimentally demonstrate the generation of a single-sideband orthogonal frequency division multiplexed (OFDM) signal using an on-chip silicon photonics microring-based IQ modulator. This is a low cost solution enabling PONs to increase data rates through the use of OFDM. We generated a wideband OFDM signal with over 18 dB sideband suppression ratio. To confirm chromatic dispersion (CD) robustness, we transmit the generated SSB OFDM signal over 20 km of standard single mode fiber. No CD-induced fading was observed and bit error rate was good. We propose a silicon photonics solution for a passive optical network to mitigate signal-signal beat interference (SSBI) in OFDM transmission, and to recuperate a part of the downlink carrier for use in the uplink. The subsystem recreates the interference at one balanced detector input; the data signal corrupted with SSBI is at the second input. Cancellation occurs via subtraction in the balanced detection. As our silicon photonics (SiP) solution cannot filter the signals ideally, we examine a scaling factor to be introduced to the balanced detection that can trade-off the non-ideal filtering effects. We show experimentally that the interference is cancelled, allowing good performance even with a weak carrier, that is, for ultra low carrier to signal ratio of 0 dB. Although our solution is sensitive to temperature effects, our experimental demonstration shows the tuning of the resonant frequency can drift by as much as 12 GHz from the targeted value and still provide good performance. We perform extensive simulations of the proposed SSBI cancellation scheme, and suggest a polarization diverse design for the SiP subsystem. We examine via simulation the vulnerability to temperature variation and introduce a new performance metric: minimum guaranteed Qfactor. We use this metric to evaluate the SSBI cancellation robustness against the frequency drift induced by temperature changes. We maximize the spectral efficiency under different system conditions by sweeping the controllable design parameters. Finally the system simulation results provide guidance on the microring resonator design, as well as choice of guard band and modulation format to achieve the highest spectral efficiency. Finally, we turn to focus on overlay 5G signals on a PON infrastructure for RAN. We experimentally validate a silicon photonic subsystem designed for passive optical networks with carrier reuse and 5G analog radio-over-fiber (RoF) compatibility. The subsystem enables the simultaneous detection of RoF signals and a PON signal transmitted in a single assigned wavelength slot. While maintaining sufficient quality of RoF and PON signal detection, only the minimum carrier power is leached off for each detection, thus conserving carrier power for uplink modulation. We realize effective downlink signal suppression to leave a clean and strong carrier for remodulation. We demonstrate experimentally the RoF uplink signal via a micro ring modulator. We successfully detected an 8 GHz broadband signal and five 125 MHz RoF signals simultaneously. And two 125 MHz radio over fiber signals are remodulated onto the same carrier. The generated uplink RoF signal is 13 dB over the downlink signals, indicating their robustness against the crosstalk from residual downlink signals.

La tolérance aux pannes est une propriété très importante des réseaux optiques de nouvelle génération. Cette thèse aborde la conception des mécanismes de protection contre des pannes liées à la défaillance d’une fibre optique ou à une catastrophe naturelle. Deux systèmes de protection classiques, à savoir la protection par des cycles préconfigurés(p-cycles) et la protection du chemin de secours, sont étudiés pour atteindre une efficacité de protection élevée, tout en considérant le coût de l’équipement optique,la consommation d’énergie et l’utilisation de la ressource spectrale. Ces problèmes de survivabilité sont d’abord formulés en utilisant la programmation linéaire en nombres entiers (PLNE), et ensuite résolus soit par algorithmes heuristiques, soit par une approche de décomposition.La panne d’une seule fibre optique est le scénario le plus courant. Nous allons donc considérer d’abord des pannes liées à la défaillance d’une fibre optique dans les réseaux optiques multi-débit. Pour réduire le coût des transpondeurs, un système de protection par p-cycles de longueur adaptable et peu coûteux est proposé. Spécifiquement, les p cycles de longueur limitée sont conçus pour utiliser un débit approprié en fonction du coût du transpondeur et de la portée de transmission. Un modèle de programmation linéaire en nombres entiers (PLNE) sans énumération des cycles candidats est formulé pour générer directement les p-cycles de coût dépenses d’investissement minimum. De plus, un algorithme GPA (Graph Partitioning in Average) et un algorithme d’estimation des nombres de cycles (EI) sont développés pour rendre le modèle PLNE plus efficace au niveau du temps de calcul. En ce qui concerne la consommation d’énergie des réseaux optiques élastiques résilients,nous proposons d’utiliser un schéma de p-cycles dirigés, efficaces en énergie,pour protéger le trafic asymétrique. En raison de l’avantage de distinguer du volume de trafic dans les deux directions, les p-cycles dirigés consomment peu d’énergie en attribuant de créneaux ou slots du spectre et des formats de modulation différents à chaque direction.Un modèle PLNE est formulé pour minimiser la consommation d’énergie totale sous contraintes de génération du cycle dirigée, d’allocation de spectre, d’adaptation de modulation et de capacité de protection. Pour le passage à l’échelle, le modèle PLNE est décomposé en deux sous-problèmes: une méthode d’énumération de cycles améliorée et un modèle PLNE simplifié pour la sélection des cycles. Nous avons montré que les p-cycles dirigés obtiennent une meilleure performance comparant les p-cyclesiii non-dirigés pour le trafic asymétrique en termes de la consommation d’énergie et de l’utilisation du spectre.Afin d’améliorer l’efficacité d’utilisation du spectre dans réseaux optiques élastiques, une protection par p-cycles (SS-p-cycle) à spectre partagé est proposée. Les SS-p-cycles permettent de réduire l’utilisation du spectre et le taux de fragmentation spectrale en exploitant un partage de spectre spécial entre plusieurs p-cycles ayant des liens communs.Les modèles PLNE est conçus dans les cas "sans" ou "avec" conversion spectrale afin de minimiser l’utilisation du spectre. Ces modèles peuvent obtenir la solution optimale pour un petit réseaux optiques élastiques, et une heuristique efficace est développée pour résoudre les instances à grande échelle. Les résultats de simulations montrent que les SS-p-cycles ont des avantages significatifs pour réduire l’utilisation de la ressource spectrale et la défragmentation des fréquence. De plus, la conversion du spectre aide les SS-p-cycles à acquérir une meilleure utilisation du spectre. / Network survivability is a critical issue for optical networks to maintain resilience against network failures. This dissertation addresses several survivability design issues against single link failure and large-scale disaster failure in optical networks. Twoclassic protection schemes, namely pre-configured Cycles (p-Cycle) protection and path protection, are studied to achieve high protection capacity efficiency while taking intoaccount the equipment cost, power consumption and resource usage. These survivable network design problems are first formulated by mathematical models and then offered scalable solutions by heuristic algorithms or a decomposition approach.We first consider single link failure scenario. To cut the multi-line rates transponderscost in survivable Mixed-Line-Rate (MLR) optical networks, a distance-adaptive andlow Capital Expenditures (CAPEX) cost p-cycle protection scheme is proposed withoutcandidate cycle enumeration. Specifically, path-length-limited p-cycles are designed touse appropriate line rate depending on the transponder cost and transmission reach.A Mixed Integer Linear Programming (MILP) model is formulated to directly generate the optimal p-cycles with the minimum CAPEX cost. Additionally, Graph Partitioning in Average (GPA) algorithm and Estimation of cycle numbers (EI) algorithm are developed to make the proposed MILP model scalable, which are shown to be efficient.Regarding the power consumption in survivable Elastic Optical Networks (EONs),power-efficient directed p-cycle protection scheme for asymmetric traffic is proposed.Owing to the advantage of distinguishing traffic amount in two directions, directedp-cycles consume low power by allocating different Frequency Slots (FSs) and modulation formats for each direction. An MILP model is formulated to minimize total power consumption under constraints of directed cycle generation, spectrum assignment,modulation adaptation and protection capacity allocation. To increase the scalability, the MILP model is decomposed into an improved cycle enumeration and a simplified Integer Linear Programming (ILP) model. We have shown that the directedp-cycles out perform the undirected p-cycles in terms of power consumption and spectrum usage.In order to improve the spectrum usage efficiency in p-cycle protection, a SpectrumShared p-cycle (SS-p-cycle) protection is proposed for survivable EONs with and without spectrum conversion. SS-p-cycles permit to reduce spectrum usage and Spectrum Fragmentation Ratio (SFR) by leveraging potential spectrum sharing among multiplep-cycles that have common link(s). The ILP formulations are designed in both cases of with and without spectrum conversion to minimize the spectrum usage of SS-p-cycleswhich can obtain the optimal solution in small instance, and a time-efficient heuristic algorithm is developed to solve large-scale instances. Simulation results show that SSp-cycles have significant advantages on both spectrum allocation and defragmentation efficiency, and the spectrum conversion does help SS-p-cycle design to acquire better spectrum utilization.

[non communiqué] / For the last three decades, the optical fiber has been a quite systematic response to dimensioning issues in the Internet. Originally restricted to long haul networks, the optical network has gradually descended the network hierarchy to discard the bottlenecks. In the 90's, metropolitan networks became optical. Today, optical fibers are deployed in access networks and reach the users. In a near future, besides wireless access and local area networks, all networks in the network hierarchy may be made of fibers, in order to support current services (HDTV) and the emergence of new applications (3D-TV newly commercialized in USA). The deployment of such greedy applications will initiate an upward upgrade. The first step may be the Metropolitan Area Networks (MANs), not only because of the traffic growth, but also because of the variety of served applications, each with a specific traffic profile. The current optical layer is of mitigated efficiency, dealing with unforeseen events. The lack of reactivity is mainly due to the slow switching devices: any on-line decision of the optical layer is delayed by the configuration of the. devices. When the optical network has been extended in the MANs, a lot of efforts has been deployed to improve the reactivity of the optical layer. The Optical Circuit Switching paradigm (OCS) has been improved but it ultimately relies on off-line configuration of the optical devices. Optical Burst Switching (OBS) can be viewed as a highly flexible evolution of OCS, that operates five order of magnitude faster. Within this 'architecture, the loss-free guaranty can be abandoned in order to improve the reactivity of the optical layer. Indeed, reliability and reactivity appear as antagonists properties and getting closer to either of them mitigates the other. This thesis aims at proposing a solution to achieve reliable transmission over a dynamic optical layer. Focusing on OBS networks, our objective is to solve the contention issue without mitigating the reactivity. After the consideration of contention avoidance mechanisms with routing constraints similar as in OCS networks, we investigate the reactive solutions that intend to solve the contentions. None of the available contention resolution scheme can ensure the 100% efficiency that leads to loss-free transmission. An attractive solution is the recourse to electrical buffering, but it is notoriously disregarded because (1) it may highly impact the delays and (2) loss can occur due to buffer overflows. The efficiency of translucent architectures thus highly depends on the buffer availability, that can be improved by reducing the time spent in the buffers and the contention rate. We show that traffic grooming can highly reduce the emission delay, and consequently the buffer occupancy. In a first architecture, traffic grooming is enabled by a translucent core node architecture, capable to re-aggregate incoming bursts. The re-aggregation is mandatory to "de-groom" the bursts in the core network (i.e., to demultiplex the content of a burst). On the one hand, the re-aggregation highly reduces the loss probability, but on the other hand, it absorbs the benefits of traffic grooming. Finally, dynamic access to re-aggregation for contention resolution, despite the significant reduction of the contention rate, dramatically impacts the end-to-end delay and the memory requirement. We thus propose a second architecture, called CAROBS, that exploits traffic grooming in the optical domain. This framework is fully dynamic and can be used jointly with our translucent architecture that performs re-aggregation. As the (de)grooming operations do not involve re-aggregation, the translucent module can be restricted to contention resolution. As a result, the volume of data submitted to re-aggregation is drastically reduced and loss-free transmission can be reached with the same reactivity, end-to-end delay and memory requirement as a native OBS network

Un réseau de télécommunication optique est configuré de manière à répondre à<br />une demande donnée, avec un certain objectif. Avec le temps, la demande<br />d'exploitation du réseau change. C'est dans ce contexte que se pose le<br />problème de la reconfiguration: être capable de changer la configuration du<br />réseau de manière à l'adapter à des nouvelles demandes. Pour ce faire il faut<br />généralement interrompre totalement ou partiellement le trafic. Étant données<br />les quantités de données y circulant, il n'est guère envisageable d'arrêter le<br />réseau. De nombreux paramètres sont à prendre en compte afin de déterminer ce<br />que sera une bonne solution, et plusieurs métriques peuvent être utilisées<br />pour mesurer la qualité d'une solution.<br /><br />Dans une première partie, nous nous intéressons au problème de la<br />reconfiguration comme problème d'optimisation mono-objectif. Nous proposons un<br />modèle mathématique permettant de représenter le problème. Cependant, le<br />résoudre exactement peut être très coûteux en temps de calcul. Nous proposons<br />également une heuristique gloutonne et une heuristique basée sur le recuit<br />simulé. Les solutions obtenues présentent différentes caractéristiques selon<br />la métrique optimisée. L'algorithme glouton est rapide et trouve des solutions<br />décentes. L'algorithme du recuit simulé obtient des solutions qui sont<br />comparables aux solutions optimales.<br /><br />Dans une seconde partie, nous nous intéressons à l'aspect multiobjectif du<br />problème. Il consiste à considérer simultanément les différentes métriques et<br />rechercher un ensemble de solutions représentant différents compromis<br />intéressants. Puis nous proposons un algorithme basé sur notre modélisation<br />mathématique. Nous adaptons également un algorithme évolutif. Donner une<br />certaine flexibilité par rapport à une métrique permet généralement<br />d'améliorer de manière significative les solutions obtenues par rapport aux<br />autres métriques.