Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / La compression des données est la technique informatique qui vise à réduire la taille de l'information pour minimiser l'espace de stockage nécessaire et accélérer la transmission des données dans les réseaux à bande passante limitée. Plusieurs techniques de compression telles que LZ77 et ses variantes souffrent d'un problème que nous appelons la redondance causée par la multiplicité d'encodages. La multiplicité d'encodages (ME) signifie que les données sources peuvent être encodées de différentes manières. Dans son cas le plus simple, ME se produit lorsqu'une technique de compression a la possibilité, au cours du processus d'encodage, de coder un symbole de différentes manières. La technique de compression par recyclage de bits a été introduite par D. Dubé et V. Beaudoin pour minimiser la redondance causée par ME. Des variantes de recyclage de bits ont été appliquées à LZ77 et les résultats expérimentaux obtenus conduisent à une meilleure compression (une réduction d'environ 9% de la taille des fichiers qui ont été compressés par Gzip en exploitant ME). Dubé et Beaudoin ont souligné que leur technique pourrait ne pas minimiser parfaitement la redondance causée par ME, car elle est construite sur la base du codage de Huffman qui n'a pas la capacité de traiter des mots de code (codewords) de longueurs fractionnaires, c'est-à-dire qu'elle permet de générer des mots de code de longueurs intégrales. En outre, le recyclage de bits s'appuie sur le codage de Huffman (HuBR) qui impose des contraintes supplémentaires pour éviter certaines situations qui diminuent sa performance. Contrairement aux codes de Huffman, le codage arithmétique (AC) peut manipuler des mots de code de longueurs fractionnaires. De plus, durant ces dernières décennies, les codes arithmétiques ont attiré plusieurs chercheurs vu qu'ils sont plus puissants et plus souples que les codes de Huffman. Par conséquent, ce travail vise à adapter le recyclage des bits pour les codes arithmétiques afin d'améliorer l'efficacité du codage et sa flexibilité. Nous avons abordé ce problème à travers nos quatre contributions (publiées). Ces contributions sont présentées dans cette thèse et peuvent être résumées comme suit. Premièrement, nous proposons une nouvelle technique utilisée pour adapter le recyclage de bits qui s'appuie sur les codes de Huffman (HuBR) au codage arithmétique. Cette technique est nommée recyclage de bits basé sur les codes arithmétiques (ACBR). Elle décrit le cadriciel et les principes de l'adaptation du HuBR à l'ACBR. Nous présentons aussi l'analyse théorique nécessaire pour estimer la redondance qui peut être réduite à l'aide de HuBR et ACBR pour les applications qui souffrent de ME. Cette analyse démontre que ACBR réalise un recyclage parfait dans tous les cas, tandis que HuBR ne réalise de telles performances que dans des cas très spécifiques. Deuxièmement, le problème de la technique ACBR précitée, c'est qu'elle requiert des calculs à précision arbitraire. Cela nécessite des ressources illimitées (ou infinies). Afin de bénéficier de cette dernière, nous proposons une nouvelle version à précision finie. Ladite technique devienne ainsi efficace et applicable sur les ordinateurs avec les registres classiques de taille fixe et peut être facilement interfacée avec les applications qui souffrent de ME. Troisièmement, nous proposons l'utilisation de HuBR et ACBR comme un moyen pour réduire la redondance afin d'obtenir un code binaire variable à fixe. Nous avons prouvé théoriquement et expérimentalement que les deux techniques permettent d'obtenir une amélioration significative (moins de redondance). À cet égard, ACBR surpasse HuBR et fournit une classe plus étendue des sources binaires qui pouvant bénéficier d'un dictionnaire pluriellement analysable. En outre, nous montrons qu'ACBR est plus souple que HuBR dans la pratique. Quatrièmement, nous utilisons HuBR pour réduire la redondance des codes équilibrés générés par l'algorithme de Knuth. Afin de comparer les performances de HuBR et ACBR, les résultats théoriques correspondants de HuBR et d'ACBR sont présentés. Les résultats montrent que les deux techniques réalisent presque la même réduction de redondance sur les codes équilibrés générés par l'algorithme de Knuth. / Data compression aims to reduce the size of data so that it requires less storage space and less communication channels bandwidth. Many compression techniques (such as LZ77 and its variants) suffer from a problem that we call the redundancy caused by the multiplicity of encodings. The Multiplicity of Encodings (ME) means that the source data may be encoded in more than one way. In its simplest case, it occurs when a compression technique with ME has the opportunity at certain steps, during the encoding process, to encode the same symbol in different ways. The Bit Recycling compression technique has been introduced by D. Dubé and V. Beaudoin to minimize the redundancy caused by ME. Variants of bit recycling have been applied on LZ77 and the experimental results showed that bit recycling achieved better compression (a reduction of about 9% in the size of files that have been compressed by Gzip) by exploiting ME. Dubé and Beaudoin have pointed out that their technique could not minimize the redundancy caused by ME perfectly since it is built on Huffman coding, which does not have the ability to deal with codewords of fractional lengths; i.e. it is constrained to generating codewords of integral lengths. Moreover, Huffman-based Bit Recycling (HuBR) has imposed an additional burden to avoid some situations that affect its performance negatively. Unlike Huffman coding, Arithmetic Coding (AC) can manipulate codewords of fractional lengths. Furthermore, it has attracted researchers in the last few decades since it is more powerful and flexible than Huffman coding. Accordingly, this work aims to address the problem of adapting bit recycling to arithmetic coding in order to improve the code effciency and the flexibility of HuBR. We addressed this problem through our four (published) contributions. These contributions are presented in this thesis and can be summarized as follows. Firstly, we propose a new scheme for adapting HuBR to AC. The proposed scheme, named Arithmetic-Coding-based Bit Recycling (ACBR), describes the framework and the principle of adapting HuBR to AC. We also present the necessary theoretical analysis that is required to estimate the average amount of redundancy that can be removed by HuBR and ACBR in the applications that suffer from ME, which shows that ACBR achieves perfect recycling in all cases whereas HuBR achieves perfect recycling only in very specific cases. Secondly, the problem of the aforementioned ACBR scheme is that it uses arbitrary-precision calculations, which requires unbounded (or infinite) resources. Hence, in order to benefit from ACBR in practice, we propose a new finite-precision version of the ACBR scheme, which makes it efficiently applicable on computers with conventional fixed-sized registers and can be easily interfaced with the applications that suffer from ME. Thirdly, we propose the use of both techniques (HuBR and ACBR) as the means to reduce the redundancy in plurally parsable dictionaries that are used to obtain a binary variable-to-fixed length code. We theoretically and experimentally show that both techniques achieve a significant improvement (less redundancy) in this respect, but ACBR outperforms HuBR and provides a wider class of binary sources that may benefit from a plurally parsable dictionary. Moreover, we show that ACBR is more flexible than HuBR in practice. Fourthly, we use HuBR to reduce the redundancy of the balanced codes generated by Knuth's algorithm. In order to compare the performance of HuBR and ACBR, the corresponding theoretical results and analysis of HuBR and ACBR are presented. The results show that both techniques achieved almost the same significant reduction in the redundancy of the balanced codes generated by Knuth's algorithm.

À l'heure actuelle, pour le développement à long terme des réseaux sans fil la modélisation et l'estimation du canal s'avèrent très importantes. L'argument qui appuie cette affirmation, c'est que nous pouvons caractériser certains canaux dune manière utile au concepteur de système. Ce document présente une étude statistique du canal sans fil pour le système de transmission à trajets multipes ATSC (Advanced Systems Committee) DTTV (Digital Terrestrial Television). Les banques de données ATSC ont été divisées en plusieurs groupes selon les secteurs de réception et autres conditions de propagation. Nous présentons ici la procédure d'évaluation et les résultats d'expériences effectuées sur des canaux fixes et mobiles comprenant les distributions du nombre de trajets multiples et l'écart-type de l'étalement du délai. Le modèle modifié de Poisson a été appliqué pour comparaison avec le modèle statistique des trajets multiples pour chaque canal. Nous décrivons également les différentes catégories d'égaliseurs du système et comparons ainsi leurs fonctions.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l’Université de Montréal / Le monde technique change à toute vitesse et souvent les législations nationales et internationales doivent s'adapter pour garantir le maintien de la sécurité juridique et la clarté des actes administratifs. Le monde de la télécommunication a connu un développement technique notable au cours des dernières années. Souvent il est possible d'entendre que le monde est devenu plus petit et que la communication est facilitée grâce aux nouvelles technologies de l'information. Ceci étant, ce développement représente pour les législateurs un grand défi. Avant cette révolution technique le monde de la télécommunication était partagé en plusieurs réseaux et la régulation était plus facile pour les États. Il existait un système de régulation sectorielle et la plupart des entreprises assurant le service étaient nationalisées. La libéralisation et le phénomène de la convergence ont bouleversé ce système traditionnel et, par conséquent, les États sont à la recherche de nouvelles approches de régulation pour garantir le bien-être de leurs citoyens et un commerce loyal entre les nouveaux concurrents. Aujourd'hui de nouvelles expressions comme « autorégulation » ou « Soft Law » sont omniprésentes lors des délibérations des autorités nationales et internationales. L'Union européenne, elle aussi, s'est chargée de répondre au nouveau défi qui lui était imposé par les développements récents. Elle élabore actuellement un nouveau cadre juridique pour le secteur de la télécommunication dans son ensemble. Sachant que l'Union européenne a toujours préféré une approche régulatrice étatique stricte, elle ose aujourd'hui développer des législations contenant des éléments d'autorégulation plus souples et plus flexibles. Le nouveau cadre juridique instauré s'avère d'être une réponse possible face à l'émergence des nouvelles technologies. Pour l'Union européenne, cette législation représente une petite révolution l'écartant d'un dogme traditionnel fondé sur l'administration gouvernementale des marchés, assurant l'approvisionnement des citoyens avec des services et biens élémentaires. Ce nouveau cadre juridique visant à réguler des domaines technologiques (la téléphonie vocale fixe, la téléphonie mobile, l'Internet, etc.) caractérisés par un développement technologique et économique hétérogène, pêche, selon nous, par un excès d'ambition. II peut nuire au développement des différents secteurs et ainsi à l'ensemble du développement économique de la Communauté. L'Union européenne a certainement des responsabilités en matière de fourniture de services aux citoyens mais elle doit se garder d'entraver le développement des secteurs d'activités n'exigeant pas de régulation technique comme l'Internet et la téléphonie mobile.

Des systèmes de détection cohérente avec traitement numérique du signal (DSP) sont présentement déployés pour la transmission optique de longue portée. La modulation par déplacement de phase en quadrature à deux polarisations (DP-QPSK) est une forme de modulation appropriée pour la transmission optique sur de longues distances (1000 km ou plus). Une autre forme de modulation, le DP-16-QAM (modulation d’amplitude en quadrature) a été récemment utilisée pour les communications métropolitaines (entre 100 et 1000 km). L’extension de la distance maximum de transmission du DP-16-QAM est un domaine de recherche actif. Déterminer si l’utilisation de la détection cohérente pour les transmissions à courtes distances (moins de 100 km) en justifieraient les coûts demeure cependant une question ouverte. Dans cette thèse, nous nous intéresserons principalement au recouvrement de phase et au démultiplexage en polarisation dans les récepteurs numériques cohérents pour les applications à courte distance. La réalisation de systèmes optiques gigabauds cohérents en temps-réel utilisant des formats de modulation à monoporteuse plus complexes, comme le 64-QAM, dépend fortement du recouvrement de phase. Pour le traitement numérique hors-ligne, la récupération de phase utilisant les résultats de décisions (decision-directed phase recovery (DD-PR)) permet d’obtenir, au débit des symboles, les meilleures performances, et ce avec un effort computationnel moindre que celui des meilleurs algorithmes connus. L’implémentation en temps-réel de systèmes gigabauds requiert un haut degré de parallélisation qui dégrade de manière significative les performances de cet algorithme. La parallélisation matérielle et le délais de pipelinage sur la boucle de rétroaction imposent des contraintes strictes sur la largeur spectrale du laser, ainsi que sur le niveau de bruit spectral des sources laser. C’est pourquoi on retrouve peu de démonstrations de recouvrement de phase en temps-réel pour les modulations 64-QAM ou plus complexes. Nous avons analysé expérimentalement l’impact des lasers avec filtres optiques sur le recouvrement de phase realisé en pipeline sur un système cohérent à monoporteuse 64-QAM à 5 Gbaud. Pour les niveaux de parallélisation plus grands que 24, le laser avec filtres optiques a permis une amélioration de 2 dB du ratio signal-à-bruit optique, en comparaison avec le même laser sans filtre optique. La parallélisation du recouvrement de phase entraîne non seulement une plus grande sensibilité au bruit de phase du laser, mais aussi une plus grande sensibilité aux fréquences résiduelles induites par la présence de tonalités sinusoïdales dans la source. La modulation de fréquences sinusoïdales peut être intentionnelle, pour des raisons de contrôle, ou accidentelles, dues à l’électronique ou aux fluctuations environnementales. Nous avons étudié expérimentalement l’impact du bruit sinusoïdal de phase du laser sur le système parallèle de recouvrement de phase dans un système 64-QAM à 5 Gbauds, en tenant compte des effets de la compensation du décalage de fréquence et de l’égalisation. De nos jours, les filtres MIMO (multi-input multi-output) à réponse finie (FIR) sont couramment utilisés pour le démultiplexage en polarisation dans les systèmes cohérents. Cependant, ces filtres souffrent de divers problèmes durant l’acquisition, tels la singularité (les mêmes données apparaissent dans les deux canaux de polarisation) et la longue durée de convergence de certaines combinaisons d’états de polarisation (SOP). Pour réduire la consommation d’énergie exigée dans les systèmes cohérents pour les applications à courtes distances où le délais de groupe différentiel n’est pas important, nous proposons une architecture DSP originale. Notre approche introduit une pré-rotation de la polarisation, avant le MIMO, basée sur une estimation grossière de l’état de polarisation qui n’utilise qu’un seul paramètre Stokes (s1). Cette méthode élimine les problèmes de singularité et de convergence du MIMO classique, tout en réduisant le nombre de filtres MIMO croisés, responsables de l’annulation de la diaphonie de polarisation. Nous présentons expérimentalement un compromis entre la réduction de matériel et la dégradation des performances en présence de dispersion chromatique résiduelle, afin de permettre la réalisation d’applications à courtes distances. Finalement, nous améliorons notre méthode d’estimation à l’aveugle par un filtre Kalman étendu (EKF) à temps discret de faible complexité, afin de réduire la consommation de mémoire et les calculs redondants apparus dans la méthode précédante. Nous démontrons expérimentalement que la pré-rotation de polarisation basée sur le EKF operé au taux ASIC (Application-Specific Integrated Circuits) permet de récupérer la puissance de fréquence d’horloge du signal multiplexé en polarisation ainsi que d’améliorer la performance du taux d’erreur sur les bits (BER) en utilisant un MIMO de complexité réduite. / Coherent detection with digital signal processing (DSP) is currently being deployed in longhaul optical communications. Dual-polarization (DP) quadrature phase shift keying (QPSK) is a modulation format suitable for long-haul transmission (1000 km or above). Another modulation, DP-16-QAM (quadrature amplitude modulation) has been deployed recently in metro regions (between 100 and 1000 km). Extending the reach of DP-16QAM is an active research area. For short-reach transmission (shorter than 100 km), there is still an open question as to when the technology will be mature enough to meet cost pressures for this distance. In this dissertation, we address mainly on phase recovery and polarization demultiplexing in digital coherent receivers for short-reach applications. Implementation of real-time Gbaud (Gsymbol per second) optical coherent systems for singlecarrier higher-level modulation formats such as 64-QAM depends heavily on phase tracking. For offline DSP, decision-directed phase recovery is performed at the symbol rate with the best performance and the least computational effort compared to best-known algorithms. Real-time implementations at Gbaud requires significant parallelizing that greatly degrades performance of this algorithm. Hardware parallelization and pipelining delay on the feedback path impose stringent requirements on the laser linewidth, or the frequency noise spectral level of laser sources. This leads to the paucity of experiments demonstrating real-time phase tracking for 64- or higher QAM. We experimentally investigated the impact of opticallyfiltered lasers on parallel and pipelined phase tracking in a single-carrier 5 Gbaud 64-QAM back-to-back coherent system. For parallelization levels higher than 24, the optically-filtered laser shows more than 2 dB improvement in optical signal-to-noise ratio penalty compared to that of the same laser without optical filtering. In addition to laser phase noise, parallelized phase recovery also creates greater sensitivity to residual frequency offset induced by the presence of sinusoidal tones in the source. Sinusoidal frequency modulation may be intentional for control purposes, or incidental due to electronics and environmental fluctuations. We experimentally investigated the impact of sinusoidal laser phase noise on parallel decision-directed phase recovery in a 5 Gb 64-QAM system, including the effects of frequency offset compensation and equalization. MIMO (multi-input multi-output) FIR (finite-impulse response) filters are conventionally used for polarization demultiplexing in coherent communication systems. However, MIMO FIRs suffer from acquisition problems such as singularity and long convergence for a certain polarization rotations. To reduce the chip power consumption required in short-reach coherent systems where differential group delay is not prominent, we proposed a novel parallelizable DSP architecture. Our approach introduces a polarization pre-rotation before MIMO, based on a very-coarse blind SOP (state of polarization) estimation using only a single Stokes parameter (s1). This method eliminates the convergence and singularity problems of conventional MIMO, and reduces the number of MIMO cross taps responsible for cancelling the polarization crosstalk. We experimentally presented a tradeoff between hardware reduction and performance degradation in the presence of residual chromatic dispersion for short-reach applications. Finally, we extended the previous blind SOP estimation method by using a low-complexity discrete-time extended Kalman filter in order to reduce the memory depth and redundant computations of the previous design. We experimentally verified that our extended Kalman filter-based polarization prerotation at ASIC rates enhances the clock tone of polarization-multiplexed signals as well as the bit-error rate performance of using reduced-complexity MIMO for polarization demultiplexing.

Les avantages de la modulation de phase vis-à-vis la modulation d’intensité pour les réseaux optiques sont claires et accepté par la communauté scientifique des télécommunications optiques. Surtout, la modulation de phase montre une meilleure sensibilité au bruit, ainsi qu’une plus grande tolérance aux effets non-linéaires que la modulation d’intensité. Nous présentons dans cette thése un étude qui vise à développer les avantages de la modulation de phase. Nous attaquons d’abord la complexité du récepteur en détection directe, en proposant une nouvelle configuration dont la complexité est comparable à celle du récepteur pour la modulation d’intensité traditionnel, mais avec des meilleures performances. Cette solution pourrait convenir pour les réseaux métropolitains (et même d’accès) à haut débit binaire. Nous passons ensuite à l’examen de la possibilité d’utiliser des amplificateur à semi-conducteur (SOA) au lieu des amplificateurs à fibre dopée à l’erbium pour fournir amplification optique aux signaux modulés en phase. Les non-linéarité des SOA sont étudiées, et un compensateur simple et très efficace est proposé. Les avantages des amplificateurs à semi-conducteur par rapport à ceux à fibre sont bien connus. Surtout, la méthode que nous proposons permettrait l’integrabilité des SOA avec d’autres composants de réseau (par exemple, le récepteur nommé cidessus), menant à des solutions technologiques de petite taille et efficaces d’un point de vue énergétique. Il y a deux types de systèmes pour signaux modulés en phase: basé sur la détection directe, ou sur les récepteurs cohérents. Dans le dernière partie de ce travail, nous nous concentrons sur cette dernière catégorie, et nous comparons deux solutions possibles pour la mise à niveau des réseaux terrestres actuel. Nous comparons deux configurations dont les performances sont très comparables en termes de sensibilité au bruit, mais nous montrons comment la meilleure tolérance aux effets non linéaires (en particuliers dans les systèmes à débit mixte) fait que une solution soit bien plus efficace que l’autre. / The advantages of phase modulation (PM) vis-à-vis intensity modulation for optical networks are accepted by the optical telecommunication community. PM exhibits a higher noise sensitivity than intensity modulation, and it is more tolerant to the effects of fiber nonlinearity. In this thesis we examine the challenges and the benefits of working with different aspects of phase modulation. Our first contribution tackles the complexity of the direct detection noncoherent receiver for differentially encoded quadrature phase shift keying. We examine a novel configuration whose complexity is comparable to that of traditional receivers for intensity modulation, yet outperforming it. We show that under severe nonlinear impairments, our proposed receiver works almost as well as the conventional receiver, with the advantage of being much less complex. We also show that the proposed receiver is tolerant to chromatic dispersion, and to detuning of the carrier frequency. This solution might be suitable for high-bit rates metro (and even access) networks. Our second contribution deals with the challenges of using semiconductor optical amplifiers (SOAs) instead of typical erbium doped fiber amplifiers (EDFAs) to provide amplification to phase modulated signals. SOAs nonlinearities are investigated, and we propose a simple and very effective feed-forward compensator. Above all, the method we propose would permit the integrability of SOAs with other network components (for example, the aforementioned receiver) achieving small size, power efficient sub-systems. Phase modulation paves the way to high spectral efficiency, especially when paired with digital coherent receivers. With the digital coherent receiver, the degree of freedom offered by polarization can be exploited to increase the channel bit rate without increasing its spectral occupancy. In the last part of this work we focus on polarization multiplexed signaling paired with coherent reception and digital signal processing. Our third contribution provides insight on the strategies for upgrading current terrestrial core networks to high bit rates. This is a particularly challenging scenario, as phase modulation has to coexist with previously installed intensity modulated channels. We compare two configurations which have received much attention in the literature. These solutions show comparable performance in terms of back-to-back noise sensitivity, and yet are not equivalent. We show how the superior tolerance to nonlinear fiber propagation (and particularly to cross phase modulation induced by the presence of intensity modulated channels) makes one of them much more effective than the other.

Les chambres de réverbération, originellement conçues pour la compatibilité électromagnétique, connaissent un nouvel essor depuis quelques années. Elles sont de plus en plus utilisées pour simuler des canaux de communication. L'objectif fondamental de ce travail de recherche est la conception et la fabrication d 'une chambre de réverbération de faible encombrement pour récréer de manière physique des canaux de communi~ation à partir de 800 MHz. Un tel dispositif est un atout précieux pour l'étude et le développement de systèmes de communication mobiles, car il permet dans un laboratoire de confronter le système de communication à des conditions comparables aux conditions réelles et facilement reproductibles. L'utilisation d 'une chambre de réverbération permet de s'affranchir des défauts des générateurs de canaux électroniques dont le débit est souvent limité et dont le caractère aléatoire est souvent très discutable. La chambre de réverbération devient donc un outil de choix pour le développement de systèmes mobiles à haut débit. Ce mémoire présente succinctement les canaux de communications multitrajets et les chambres de réverbération et aborde la conception de notre chambre de réverbération à travers des considérations théoriques et des simulations numériques. Finalement les performances de notre chambre de réverbération sont présentées et analysées.

"Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Télécom ParisTech, Paris, France" / L’échange d’informations est devenu une question de première importance et les systèmes optiques leur réponse. En effet, ils permettent de proposer des liens de communication pouvant contenir un flux toujours grandissant de données. Si le développement des liaisons intercontinentales reste au centre de toutes les attentions, la question de la connexion de réseaux plus modestes n’est pas à négliger, tant les notions de centre de données ou de stockage sur le « nuage » prennent de l’ampleur. En particulier, la longueur du lien de transmission joue un rôle central dans la question du coût énergétique. En effet, si pour couvrir de grandes distances, les réseaux optiques doivent se munir de structures robustes, capables de juguler ce flot, les liens courte distance peuvent quant à eux se dispenser de ces éléments onéreux. Pour répondre à ces besoins, cette thèse aborde la problématique des diodes lasers à modulation directe (DML) lesquelles figurent parmi les concurrents les plus incontournables pour les liens courte distance. Ces émetteurs de petite taille brillent notamment par leur faible coût ainsi que par leur facilité d’implémentation dans une chaine de transmission optique et une consommation énergétique - par bits transmis – plus faible que les transmetteurs exploitant la modulation externe. Néanmoins, la modulation directe de la lumière impacte fortement la bande passante de transmission et par conséquent le débit binaire maximal atteignable. Dans cette thèse, nous proposons d’explorer de nouvelles architectures de DMLs à capacité de transmission augmentée compatibles avec des débits supérieurs à 50 Gbps. Dans ce but, deux axes d’étude ont été privilégiés. Le premier repose sur une nouvelle structure DML exploitant des effets non-linéaires combinés comme le levier de gain et l’injection optique. Les simulations révèlent d’excellents résultats avec des bandes passantes prometteuses > 85 GHz et un diagramme de l’œil toujours ouvert à 40 Gbps. De plus, il est démontré que l’utilisation conjointe du levier de gain et de l’injection optique renforce la résistance aux phénomènes de compression du gain et de dérive de fréquence (chirp) garantissant ainsi une utilisation stable du DML dans un système de transmission. Le deuxième axe de la thèse se polarise sur l’étude de transmetteurs dont le volume de cavité se rapproche de la limite de diffraction. Les résultats montrent que le contrôle de l’émission spontanée est un élément vital pour diminuer substantiellement les puissances consommées tout en conservant une bonne dynamique de modulation. Le seuil optique étant atteint avant que le milieu ne soit totalement inversé (seuil électrique), les niveaux de courants de polarisation utilisés sont très faibles, typiquement <1 mA. Pour des dimensions de cavités proches de celles des structures verticales à émission par la surface (VCSELs), des bandes passantes de plus de 60 GHz sont obtenues. En transmission, les mésolasers apparaîssent comme les meilleurs candidats pour la modulation directe avec des diagrammes de l’œil permettant une décision à plus de 50 Gbps pour un courant de 6 mA. Lorsque le volume de cavité devient inférieur à la limite de diffraction (nanolaser), l’émetteur optique ne permet plus de conserver une dynamique de modulation efficace et une transmission compétitive. Couplés aux techniques de traitement de signal déjà employées pour la modulation directe, ce travail montre que les nouveaux composants DML susmentionnés possèdent des capacités d’opération exaltées (> 50 Gbps) ce qui en font d’excellents candidats pour les liens courte distance. / Development of ultrafast chips operating at speeds exceeding 100 Gbps is of paramount importance for increasing the transmission capacity of fiber-based networks, directly impacting G5 wireless networks, internet, local area networks, metropolitan area networks, and long-haul backbones, thus bringing closer the concept of networked society. Although complex modulation formats combined with digital signal post-processing are usually preferred to reach ultra-high modulation bandwidth, the long latency introduced by electronic processing results in a severe communication bottleneck. To this end, direct-detection systems implemented with directly modulated semiconductor lasers remain promising candidates as sources of high-speed intensity modulated signals thanks to their low-cost, well-established fabrication, compactness and most importantly their low energy consumption - by transmitted bits – much lower than transmitters using external modulation of light. In order to improve the performance and capacity of optical networks, it is necessary to enhance the modulation efficiency and 3-dB electro-optical bandwidth of optical transmitters without increasing their intensity noise and inducing excessive frequency chirp as well as intrinsic parasitic effects driven by nonlinear gain suppression or carrier transport delay. In order to improve the modulation characteristics, this PhD thesis explores new architectures of directly modulated lasers with increased transmission capacities compatible with high-speed operations at 50 Gbps and beyond. For this purpose, we first study a new DML exploiting combined non-linear effects such as gain lever and optical injection. Simulations reveal excellent results with promising bandwidths> 85 GHz and an eye diagram still open at 40 Gbps. In addition, it is demonstrated that the joint use of the gain lever and the optical injection greatly enhances the resistance to the gain compression and strongly lowers the frequency chirping making such a DML highly robust in a transmission system environment. The second axis of the thesis is focused on the modulation dynamics of optical transmitters whose cavity volume is closer to the diffraction limit. In such lasers in which the spontaneous emission rate is strongly enhanced, the optical threshold occurs before themedium is totally inverted (electrical threshold e.g. clamping condition). As a consequence, simulations show that nanolasers with cavity volumes below the diffraction limit can operate with extremely low injected currents (<<1 mA) which is desirable for reducing power consumption however without great performance at high-speeds. On the contrary, mesolasers with cavity sizes similar to that of surface-emitting vertical structures (VCSELs) are found to be the best candidates for high-speed operation with 3-dB electro-optics bandwidths as large as 60 GHz and an eye diagram allowing a decision at 50 Gbps for a current of 6 mA. Coupled with the signal processing techniques already employed for direct modulation, this work shows that the aforementioned directly modulated lasers have exalted operating capabilities (>50 Gbps) making them excellent candidates for short-reach communications.

Nous étudions les réseaux optiques pouvant transporter un trafic de données de type Internet. Notre objectif est de transposer les paquets électroniques de données en des paquets optiques et d'effectuer un routage de manière tout-optique. Nous utilisons un multi protocole généralisé par commutation d'étiquettes (GMPLS), où une étiquette optique est assignée à chaque paquet et est utilisée pour le routage. Nous proposons deux structures de réseau différentes basées sur des étiquettes multi longueurs d'onde. Nous contournons les principaux désavantages des scénarios GMPLS optiques proposés précédemment, c'est-à-dire les pertes de fractionnement et les technologies complexes requises. Les structures de réseau proposées sont pratiques, haute-vitesse, simples, redimensionnables et peu coûteuses. Pour la première approche, nous utilisons un encodage spectral d'amplitude (SAC) pour les étiquettes afin d'accomplir le routage très haut débit des paquets. Nous proposons de superposer des étiquettes SAC pour réaliser un adressage hiérarchique et ainsi réduire la taille des tables de correspondance d'adresses ainsi que les pertes de fractionnement. Nous examinons expérimentalement deux formats de paquets optiques, l'un avec étiquette SAC séparable, et l'autre avec données directement encodées par SAC. Pour la seconde approche, nous proposons une structure de réseau basée sur des étiquettes multi longueurs d'onde binaires. Les pertes de fractionnement sont éliminées pour cette approche, la rendant ainsi encore plus facilement redimensionnable que notre proposition SAC. Avec cette technique, les bits des étiquettes sont associés à une sélection de cases Séquentielles optiques. Au nœud, les paquets de longueurs variables sont auto routés par un commutateur multi étages alors que chaque bit de l'étiquette contrôle un étage. Le nœud est redimensionnable et possède des pertes d'insertion fixes. Nous proposons également une solution pour alléger les traitements sophistiqués associés à la substitution d'étiquettes dans les réseaux GMPLS. Nous multiplexons temporellement les étiquettes multi longueurs d'onde binaires pour le chemin complet de commutation optique. Comme démonstration de faisabilité, nous examinons expérimentalement les performances des approches proposées. Finalement, nous proposons une solution pour résoudre les collisions, ce qui n'était pas considéré dans les deux premières structures. Nous considérons qu'une topologie simplifiée, soit une topologie à une liaison à un bond. Les nœuds aux frontières sont coordonnés temporellement avec les nœuds centraux lors de l'établissement du réseau, donc la synchronisation optique en temps continu n'est plus nécessaire. Un algorithme de planification non centralisé aléatoire est utilisé pour éliminer les collisions; aucun tampon optique n'est nécessaire. Un algorithme simple de graphe bipartite est proposé afin de déterminer les connections au commutateur central. Nous simulons le réseau pour un type de trafic réaliste; les résultats confirment la bonne performance de l'algorithme de planification et démontrent que l'architecture proposée est pratique et bien adaptée aux réseaux optiques de commutation par paquets. / We investigate optical networks capable of carrying data-type traffic. Our objective is to map Internet packets into optical packets and route them all-optically. We employ generalized multi-protocol label switching (GMPLS), where an optical label used for routing is assigned to each packet. We propose two different network structures based on multi-wavelength labels. We resolve the main drawbacks of previously proposed scenarios that are impractical and expensive due to high splitting loss and the complex technologies required. Our proposed network structures are practical, high-speed, simple, scalable, and low-cost. In the first approach, we use spectral amplitude codes (SAC) as labels, to accomplish ultrafast packet forwarding. We propose stacking SAC-labels for hierarchical addressing, to reduce the size of lookup tables and splitting loss. We experimentally examine two optical packet formats, one with separable SAC-labels, and the other with SAC-encoded payloads. In the second approach, we propose a network structure based on binary multi-wavelength labels. Splitting losses are eliminated in this approach, rendering it even more scalable than our SAC proposal. In this scheme, the label is mapped bit-by-bit to a selection of wavelength bins. At the forwarding node, variable-length packets are self-forwarded over a multi-stage switch where each label bit controls a switch stage. The forwarding node is scalable and has fixed insertion loss. We also propose a solution to alleviate the sophisticated label swapping processing required in GMPLS networks. We time-multiplex the binary multi-wavelength labels for the entire optical label-switching path. We examine the performance of the proposed schemes experimentally as a proof of concept. Finally, we propose a solution for contention resolution, not addressed in the first two structures. We simplify the network topology to single-hop; the edge nodes are time-coordinated with the core nodes, thus optical synchronizers are not required. A noncentralized randomized scheduling algorithm is used to resolve contention; no optical buffer is required. A simple bipartite-graph matching algorithm is proposed to determine the connections at the core switch. We simulate the network for a realistic traffic type; the results confirm the good performance of the scheduling algorithm and establish that the proposed architecture is practical and desirable for packet-switched optical networks.

L’enregistrement des données de neurones a connu d’énormes progrès au cours des dernières années ; il aide à diagnostiquer les maladies à l’intérieur du cerveau comme la maladie de Parkinson et la dépression clinique. Un grand nombre de patients atteints de Parkinson utilisent un implant neuronal pour réduire les tumeurs et le mouvement rigide. Afin de contrôler le mouvement, une petite électrode est placée sur le cerveau pour réduire et même éliminer les symptômes de Parkinson au moment où une simulation électrique arrive. Le système d’enregistrement de données de neurones exige un lien complet. En utilisant des microélectrodes, on prend les données provenant des neurones dans le cerveau, on les convertis en données numériques et ensuite on transmet ces données numérisées en utilisant une liaison sans fil. Dans ce travail, nous nous concentrons sur l’envoi de données de neurones à partir d’un dispositif implanté à travers la peau en utilisant la lumière. Il y’a différentes façons de transmettre les données sans fil, soit avec antenne, soit avec un émetteur optique ; nous discutons à propos de ces méthodes dans le chapitre de la revue de la littérature. Nous avons choisi de travailler avec Émettant VCSEL ou Vertical Cavity Surface lasers ; une diode laser spécialisée avec une meilleure efficacité et une vitesse élevée par rapport à d’autres dispositifs optiques. La première partie de la recherche était d’étudier la meilleure façon de transmettre des données à travers la peau humaine, le mode de transmission et les propriétés du milieu à travers lequel la lumière se propage. Après avoir choisi le mode de transmission, nous avons conçu un lien intégré en utilisant la technologie de 0,18 um CMOS. Ce lien intégré est constitué de deux parties, du côté de l’émetteur, qui est un moteur apte à entraîner le VCSEL avec un dB bande passante à 3 de 1,3 GHz et une faible consommation de puissance de 12 mW, et un côté récepteur qui se compose d’une photodiode reliée à un VCSEL CMOS amplificateur d’adaptation d’impédance à gain élevé (90 dB) et haute vitesse de (250 Mbps). La deuxième partie était de construire une liaison optique discrète avec des composants à faible coût commercial, donc nous avons conçu deux PCB (Printed Circuit Board) pour le côté émetteur ainsi que le côté récepteur, et nous avons conçu un système mécanique pour aligner l’émetteur et la photodiode. Nous avons ensuite testé notre liaison optique, ce qui a démontré la capacité de transmettre des données par le biais de 3 mm de tissu de porc à un débit binaire de 20 Mbps avec une faible consommation d’énergie de 3MWen utilisant OOK (On Off Keying) la transmission de données, et enfin nous avons fait une comparaison entre nos résultats et d’autres oeuvres. / Neural data recording has seen huge progress during the past few years; it helps for diagnosing diseases inside the brain like Parkinson disease and clinical depression. A big number of Parkinson’s patients use a neural implant to lessen tumors and rigid movement. A small electrode will be placed on the brain. It helps to control motion and when an electrical simulation happens, it helps reduce and even eliminate Parkinson symptoms. The neural data recording system requires a complete link starting by recording neural data using electrodes, convert this data onto digital data and transmit the digitized data using a wireless link. In this work we are focusing on sending neural data from an implanted device through the skin using light. There are different ways to transmit data wirelessly with either antenna or with an optical transmitter; we discuss about those methods in the literature review chapter. We choose to work with VCSEL or Vertical Cavity Surface Emitting Lasers; a specialized laser diode with improved efficiency and high speed compared to other optical devices. The first part of the research was to study the best way to transmit data through the human skin, the method of transmission and the properties of the medium through which the light will propagate. After choosing the method of transmission, we designed an integrated link using 0.18 um CMOS technology. This integrated link consists of two parts, the transmitter side which is a VCSEL driver able to drive the VCSEL with a 3 dB bandwidth of 1.3 GHz and low power-consumption of 12 mW, and a receiver side that consists of a photodiode connected to a CMOS transimpedance amplifier with high gain (90 dB) and high speed of (250 Mbps). The second part was to build a discrete optical link with commercial low cost components, so we designed two PCBs (Printed Circuit Board) for the transmitter and receiver side, and we designed a mechanical system to align the transmitter and the photodiode. We then tested our optical link, and it demonstrated the capability to transmit data through 3 mm of pork tissue at a bit-rate of 20 Mbps with low power consumption of 3 mW using OOK (On Off Keying) data transmission, and finally we did a comparison between our results and other works.

Les convertisseurs de longueur d’onde sont essentiels pour la réalisation de réseaux de communications optiques à routage en longueur d’onde. Dans la littérature, les convertisseurs de longueur d’onde basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur constituent une solution extrêmement intéressante, et ce, en raison de leurs nombreuses caractéristiques nécessaires à l’implémentation de tels réseaux de communications. Avec l’émergence des systèmes commerciaux de détection cohérente, ainsi qu’avec les récentes avancées dans le domaine du traitement de signal numérique, il est impératif d’évaluer la performance des convertisseurs de longueur d’onde, et ce, dans le contexte des formats de modulation avancés. Les objectifs de cette thèse sont : 1) d’étudier la faisabilité des convertisseurs de longueur d’onde basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur pour les formats de modulation avancés et 2) de proposer une technique basée sur le traitement de signal numérique afin d’améliorer leur performance. En premier lieu, une étude expérimentale de la conversion de longueur d’onde de formats de modulation d’amplitude en quadrature (quadrature amplitude modulation - QAM) est réalisée. En particulier, la conversion de longueur d’onde de signaux 16-QAM à 16 Gbaud et 64-QAM à 5 Gbaud dans un amplificateur optique à semi-conducteur commercial est réalisée sur toute la bande C. Les résultats démontrent qu’en raison des distorsions non-linéaires induites sur le signal converti, le point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde est différent de celui obtenu lors de la conversion de longueur d’onde de formats de modulation en intensité. En effet, dans le contexte des formats de modulation avancés, c’est le compromis entre la puissance du signal converti et les non-linéarités induites qui détermine le point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde. Les récepteurs cohérents permettent l’utilisation de techniques de traitement de signal numérique afin de compenser la détérioration du signal transmis suite à sa détection. Afin de mettre à profit les nouvelles possibilités offertes par le traitement de signal numérique, une technique numérique de post-compensation des distorsions induites sur le signal converti, basée sur une analyse petit-signal des équations gouvernant la dynamique du gain à l’intérieur des amplificateurs optiques à semi-conducteur, est développée. L’efficacité de cette technique est démontrée à l’aide de simulations numériques et de mesures expérimentales de conversion de longueur d’onde de signaux 16-QAM à 10 Gbaud et 64-QAM à 5 Gbaud. Cette méthode permet d’améliorer de façon significative les performances du convertisseur de longueur d’onde, et ce, principalement pour les formats de modulation avancés d’ordre supérieur tel que 64-QAM. Finalement, une étude expérimentale exhaustive de la technique de post-compensation des distorsions induites sur le signal converti est effectuée pour des signaux 64-QAM. Les résultats démontrent que, même en présence d’un signal à bruité à l’entrée du convertisseur de longueur d’onde, la technique proposée améliore toujours la qualité du signal reçu. De plus, une étude du point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde est effectuée et démontre que celui-ci varie en fonction des pertes optiques suivant la conversion de longueur d’onde. Dans un réseau de communication optique à routage en longueur d’onde, le signal est susceptible de passer par plusieurs étages de conversion de longueur d’onde. Pour cette raison, l’efficacité de la technique de post-compensation est démontrée, et ce pour la première fois dans la littérature, pour deux étages successifs de conversion de longueur d’onde de signaux 64-QAM à 5 Gbaud. Les résultats de cette thèse montrent que les convertisseurs de longueur d’ondes basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur, utilisés en conjonction avec des techniques de traitement de signal numérique, constituent une technologie extrêmement prometteuse pour les réseaux de communications optiques modernes à routage en longueur d’onde. / Wavelength converters are essential building blocks of future all-optical wavelength-routed optical networks. Wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers have been proposed since they possess many of the features required for the implementation of such networks. In the literature, they have been extensively studied in the context of direct detection optical communication systems. With the recent emergence of commercial coherent systems together with the advances in digital signal processing, there is an imperative need to study the performance of wavelength converters for advanced modulation formats. The objective of this thesis is to investigate the feasibility of wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers for advanced modulation formats and subsequently propose a digital signal processing technique that aims to improve their performance. An experimental investigation of m-ary quadrature amplitude modulation (QAM) wavelength conversion is first performed. In particular, wideband wavelength conversion of 10 Gbaud 16-QAM and, for the first time, 5 Gbaud 64-QAM signals is successfully achieved over the whole C-band using a commercial semiconductor optical amplifier. The results show that the induced nonlinear distortions on the wavelength converted signal lead to a different optimal wavelength converter operating condition compared to wavelength conversion of intensity modulation formats. For wavelength conversion of advanced modulation formats, the tradeoff between the wavelength converted signal power and the nonlinearities dictates the optimal wavelength converters operating condition. The digital signal processing capabilities of coherent receivers renders possible the compensation of the signal impairments in the digital domain after detection. Making use of this, a digital post-compensation technique based on a small-signal analysis of the equations governing the gain dynamics of semiconductor optical amplifiers is developed in order to mitigate the nonlinear distortions imposed on the wavelength converted signal. The proof of concept is realized both via numerical simulations and experimental measurements of 10 Gbaud 16-QAM and 5 Gbaud 64-QAM: the post-compensation technique significantly improve the wavelength converter especially in the case of high-order advanced modulation formats such as 64-QAM. Finally, a thorough experimental investigation of the post-compensation technique performance for 5 Gbaud 64-QAM wavelength conversion is done. The results indicate that the signal quality is still improved even in the presence of a noisy signal at the wavelength converter input. Furthermore, it is shown that the optimal wavelength converter operating condition varies upon the amount of optical loss that follows. In a wavelength-routed optical network, the signal will likely pass through multiple wavelength conversion stages. The experimental investigation is extended to cascaded wavelength conversion stages and, for the first time, dual stage wavelength conversion of 5 Gbaud 64-QAM signal is performed. In this context, the proposed post-compensation technique still successfully improves the wavelength converter performance. The results of this thesis strongly suggest that wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers, together with the use of digital signal processing techniques, is a promising candidate for advanced modulation formats wavelength conversion in future wavelength routed optical networks.