L’objectif de ce travail est d’étudier les différents types d’intégration à base de guides optiques sur InP permettant d’aboutir à une matrice de commutation optique 2x2. Pour cela, nous avons tout d’abord étudié l’intégration monolithique de guides InP et de guides diélectriques à très fort confinement. La partie active est composée de guides sur InP et la partie passive de guides diélectriques qui jouent le rôle d’adaptateur de mode tout en étant très compact. Malgré tous les efforts technologiques et théoriques développés pour aboutir à l’objet convoité, il apparaît que l’intégration monolithique ne nous permet pas pour le moment d’aboutir à des pertes compatibles avec les besoins industriels. Cependant, ces travaux nous ont permis d’aboutir à une nouvelle structure de guide sur InP qui se couple parfaitement avec les guides sur verre de la société Teem Photonics. C’est donc cette approche que nous avons retenu, qui permet d’aboutir à un dispositif complètement fibré à faibles pertes d’insertion. Il est cependant nécessaire de démontrer l’aptitude de ce nouveau guide à la commutation. Nous avons donc conçu et réalisé des commutateurs DOS utilisant ce nouveau guide. Leurs caractérisations montrent l’intérêt de ce guide pour la commutation optique. / The aim of this work is the study of different ways of integration based on InP optical waveguides to obtain 2x2 optical switching matrixes. For this purpose, we started with the monolithic integration of InP waveguides and highly confinement dielectrics waveguides. The active part is composed of InP waveguides and the passive part is constituted of dielectric waveguides which are tapered and very compact. In spite of strong theoretical and technological efforts developed to reach our target up to now monolithic integration doesn’t lead to low insertion losses fitting with industrial needs. Nevertheless, we designed and fabricated a new InP waveguide which allows a good coupling with glass waveguides of Teem Photonics company. Finally, we designed and fabricated a Digital Optical Switch with the new InP waveguide. Its characterizations proved the advantage of this waveguide for the optical switching.

Les nouvelles applications de la commutation optique nécessitent des composants de très hautes performances, c'est-à-dire un faible temps de commutation combiné avec une diaphotie très faible entre branches et un courant de commutation de quelques dizaines de milliampère. Cette combinaison est extrêmement délicate, mais le problème devient redoutable dès qu’on exige, en plus, des pertes fibre à fibre compatibles avec une intégration, c'est-à-dire de l’ordre du décibel.Notre travail de thèse se place dans cette perspective. Il fait suite aux différents travaux de l’IEMN dans ce domaine. Nous avons d’abord mis au point une structure de guide optique à multipuits quantiques pour augmenter les mécanismes de variation d’indice. Puis, nous avons optimisé des commutateurs de très faible diaphotie et des interféromètres de Mach-Zehnder. Ces composants ont ensuite été fabriqués en salle blanche puis caractérisés. Les résultats de cette étude ont déçu nos attentes à cause des pertes excessives des guides optiques.En parallèle, nous avons conçu d’autres guides de type dilué à cœur très fin. Ces guides on ensuite été fabriqué puis caractérisés. Nous avons finalement obtenu des pertes de couplage de 1,6 dB/face sans couche anti-réfléchissante, ce qui donnerait 0,1 dB avec une telle couche. Ce résultat très intéressant doit être lié au fait que la variation d’indice de réfraction obtenue sur ces guides est très importante, montrant un effet de porteurs libres bien plus élevé que dans les guides semi-conducteur classique. Tous ces aspects font de notre guide un excellent candidat pour fabriquer des commutateurs intégrés de très hautes performances. / New applications of optical switching require very high performance devices, i.e. a low switching times combined with very low crosstalk between two arms and a switching current of the order of a few tens of milliamps. This combination is extremely delicate to obtain, but the problem becomes more complicated with the addition of fiber to fiber losses used for integration, which is of the order of one decibel.The work described in this thesis concerns the above mentioned problem. It follows the different work in IEMN in this area. Here we first developed a multiple quantum well waveguide structure to increase mechanisms of index variation. Then, we optimized switches with very low crosstalk and also Mach-Zehnder interferometers. Then these devices were manufactured in a clean room and characterized. The results of this study were not as per our expectations due to excessive losses in optical waveguides.In parallel, we have designed, fabricated and characterized other types of diluted waveguides with a very thin core. We finally obtained coupling losses of 1.6 dB/face without anti-reflective coating, which would give 0.1 dB with such a coating. This very interesting result should be related to the fact that the refractive index variation obtained on these guides is very important, showing an effect of free carriers much higher than in conventional semiconductor guides. All these aspects make our waveguide an excellent candidate for high performance optical switches.

L'explosion actuelle de l'utilisation des applications en temps réel, telles que la téléphonie et la vidéo haute définition, fait en sorte qu'une demande croissante en bande passante existe. Or, la fibre optique offre un très grand potentiel en termes de bande passante allant physiquement jusqu'à 50 terabits par seconde par fibre optique en utilisant un multiplexage en longueurs d'onde. La commutation de rafales en optique est une nouvelle technique de commutation permettant de tirer profit des avantages de la commutation de paquets et de la commutation de circuits. Une problématique majeure est le taux de perte élevé à cause du problème de la contention. Plusieurs techniques de résolution de la contention existent, notamment la déflexion et la retransmission. Dans la première partie de ce travail, on s'intéresse à combiner dynamiquement la déflexion et la retransmission d'une manière adaptative en tenant compte de l'état du réseau. L'algorithme proposé permet d'effectuer le plus de déflexions possibles tant que celles-ci ne déstabilisent pas le réseau. Les résultats démontrent également, avec des topologies fortement connectées telles que COST239, que l'algorithme proposé permet de diminuer radicalement les pertes en utilisant un ratio de déflexion très grand. La deuxième partie de ce travail porte sur la prévention de la contention en utilisant des tables de routage optimisées. Ces tables de routage sont optimisées en utilisant un modèle graphique probabiliste utilisé en intelligence artificielle, soit un réseau bayésien. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Fibre optique, WDM, Commutation de rafales, Contention, Déflexion, Retransmission.

L'explosion du trafic IP et les demandes en bande passante de plus en plus croissantes au cours des dernières années ont dirigé la recherche vers l'élaboration de nouvelles architectures et protocoles réseaux. La satisfaction des besoins en bande passante et en qualité de service passera par l'adoption des réseaux « tout-optique » (IP sur WDM) et des techniques de commutation efficaces. Trois techniques de commutation ont largement été étudiées. La commutation de circuit aussi connue sous le nom de routage de longueur d'onde n'utilise la largeur de bande de façon efficace que si la durée de la transmission est beaucoup plus longue que la période d'établissement des circuits. La commutation de paquet optique est plus flexible et offre une meilleure utilisation de la bande passante. Toutefois, les technologies de mise en mémoire (utilisation des tampons) et de traitement des paquets dans le domaine optique ne sont pas assez mûres pour la commercialisation. Dans ce contexte, la commutation de rafale optique (OBS) est devenue un nouveau paradigme de commutation. Elle est censée fournir un transport de données à haut débit, de manière flexible, efficace et réalisable. OBS est une technique hybride de la commutation de circuit optique et de la commutation de paquet optique, qui combine leurs avantages tout en surmontant certaines de leurs limites. La commutation de rafale optique exige moins de complexité technologique que celle de la commutation de paquet optique. Toutefois, contrairement aux réseaux optiques à commutation de circuit, les réseaux OBS souffrent des pertes des données. Ces pertes sont non seulement dues aux contentions et à l'insuffisance de l' « offset-time » mais également à l'échec de transmission des informations de routage. Dans ce mémoire, nous étudions les pertes dues à la non transmission des informations de contrôle. Les résultats obtenus montrent que les techniques proposées offrent de meilleures performances. Le bon choix du nombre de canaux de contrôle/canaux de données permet de réduire le taux de perte dû à la congestion dans les canaux de contrôle. Après le bon choix effectué, la technique de construction des rafales basée sur la disponibilité des canaux de contrôle permet de réduire les pertes dues aux contentions à l'entrée des canaux de contrôle. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Contention, Commutation de rafale optique (OBS), Canal de contrôle, Canal de données, Paquet de contrôle, Rafale.

Le concept de la grille de calcul a émergé récemment comme infrastructure apte à répondre aux exigences des applications scientifiques et économiques en termes de stockage et calcul. Le principe de la grille est de regrouper toute la puissance inexploitée des ordinateurs d'un réseau pour la mettre à la disposition des applications nécessitant de grands calculs. Il s'agit également d'utiliser l'espace de stockage inutilisé des serveurs pour y entreposer des données. Une grille de calcul représente donc une collection de ressources informatiques réparties en plusieurs emplacements et agissent en tant que ressources de traitement unifiées ou comme une collection d'ordinateurs virtuels. L'avantage de la grille consiste en un traitement plus rapide et plus efficace. Elle permet aussi d'éliminer l'inconvénient de lier étroitement des machines spécifiques à des travaux spécifiques. Puisqu'elle permet à des utilisateurs et à des applications d'accéder et de contrôler efficacement diverses ressources de différentes locations distribuées. Toutefois, sans un moyen de transport de données assez rapide, il y aurait aucun avantage dans le traitement distribué des données. La commutation optique par rafales (OBS) a été identifiée comme la technologie idéale pour répondre aux exigences de la grille. Cette approche est connue sous le nom de grille basée sur OBS « GOBS ». Dans ce mémoire nous étudions et évaluons la performance d'un réseau GOBS. Nous présentons aussi le problème de multi-ressource dans le cas où plusieurs ressources informatiques seront dédiées pour le traitement des tâches de la grille. Les résultats obtenus nous ont permis de démontrer que l'approche multi-ressource est efficace pour le traitement distribuée au sein de la grille et particulièrement dans le cas de grandes tâches. Elle permet de réduire le taux de perte et aussi d'assurer un traitement plus rapide. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Grille de calcul, GOBS, OBS, Tâche, Burst, Rafale, Paquet de contrôle, Ressource.

Les réseaux optiques ont connu une émergence importante dans le domaine des télécommunications, et ceci grâce à leur bande passante offerte. Actuellement, la technique la plus prometteuse est la commutation optique de rafales (OBS). D'une part, OBS permet une meilIeure exploitation de la bande passante, tout en ayant un degré de complexité inférieur à OPS (Optical Packet Switching), d'autre part, OBS offre une gestion des ressources beaucoup plus efficace, comparée à OCS (Optical Circuit Switching). Plusieurs études ont démontré que le mécanisme « load-balancing » permet d'équilibrer le trafic à travers les différents noeuds, réduisant ainsi la probabilité de congestion dans les réseaux OBS. Cependant, l'utilisation du « load-balancing » a mis en évidence d'autres problèmes, particulièrement au niveau de la couche TCP (Transmission Control Protocol). De là, « Source-ordering » a été proposé comme solution pour améliorer les performances de TCP, en effectuant l'ordonnancement des rafales au niveau des sources. Dans ce travail, nous nous proposons d'étudier et d'approfondir le mécanisme du « load-balancing » afin de maximiser le débit TCP. Notre défi consiste a trouver un concept permettant d'éviter la réception en désordre des segments IP, au niveau de la couche TCP, et par conséquent à réduire le nombre de FTOs (False Time Out) et de FFRs (False Fast Retransmit). Nous avons implémenté une nouvelle technique basée sur le mécanisme de résolution de contention proactive « load-balancing » qu'on a appelée « ordonnancement à la destination ». Les résultats obtenus montrent une amélioration importante du débit TCP lors de l'emploi du mécanisme d'ordonnancement à la destination. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Maximisation du débit TCP, OBS, TCP, Rafale, Résolution de contention, Mécanisme proactif, Chemins alternatifs, Equilibrage de charge.

Avec l'essor de la métrologie de l'Internet, la prévision du trafic s'est imposée comme une de ses branches les plus importantes. C'est un outil puissant qui permet d'aider à la conception, la mise en place et la gestion des réseaux ainsi qu'à l'ingénierie du trafic et le contrôle des paramètres de qualité de service. L'objectif de cette thèse est d'étudier les techniques de prévision et d'évaluer la performance des modèles de prévision et de les appliquer pour la gestion des files d'attente et le contrôle du taux de perte dans les réseaux à commutation de rafales. Ainsi, on analyse les différents paramètres qui permettent d'améliorer la performance de la prévision en termes d'erreur. Les paramètres étudiés sont : la quantité de données nécessaires pour définir les paramètres du modèle, leur granularité, le nombre d'entrées du modèle ainsi que les caractéristiques du trafic telles que sa variance et la distribution de la taille des paquets. Nous proposons aussi une technique d'échantillonnage baptisée échantillonnage basé sur le maximum (Max-Based Sampling - MBS). Nous prouvons son efficacité pour améliorer la performance de la prévision et préserver l'auto-similarité et la dépendance à long terme du trafic. Le travail porte aussi sur l'exploitation de la prévision du trafic pour la gestion du trafic et le contrôle du taux de perte dans les réseaux à commutation de rafales. Ainsi, nous proposons un nouveau mécanisme de gestion de files d'attente, baptisé α_SNFAQM, qui est basé sur la prévision du trafic. Ce mécanisme permet de stabiliser la taille de la file d'attente et par suite, contrôler les délais d'attente des paquets. Nous proposons aussi une nouvelle technique qui permet de garantir la qualité de service dans les réseaux à commutation de rafales en termes de taux de perte. Elle combine entre la modélisation, la prévision du trafic et les systèmes asservis avec feedback. Elle permet de contrôler efficacement le taux de perte des rafales pour chaque classe de service. Le modèle est ensuite amélioré afin d'éviter les feedbacks du réseau en utilisant la prévision du taux de perte au niveau TCP. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Modélisation et prévision du trafic, techniques d'échantillonnage, gestion des files d'attente, réseaux à commutation de rafales, contrôle du taux de perte, qualité de service, l'automatique.

Ce travail de thèse constitue une contribution théorique et expérimentale aux études sur les effets d'optique non linéaires dans les cristaux photoniques en semiconducteurs III-V. Les cristaux photoniques sont des matériaux artificiels présentant une modulation périodique de l'indice de réfraction à l'échelle de la longueur d'onde de la lumière. En contrôlant les paramètres physiques de ces structures (périodicité, motifs, facteur de remplissage en air...), il est possible de réaliser une véritable ingénierie des propriétés dispersives de la matière pour, par exemple, empêcher la lumière de se propager dans toutes les directions de l'espace. L'objectif de cette thèse est de combiner les propriétés dispersives uniques des cristaux photoniques aux propriétés non linéaires très intéressantes des semiconducteurs III-V afin d'exalter les interactions non linéaires entre la lumière et la matière. Nous verrons que les cristaux photoniques 1D et 2D sont adéquats pour obtenir des effets non linéaires du second ordre (génération de seconde harmonique) efficaces sur de courtes distances car ils permettent de réaliser la condition d'accord de phase dans des matériaux fortement non linéaires comme l'AlxGa1-xAs tout en ralentissant la lumière. Nous montrerons également que les cristaux photoniques 2D en semiconducteurs III-V permettent de réaliser les briques de bases actives pour le traitement du signal tout optique comme des sources lasers, des amplificateurs, des commutateurs ultrarapides...

La trame générale de ces travaux de recherche concerne la modélisation et l'implantation de systèmes d'interconnexions optiques à forte bande-passante spatiale et temporelle. Nous présenterons une suite de résultats au niveau des modèles, des applications et des réalisations prototypales. L'origine de ces travaux est une étude sur les connexions optiques en espace libre permettant de modéliser des opérations de calcul optique parallèle (telles que la multiplication matricielle), débouchant sur une classe d'opérations plus générale mettant en jeu un réseau d'interconnexions non-invariantes spatialement entre plans de données. Cette étape a permis d'évaluer, tant qualitativement que quantitativement, l'apport de la synergie entre la synthèse numérique d'éléments optiques diffractants (HSO) et les modulateurs spatiaux de lumière (MSL) à cristal liquide, dans le but de réaliser des dispositifs de traitement optique spatial dynamique de l'information. L'étape suivante traite des interconnexions dynamiques entre fibres optiques monomodes, débouchant naturellement sur la conception de dispositifs d'aiguillage et de commutation pour les réseaux de transmission optiques dorsaux multiplexés en longueur d'onde (WDM). A ce niveau, les contraintes principales portent sur les temps de commutation requis −inférieurs à la milliseconde− et les capacités de plusieurs dizaines de voies spatiales indépendantes. Au niveau de l'implantation prototypale, nous avons poussé le plus loin possible le concept d'holographie digitale dynamique sur MSL à cristal liquide, aboutissant à la conception et l'intégration de plusieurs générations d'aiguilleurs de bandes optiques performants (jusqu'à 64 voies spatiales). Par la suite, devant la nécessité de développer des règles d'ingénierie sur les anneaux et les réseaux maillés WDM, je me suis impliqué dans l'évaluation et le développement d'outils de simulation photonique concernant les dispositifs de commutation et de brassage transparent de canaux optiques. Je présente enfin les axes de recherche ayant émergé plus récemment, centrés sur le dimensionnement et l'intégration de réseaux locaux utilisant l'optique comme canal de propagation sans fil à très haut débit et à impact sanitaire et environnemental réduit.

L'évolution vers de nouveaux services, comme la TV à la demande, nécessitant de grosses bandes passantes remet en question les débits transportés par chaque canal optique d'un réseau WDM. Les débits des canaux ont atteint aujourd'hui les 100 Gbit/s. Cette montée en débit doit être accompagnée par de nouvelles fonctionnalités au sein des réseaux de transport optiques. Améliorer la flexibilité et assurer la transparence des réseaux optiques sont des défis très importants auxquels les opérateurs doivent faire face aujourd'hui. Un réseau optique est dit transparent, si les signaux optiques transportés ne subissent aucune conversion optoélectronique sauf au moment de leur insertion et de leur extraction dans le réseau optique. La flexibilité, quant à elle, concerne principalement les fonctions d'agrégation et de désagrégation optiques. Aujourd'hui ces fonctions d'agrégation et de désagrégation sont réalisées dans le domaine électronique, ce qui avec la montée du débit, va engendrer un coût important pour les opérateurs. Une manière d'y remédier serait de trouver une technologie adaptée à la montée du débit et offrant la possibilité de faire de l'agrégation et de la désagrégation optique des flux de trafics. Dans cette thèse nous proposons d'étudier une technique de commutation tout-optique offrant la possibilité de faire de la commutation optique intra-canal. Cette technique, baptisée multi-bande OFDM, consiste à diviser un canal WDM en plusieurs entités appelées sous-bandes. Le nombre de ces entités dépend des contraintes technologiques des équipements utilisés pour générer le canal multi-bande (les filtres optiques, les convertisseurs analogiques/numérique et numériques/analogiques). Nous comparons la technologie multi-bande OFDM par rapport à des technologies tendancielles mono-bande : le cas mono-bande opaque et mono-bande transparent. Nous démontrons que la technologie multi-bande OFDM peut être un compromis entre ces deux technologies pour les futurs réseaux de télécommunications optiques. Pour ce faire, nous calculons les performances en termes de blocage. Nous étudions l'impact de la conversion de longueurs d'onde sur les réseaux multi-bande OFDM ainsi que l'impact d'augmenter les nombres de sous-bandes sur les performances du réseau. Nous dégageons les limites technologiques de cette approche. Dans une autre partie de l'étude, nous montrons l'intérêt économique de la technologie multi-bande OFDM. Nous exposons le gain en coût des émetteurs/récepteurs obtenu grâce au déploiement de la technologie multi-bande OFDM sur un réseau cœur et un réseau métropolitain.