L'évolution des outils télécommunicationnels répond à une révolution des usages. Les réseaux d'accès et de type radio-sur-fibre doivent répondre à cette demande de l'utilisateur final et le déploiement massif de la fibre optique confirme cette évolution. Dans cette perspective, l'utilisation du multiplexage en longueur d'onde (largement utilisé dans les réseaux cœurs) est maintenant considérée dans le cas d'une augmentation du débit chez l'utilisateur. Néanmoins de nouvelles problématiques, propres à ces réseaux, émergent, telles que le coût pour l'abonné. De nouveaux composants indépendants de la longueur d'onde sont donc nécessaires pour réduire les coûts de déploiement tout en apportant flexibilité et facilité de gestion de ce type de réseaux. Les modulateurs déportés (ou RSOA) sont une solution répondant à ces exigences mais ils doivent se plier à celles, nouvelles, des réseaux d'accès et des réseaux radio-sur-fibre. Cette thèse propose une étude détaillée des propriétés physiques de ces composants ainsi que de ces applications en tant qu'émetteur indépendant de la longueur d'onde dans plusieurs configurations réseaux. Les notions fondamentales nécessaires à la compréhension de ces travaux seront abordées ainsi que la conception et la fabrication de ces composants en salle blanche. Une analyse des performances statiques et dynamiques des composants en fonction de certains paramètres clefs tels que le confinement optique, la longueur de la zone active et la réflectivité des facettes est détaillée. La théorie, une modélisation et des mesures expérimentales seront utilisées pour la création de composants optimisés ayant des performances conformes à l'état de l'art. De nouvelles configurations de RSOA à deux électrodes seront proposées pour diverses utilisations originales de ces composants. Finalement, une étude système viendra compléter notre analyse pour des applications concernant les réseaux d'accès et les réseaux de type radio-sur-fibre.

La capacité ultime du canal dans les systèmes de transmission optique à longue distance est limitée par les effets non linéaires liés à la propagation dans les fibres optiques. Des techniques de compensation des effets non-linéaires, tel que la DBP (Digital Back Propagation), ont été proposées pour surmonter ces limitations et accroître la capacité. Compte tenu de leur complexité d’implémentation, leur gain en performance reste très limité. Cela a déclenché très récemment la recherche de nouvelles techniques de communication prenant en compte la non-linéarité de la fibre. Une nouvelle méthode de communication en régime non-linéaire, basée sur la théorie de la transformation spectrale inverse (IST pour Inverse Spectral Transform), a été proposée pour surmonter la limitation induite par ces effets. Cette méthode, proposée à l'origine par Hasegawa en 1993, encore appelée communication aux valeurs propres (ou multi-solitons), est basée sur l'observation fondamentale selon laquelle le spectre non linéaire d'un signal optique est invariant (à l'exception d'un déphasage linéaire trivial) lors de la propagation dans la fibre optique, comme décrit par l’équation non linéaire de Schrödinger (NLSE pour Non-Linear Schrödinger Equation). Cela signifie que si la transformée spectrale directe (DST) (également appelée NFT pour Nonlinear Fourier Transform) du signal reçu peut être calculée, le spectre de valeurs propres peut être entièrement récupéré.Cette thèse porte sur une technique de communication de type NFT connue sous le nom de multiplexage non linéaire en fréquence (NFDM pour Non-Linear Fourier Transform). Différentes configurations de systèmes optiques NFDM ont été évalués numériquement et validés expérimentalement. Dans un premier temps, la structure d’un système NFDM en mono-polarisation utilisant le spectre continu des fréquences non-linéaires dans une fibre en régime de dispersion normale est décrite. Pour ce faire, une forme NFT du vecteur NLSE, encore appelé système de Manakov, a été développé numériquement. Sur la base de ces algorithmes, la méthode NFDM a été étendue aux systèmes multiplexés par division de polarisation (PMD) et validée expérimentalement pour la première fois en utilisant le spectre continu. Finalement, l’expérience a été répliquée en régime de dispersion anormale. Afin d'étudier les contraintes de mise en œuvre, des études numériques supplémentaires ont été effectués pour la transmission de signaux NFDM utilisant la modulation du spectre continu. / Nonlinear effects in optical fiber set the ultimate limit to the channel capacity in long-haul optical transmission systems. Advanced nonlinear compensation techniques such as digital backpropagation (DBP) have been proposed as a solution to overcome the channel capacity crunch. However, given theircomputational complexity, in a practical environment their performance gainremains very limited. This triggered a search for a novel communication system design that takes fiber nonlinearity into consideration. A new nonlinearcommunication method, based on the theory of the inverse spectral transform, has been proposed to overcome the nonlinear capacity crunch. Thismethod, originally proposed by Hasegawa in 1993 and called eigenvalue (ormulti-soliton) communication, is based on the fundamental observation thatthe nonlinear spectrum of an optical signal is invariant (except for a triviallinear phase shift) upon propagation in the fiber channel, as described bythe nonlinear Schrödinger equation (NLSE). This means that if the directspectral transform (also known as nonlinear Fourier transform (NFT)) ofthe received signal can be computed, the eigenvalue spectrum can be fullyrecovered.This thesis focuses on a NFT-based communication technique known as nonlinear frequency division multiplexing (NFDM). The NFDM optical systemis numerically assessed and experimentally demonstrated. First, the structure of the proposed single-polarization NFDM system using the continuousspectrum in the normal dispersion regime is presented. To that end, theNFT of the vector NLSE, or Manakov system, was numerically developed.Based on these algorithms the NFDM method was extended to polarizationdivision multiplexed (PMD) systems, and experimentally validated for thefirst time using the continuous spectrum. Finally, the experiment will bereplicated in the anomalous dispersion regime.Additional numerical studies are presented, in order to investigate the implementation challenges of the proposed NFDM techniques for the continuousspectrum modulation.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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

Hier encore confinés au monde professionnel, les réseaux locaux sans fil, propulsés par les avancées de l'électronique et du traitement du signal, se démocratisent à grands pas. Plus flexibles, moins chers que les solutions filaires, leurs perspectives de développement restent cependant lourdement conditionnées par leur aptitude à supporter des débits suffisants pour les applications multimédia. Dans cette course vers les hauts débits, des chercheurs des laboratoires Bell ont donné une impulsion décisive lorsque, en 1996, ils ont mis en évidence la possibilité d'accroître substantiellement les débits de transmission par l'emploi simultané de réseaux d'antennes en émission et en réception. Le paradigme des systèmes de communication à entrées multiples et à sorties multiples MIMO (Multiple Input-Multiple Output) était né. <br /><br />Rares sont les standards existants compatibles avec le transport de services multimédia hauts d´ebits. La norme HIPERLAN2, affichant des taux de transferts bruts jusqu'à 54 Mbit/s dans la gamme de fréquences de 5 GHz, en fait partie. Se pose alors naturellement la question d'évaluer dans quelle mesure une extension MIMO permettrait d'augmenter ces débits. L'objectif de cette thèse, menée dans le cadre d'une contrat CIFRE entre THOMSON multimédia et le Laboratoire Composants et Systèmes pour Télécommunications LCST) de l'INSA de Rennes, est d'apporter quelques éléments de réponse à ce problème.

Pendant les dernières années, le réseau cellulaire est devenu accessible presque partout. Pour compléter ce réseau cellulaire terrestre, plusieurs systèmes basés sur des satellites à basse orbite (LEO Low Earth Orbit) et moyenne orbite (MEO Medium Earth Orbit) ont été développés pour offrir une couverture globale. Les services multimédias sont largement demandés sur une échelle globale.<br />Notre but est de développer une couche d'accès MAC au canal satellitaire tout en respectant les contraintes de la constellation LEO. Un grand nombre d'utilisateurs de différents types vont essayer d'accéder au canal satellite (sens montant) afin d'envoyer leurs paquets. Il faut distribuer les ressources disponibles entre les différents utilisateurs de façon à respecter la QoS de chaque utilisateur et à minimiser le gaspillage. Nous avons traité dans cette thèse les ponts suivants :<br />·Nous avons adopté les techniques CDMA (Code Division Multiple Access) et TDMA (Time Division Multiple Access) pour définir les protocoles d'accès proposés en système LEOS. Ces techniques sont adaptées afin d'être utilisées d'une manière efficace dans le cas spécifique de satellites LEO (long RTD (Round Trip Delay), Handover, ).<br />·Nous avons utilisé un contrôle d'admission pour les différents types de services qui agit au niveau d'appel afin d'accepter un maximum d'utilisateurs de différents types tout en respectant la QoS de chacun. Ce contrôle utilise une fonction à capacité équivalente adaptée aux différents contextes de nos études.<br />·Nous avons défini des services au niveau MAC d'une façon générique. Les services sont supportés au niveau MAC par des MTCs (MAC Transfer Capabilities) afin de garantir la QoS demandée par chaque service. Nous avons proposé des MTCs qui supportent tous les services et applications possibles.<br />·Nous avons étudié le système pour des utilisateurs hétérogènes ce qui rend l'intégration de services nécessaire. La comparaison dépend de l'intégration et de la QoS de chaque utilisateur. Le but est toujours de maximiser la capacité totale du système.<br />·Nous avons étudié le multiplexage de services et l'allocation de ressources pour les différents protocoles d'accès. Des techniques d'ordonnancement et de partage de ressources sont proposées afin d'atteindre pour un protocole d'accès donné la performance maximale.<br />L'intégration de satellite avec l'UMTS et l'utilisation de l'ATM au sein du réseau de cur sont deux facteurs essentiels qui dirigent nos propositions sur la couche MAC. Les services vus par cette couche sont appelés les MTCs (MAC Transfer Capabilities) et doivent se coordonner avec les services de l'UMTS et l'ATM. Le choix est basé aussi sur les sources de trafics utilisées dans les différents chapitres.

Notre génome, véritable mode d'emploi de chaque cellule et organisme, est constamment menacé par de multiples agents endogènes ou exogènes qui endommagent la biomolécule d'ADN. Ces lésions résultantes, de nature diverse, sont notamment impliquées dans les processus de vieillissement cellulaire, de cancérogénèse et de mort cellulaire. Afin de contrer ces effets néfastes, les organismes ont développé différents systèmes de réparation de l'ADN capables de prendre en charge spécifiquement chaque type de dommages. Parmi ces voies métaboliques, la réparation par excision de base (BER) répare chaque jour des dizaines de milliers de dommages, incluant les bases alkylées, oxydées ou désaminées, les sites abasiques ou encore certaines cassures de brin. Dans le présent travail, nous exposons la mise au point d'un nouveau biocapteur pour la détection des activités enzymatiques du BER. L'outil se caractérise par un set de sondes nucléiques autocomplémentaires, fluorescentes ou pro-fluorescentes, immobilisées sur microbilles paramagnétiques. Chaque sonde est modifiée par l'introduction sélective d'une lésion, substrat d'une activité enzymatique ciblée (ADN N-glycosylase, AP-endonucléase). L'activité d'excision/incision de la lésion, conduit à la coupure de la sonde et à la déshybridation de la structure. L'analyse et la quantification du clivage spécifique est réalisée en fluorescence, soit à partir du surnageant par spectrofluorimétrie, soit des billes par cytométrie en flux. Ce dispositif permet la détection multiplexée des activités enzymatiques de protéines purifiées ou au sein d'extraits nucléaires. Egalement, des applications dans le criblage d'inhibiteurs de la réparation de l'ADN sont envisageables dans le cadre de recherches pré-cliniques. L'adaptation de ces tests in vitro à la détection de la réparation de l'ADN in cellulo a fait l'objet de développements préliminaires. / Our genome, which may be considered as the program of each cell and organism, is constantly threatened by multiple endogenous and exogenous agents that damage the DNA biomolecule. These lesions, that show a wide array of structures, are particularly involved in cell aging, carcinogenesis and cell death. To thwart these negative effects, organisms have developed various DNA repair pathways that take in charge the alterations in a specific manner. Among them, the base excision repair (BER) removes every day dozens of thousands of damages, including alkylated, oxidized or deaminated bases, abasic sites or single strand breaks. In this study, we present the development of a new biosensor for the detection of BER enzymatic activities. The tool is characterized by a set of (pro)fluorescent hairpin-shaped DNA probes, immobilized on paramagnetic beads. Each probe is modified by the selective insertion of a lesion, substrate for the targeted repair enzyme (DNA glycosylase, AP-endonuclease). The excision/incision activity of the lesion leads to the cleavage of the probe together with the dehybridization of the structure. The analysis and quantification of the repair process is carried out by direct fluorescence measurements from the supernatant, or by analysis of the functionalized beads by flow cytometry. This device allows the multiplexed enzymatic activities detection of purified proteins or within nuclear extracts. Applications to the screening of DNA repair inhibitors have been successfully initiated. Finally, the adaptation of these in vitro tests to in cellulo detection of DNA repair activities was investigated in preliminary studies.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la montée en débit des réseaux d’accès optiques passifs. Les travaux menés durant cette thèse s’appuient sur le constat que les technologies actuelles basées sur le multiplexage temporel, arriveront à leurs limites dans les années à venir et ne pourront plus répondre à l’évolution des besoins en débit. L’étude des problèmes rencontrés lors les déploiements actuels conduit à proposer une autre forme de multiplexage plus adaptée aux débits demandés par les utilisateurs : le multiplexage fréquentiel (ou FDM/FDMA). Les travaux réalisés dans cette thèse ont pour but de montrer la faisabilité d’une telle architecture en laboratoire. Les objectifs sont de déterminer les débits atteignables, que ce soit pour le lien descendant (du central vers l’abonné) ou pour le lien montant (abonnée vers central), mais également de réaliser une étude théorique afin de mettre en lumière les limites de cette solution. Des algorithmes d’allocation dynamique de ressources ont été élaborés et validés expérimentalement afin de déterminer la capacité totale de chaque lien. L’architecture utilisant deux longueurs d’ondes distinctes (une pour le lien descendant et l’autre pour le lien montant) permet d’atteindre un débit de 40 Gbps et 20 Gbps respectivement pour le lien descendant et montant en utilisant le format de multiplexage FDM/FDMA. Enfin, une architecture hybride n’employant qu’une seule longueur d’onde pour le transport à la fois les données montantes et descendantes a été explorée et permet d’atteindre un débit symétrique de 25Gbps. / This thesis is part of the growing capacity of passive optical access networks. The works done during this thesis are based on the fact that current technologies, employing time division multiplexing, will reach their limits in the coming years and will no longer respond to changes in high bitrates requirements. The study of problems encountered during the current deployments led us to propose another form of multiplexing more suitable for bitrates requested by users: the FDM/FDMA PON, frequency division multiplexing. The work done in this thesis aim to demonstrate the feasibility of a such architecture in the laboratory. The objectives are to determine the achievable capacity, whether for the downlink (from central office to user) or the uplink (subscriber to central), but also to achieve a theoretical study to highlight the limitations of this solution. Algorithms for dynamic allocation of resources have been developed and validated experimentally to determine the total capacity of each link. The architecture using two distinct wavelengths (one for the downlink and one for the uplink) achieves a capacity of 40Gbps for the downlink and 20Gbps for the uplink by using FDM/FDMA PON. Finally, a hybrid architecture using a single wavelength to transport both uplink and downlink data has been explored and achieves a symmetrical capacity of 25Gbps

La demande en bande passante des systèmes de communication optique ne cesse de croitre. Des débits de données de l’ordre de plusieurs centaines de TBit/s sont attendus dans un futur proche. La photonique silicium est une technologie majeure pour faire face à ces besoins croissants. Sa compatibilité avec les technologies CMOS permet naturellement une co-intégration photonique/électronique sur les mêmes circuits. A court terme, l’augmentation des débits de données dans les générations futures de système de communication optique passe par l’utilisation de formats de modulation avancés, et l’augmentation du nombre de bits par symbole transmis. A plus long terme, de nouvelles techniques de multiplexage sont nécessaires. Le multiplexage de modes est actuellement une solution attractive à l’étude dans ce but.Dans ce travail de thèse, différents moyens pour implémenter ces nouveaux systèmes de communication optiques sont étudiés au niveau de l’émetteur. Ces travaux incluent dans une première partie la modélisation, conception et caractérisation des modulateurs silicium. Dans une seconde partie, de nouveaux composants pour manipuler les modes sur circuits intégrés photoniques sont proposés, conçus et caractérisés, avec pour application le multiplexage de modes.Une nouvelle méthode a été proposée pour la modélisation des modulateurs optiques silicium. Cette méthode permet de réduire le temps de simulation de 2 ordres de grandeur, en maintenant un bon niveau de précision. En utilisant ce modèle, des modulateurs basés sur des diodes PN latérales et interdigitées ont été conçus pour fonctionner en bande O des communications optiques. Les résultats expérimentaux ont permis la mise en évidence de diagrammes de l’œil avec des taux d’extinction de 10 dB pour des modulations de type OOK (ON-OFF Keying) à 10Gbit/s. De plus des modulations de type BPSK (Binary Phase Shift Keying) ont également été démontrées à 10Gbit/s.De nouveaux convertisseurs de modes et multiplexeurs ont été proposés, conçus, fabriqués et caractérisés, pour être utilisés dans des systèmes de multiplexage modal. Les résultats expérimentaux ont permis de mettre en évidence des fonctionnements large bande passante avec de grands taux d’extinction. / Bandwidth demand in optical communication systems is continually growing. Data rate values in the order of several hundreds of TBps are expected in the near future. In order to cope with those expectations silicon based technologies are believed to be the best suited. Its naturally compatibility with CMOS easily enables the electronics and photonics co-integration. In the short-term the way increase data rates in next generation optical communication systems goes through using advanced modulation format and increase symbol rates. In the long-term view, new multiplexing techniques will be required. In this sense, mode division multiplexing is nowadays an attractive approach under consideration.In this Thesis work, the way to implement these new optical communication schemes is studied from the transmitter point of view. It includes, on a first part the modeling, design and characterization of silicon modulators. And in a second part, it includes the proposition, design and characterization of novel mode handling devices for mode division multiplexing.A new way of modeling silicon modulators has been developed. This new model permits to reduce the computation time of modulator analysis up to two orders of magnitude, while maintaining a good level of accuracy. Using the model, modulators based on lateral PN junctions and interdigitated PN junctions were designed to work in the O-Band of optical communications. Characterization work has been performed on these modulators with good results. Wide-open OOK (On Off Keying) eye diagrams with 10 dB extinction ratio were obtained at 10GBps. Furthermore, BPSK (Binary Phase Shift Keying) modulation was also demonstrated at 10GBps.New kind of mode converters and multiplexers, intended to work as mode division multiplexing subsystems have been proposed, designed, fabricated and characterized. Measured results show broad bandwidth operation with high extinction ratio.

De nos jours, la complexité de la conception des circuits intégrés et du logiciel croit régulièrement, faisant croître le besoin de la vérification dans chaque étape du cycle de conception. Le prototypage matériel sur une plateforme multi-FPGA présente le meilleur compromis entre le temps de conception d'un circuit et le temps d'exécution d'une application par ce circuit. Pour l'implémenter sur cette plateforme, une opération de partitionnement est effectuée avant de créer des partitions capables de s'intégrer dans chaque FPGAPar conséquent, des signaux coupés à l'interface des partitions doivent passer d'un FPGA à un autre. Cependant, le nombre de traces physiques inter-FPGA est limité ce qui crée des problèmes de routabilité du circuit prototypé. Cette thèse touche surtout la partie post-partitionnement et s'intéresse au problème deroutage inter-FPGA. Ainsi, les principaux travaux de cette thèse sont les suivants :Dans un premier temps, nous nous intéressons au développement d'un générateur debenchmarks qui permet, à l'aide d'une description architecturale simple du benchmark, de générer un circuit modélisé avec le langage de description matérielle VHDL. Le générateur utilise un ensemble de composants ce qui donne aux benchmarks un aspect réel semblable à celui des circuits industriels. Ces circuits de tests nous serviront pour évalue rles performances des techniques développées dans cette thèse. Dans un deuxième temps, nous proposons de développer un outil spécifique qui intervient après le partitionnement pour prendre en compte la contrainte liée à la limitation du nombre d'interconnexion entre les FPGAs. Cet outil est basé sur une approcheitérative visant à réduire le taux de multiplexage (nombre de signaux qui partagent un seul _l physique). Le routage en lui même est assuré par l'algorithme de routage Pathfinder adapté. Cet algorithme servira comme point de départ pour les techniques de routage développées durant cette thèse. Des adaptations adéquates seront faites pour cibler un ré-seau de routage inter-FPGA. Dans une deuxième partie, nous essayons de déterminer la meilleure forme du signal à router (bi-points ou multi-points) ainsi que le graphe de routage utilisé. Pour cela, nous proposons des scénarios de test a_n de sélectionner les critères qui donnent la fréquence de fonctionnement la plus performante. Par la suite, nous présentons une description détaillée des IPs de multiplexage utilisés.Ces IPs sont insérés dans les parties émettrices et réceptrices d'un canal de communication. Ces IPs incluent des composants spécifiques appelés SERDES pour assurer la sérialisation/déserialisation des données à transmettre. L'insertion de ces composants peut créer des problèmes de routabilité intra-FPGA. Ainsi, dans une deuxième partie, nous proposons un algorithme de placement basé sur l'estimation de la congestion afin d'améliorer la routabilité du circuit. / This thesis mainly deals with the post-partitioning task and addresses the problem of inter-FPGA routing. Thus, the main contributions of this thesis are: Firstly, we focus on the development of a benchmark generator which, using a simple architectural description of the benchmark, generates a circuit modelled with the hardware description language VHDL. The generator uses a set of industrial components providing benchmarks with real behaviour similar to that of industrial circuits. These benchmarks are used to evaluate the performance of the techniques developed in this thesis. In a second step , we propose a speci_c tool which acts after the partitioning to handle the constraints related to the limited number of interconnection between FPGAs. This tool is based on an iterative approach and aims to reduce the multiplexing ratio (the number of signals that share the same physical wire). The routing task itself is operated by the Pathfinder routing algorithm which is widely used by academic and industrial researchers . This algorithm is used as a starting point for routing techniques developed in this thesis . In a second part , we try to identify the best shape of the routed signals and the appropriate routing graph. For this reason, we propose scenarios to select criteria that give the best system frequency. Finally, we present a detailed description of the architecture of the multiplexing IPs. These IPs are inserted in the transmitting and receiving FPGAs of a communication channel. These IPs include speci_c components called SERDES for serialization/deserialization of the data. The insertion of these IPs can create problems of intra-FPGA routability. Thus, in a second part, we propose a placement algorithm based on congestion estimation to improve the routability of the circuit.