Cette thèse rapporte les premières études exploratoires menées en vue de réaliser un amplificateur optique fonctionnant dans la bande S des télécommunications (autour de 1470 nm) dans une fibre en silice dopée au thulium dans le but d'augmenter la bande passante utilisable par le procédé de multiplexage en longueur d'onde (WDM) des réseaux optiques en silice standard. Pour permettre d'amplifier un signal optique à l'aide des ions de thulium dans une fibre composé d'un verre à haute énergie de phonon comme la silice, nous avons adapté les processus de fabrication des préforme par MCVD de manière à modifier de moins de 10% mol la composition du cœur de silice de la fibre. Ainsi, l'apport d'Al2O3 permet, en modifiant l'environnement des terres rares, de réduire les désexcitations non radiatives entre les niveaux 3H4 et 3H5 des ions de thulium. Le temps de vie du niveau 3H4 est ainsi multiplié par 3, de 14us pour la silice pure à 50us pour 8,7 %mol d'al2O3. L'efficacité quantique passe alors de 2% à plus de 8%. Grâce à cette amélioration du matériau et à l'optimisation des paramètres optogéométriques de la fibre optique à l'aide d'un modèle numérique, nous avons pu mesurer l'amplification en bande S d'un signal lumineux sur un échantillon majoritairement composé de silice fabriqué au laboratoire. Ce gain, de plus de 1dB pour 1400mW de puissance de pompe optique, est un résultat de premier ordre pour ce type de dispositif, validant l'approche de la modification de l'environnement du thulium dans la silice. De plus les simulations numériques prédisent un gain supérieur à 20 dB pour 1W de puissance de pompe pour le matériau élaboré, avec un schéma de pompage plus efficace.

Le développement de sources multi-longueurs d'onde et accordables en longueur d'onde offre l'opportunité de faciliter le déploiement de systèmes de télécommunications par fibres optiques multiplexés en longueur d'onde et d'implanter une reconfiguration des réseaux au niveau optique. Dans ce contexte, le travail proposé étudie un laser à fibre en anneau incluant un amplificateur à fibre dopée erbium, comme milieu à gain, et un filtre de Lyot intégré sur niobate de lithium et accordable par voie électro-optique. Lorsque la commande du filtre est continue, on démontre, expérimentalement et numériquement, que la longueur d'onde d'émission de la source optique peut varier sur 18,8 nm avec des fluctuations de puissance inférieures à 3,6 dB. Par ailleurs, nous observons que la commutation de longueur d'onde est limitée par la réponse du milieu à gain. De plus, nous vérifions que l'emploi intra-cavité d'un modulateur en niobate de lithium permet de créer d'impulsions par mode déclenché ou synchronisation de modes et ne constitue qu'une nouvelle fonctionnalité intégrable sur la puce du filtre. Finalement, nous analysons le comportement du laser lorsque la commande du filtre varie. On parvient ainsi à générer des trains d'impulsions dont chacune possède sa propre longueur d'onde en appliquant des signaux "en escaliers" ou triangulaires de fréquence inférieure à quelques kilohertz. A plus haute fréquence, la modulation de la transmission du filtre par des signaux sinusoïdaux permet de créer des impulsions par un nouveau type de synchronisation de modes.

Les résultats obtenus dans cette thèse portent principalement sur l'étude des "communications dans les réseaux optiques par multiplexage en longueur d'onde". Ils s'inscrivent dans une thématique d'allocation des ressources en vue de réaliser des communications dans un réseau. La problématique générale que nous avons considérée peut se résumer de la manière suivante. Il s'agit de satisfaire dans un réseau optique une famille de requêtes de connexion, appelée instance de communication et formée de couples de noeuds (source, destination). La satisfaction d'une requête passe par l'attribution d'un chemin dans le réseau et d'une longueur d'onde sur les liens utilisés, avec la contrainte que deux requêtes ne peuvent pas utiliser le même lien avec la même longueur d'onde. L'objectif dans ce cadre est de minimiser l'utilisation des ressources optiques, c'est-à-dire le nombre total de longueurs d'onde permettant de satisfaire l'instance donnée. Dans le chapitre 1, nous présentons la technologie optique pour les télécommunications, afin de préciser le cadre technique de notre recherche et d'aider le lecteur informaticien à la compréhension des contraintes physiques sous-jacentes à la modélisation théorique. Dans le chapitre 2, nous posons la problématique étudiée au cours de la thèse et nous donnons la modélisation qui a servi de base à nos recherches. Le chapitre 3 est une synthèse des résultats obtenus dans la littérature concernant principalement le problème du routage optique. Le reste de la thèse est constituée des annexes qui rassemblent les articles publiés, dans le format des rapports de recherche.

Les systèmes de transmission de données numériques par fibre optique, multiplexés en longueur d'onde et fonctionnant au débit de 40 Gbit/s par canal, seront bientôt indispensables pour absorber l'augmentation attendue de la demande en capacité, que les systèmes actuels à 10 Gbit/s ne pourront plus assurer. L'étude de technologies avancées permettant leur optimisation est alors indispensable. Pour cela, nous avons d'abord étudié des formats de modulation permettant une propagation optimale des signaux optiques en présence d'une capacité plus élevée. La transmission binaire à profil de phase contrôlé et la modulation de phase sur quatre niveaux répondent à ces critères. Nous avons également étudié les effets de propagation prédominants à 40 Gbit/s, les effets non-linéaires dits intra-canaux. La modulation de phase assure aussi une tolérance accrue à ces effets, qui est exaltée par l'utilisation de l'alternance de polarisation. Nous avons ensuite étudié différents systèmes à 40 Gbit/s. Par ces études nous avons d'abord montré que les systèmes sous-marins conventionnels, conçus pour 10 Gbit/s, peuvent être utilisés à 40 Gbit/s grâce à la modulation de phase et à une compensation de la pente de dispersion. Nous avons ensuite testé des systèmes équipés d'un codage de l'information à l'émission dans le but de diminuer l'impact des effets intra-canaux. Leur performance peut s'améliorer grâce à des modifications minimales de la séquence d'information. Nous avons enfin montré que les systèmes sous-marins de nouvelle génération améliorés, sans fibres compensatrices mais équipés d'un dispositif de conjugaison de phase optique ont le potentiel de surpasser les systèmes existants.

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.

Cette thèse se concentre sur l’amélioration conjointe de l'efficacité spectrale et de l'efficacité en puissance de schémas de transmission par satellite. L’émergence de nouveaux services et l'augmentation du nombre d’acteurs dans le domaine nécessitent de disposer de débits de plus en plus importants avec des ressources de plus en plus limitées. Les progrès réalisés ces dernières années sur la technologie embarquée et dans le domaine des communications numériques permettent de considérer des schémas de transmission à plus haute efficacité spectrale et en puissance. Cependant, l’enjeu majeur des schémas de transmission proposes actuellement reste de rentabiliser les ressources disponibles. L’étude développée dans cette thèse explore les possibilités d’amélioration conjointe de l’efficacité spectrale et de l’efficacité en puissance en proposant la combinaison de la modulation Cyclic Code-Shift-Keying (CCSK), dont l’efficacité en puissance augmente avec l’élévation du degré de la modulation, avec une technique de multiplexage par codage de type Code-Division Multiplexing (CDM) pour pallier la dégradation de l’efficacité spectrale liée à l’étalement du spectre induit par la modulation CCSK. Deux approches basées sur l’utilisation de séquences de Gold de longueur N sont définies: Une approche multi-flux avec un décodeur sphérique optimal en réception. La complexité liée à l’optimalité du décodeur conduit à des valeurs d'efficacité spectrale limitées mais l’étude analytique des performances, vérifiée par des simulations, montre une augmentation de l'efficacité en puissance avec l'efficacité spectrale. Une approche mono-flux justifiée par l’apparition de redondance dans les motifs résultant du multiplexage des séquences. L’approche mono-flux propose des valeurs d’efficacité spectrale équivalente aux schémas retenus dans le standard DVB-S2 avec une amélioration de l’efficacité en puissance à partir d’un certain seuil de rapport signal à bruit par rapport à ces schémas. Par la suite, l'étude porte sur la transposition de plusieurs symboles de modulation sur les porteuses d’un système OFDM et sur les bénéfices et avantages d’une telle approche. Elle se conclut sur l’apport d’un codage canal basé sur des codes par bloc non binaires Reed-Solomon et LDPC. La forme d’onde proposée offre des points de fonctionnement à haute efficacité spectrale et haute efficacité en puissance avec des perspectives intéressantes. Dans le contexte actuel, son application reste limitée par ses fluctuations d’amplitude mais est envisageable dans un contexte de transmission multiporteuse, comme attendu dans les années à venir. / This thesis focuses on jointly improving the spectral efficiency and the power efficiency of satellite transmission schemes. The emergence of new services and the increasing number of actors in this field involve higher transmission rates with increasingly limited resources. Recent progress in the embedded technologies and in digital communications offered to consider transmission schemes with higher spectral and power efficiency. Nevertheless, the major current challenge consists in making efficient use of resources. The study developed in this thesis explores the possibilities of jointly improving the spectral and power efficiency by offering a combination of the Cyclic-Code-Shift Keying modulation (CCSK), which power efficiency increases with the degree of modulation, with a multiplexing technique such as Code-Division Multiplexing (CDM) to offset the deterioration on the spectral efficiency due to the spread spectrum induced by CCSK. Two approaches based on the use of Gold sequences of length N are defined : A multi-stream approach with an optimal receiver implemented through sphere decoding. The complexity due to the receiver optimality leads to limited spectral efficiencies but the study of performance, confirmed by simulations, shows an increase in power efficiency with spectral efficiency. A single-stream approach justified by the appearance of redundancy in the patterns following the sequences multiplexing. The single-stream approach offers spectral efficiencies equivalent to the adopted schemes in the DVB-S2 standard, with improved power efficiency from a certain level of signal to noise ratio compared to those schemes. Subsequently, the study focuses on the implementation of several modulation symbols on the subcarriers of an OFDM modulator and the benefits and advantages of such an approach. It concludes with the contribution of channel coding based on nonbinary block codes such as Reed-Solomon and LDPC codes. The proposed waveform offers operating points with high spectral efficiency and high power efficiency with attractive perspectives. In the current context, its application is limited by its amplitude fluctuations but is possible in a multicarrier transmission context, as expected in the years to come.

Le réseau de radio communications mobiles professionnelles (PMR), qui est utilisé pour le fonctionnement de la sécurité publique, doit évoluer pour les solutions à large bande pour satisfaire les demandes des utilisateurs à l’avenir. Dans les technologies à large bande actuels, Long Term Evolution (LTE), développé par le 3GPP (3rd Generation Partnership Project), est considéré comme l’un des candidats potentiels pour la prochaine génération de PMR. Malgré le fait que la technologie LTE en charge la transmission de données à haute vitesse et prend en charge différentes tailles de paquets en utilisant la modulation et le codage adaptatifs (AMC), le LTE n’est pas encore optimisée pour la communication vocale à bas débit, en particulier en cas d’utilisation LTE pour la radio communications mobiles professionnelles (PMR ) contexte. Par conséquent, dans cette thèse, nous présentons des solutions pour renforcer la capacité de la voix de la technologie LTE dans le cadre PMR à la fois la liaison montante et la transmission de liaison descendante. Les nouvelles propositions, basées sur la technologie de norme LTE existant avec des adaptations, permettent la réduction de les frais généraux de données et les frais généraux de contrôle sur LTE (VoLTE) dans le contexte PMR / The Professional Mobile Radio (PMR) network, which is used for public safety operation, has to evolve to the broadband solutions to satisfy the user demands in the future. In the current broadband technologies, Long Term Evolution (LTE) standard, developed by the 3GPP (3rd Generation Partnership Project), is considered one of the potential candidates for the next generation of PMR. Despite the fact that LTE supports high-speed data transmission and supports different packet sizes by using Adaptive Modulation and Coding (AMC), LTE is not yet optimized for low bit rate voice communication, especially in case of using LTE in Professional Mobile Radio (PMR) context. Therefore, in this dissertation, we present several new solutions for enhancing the voice capacity of LTE in the PMR context for both uplink and downlink transmission. The new propositions, based on existent LTE standard technology with adaptations, allow reducing both control and data overhead issues of Voice over LTE (VoLTE) in PMR context

Les biomarqueurs à base d’acides nucléiques, qui sont impliqués dans le contrôle de l'expression génétique, sont spécifiques de nombreux types de cancers. Les applications basées sur le transfert d'énergie par résonance de Förster (FRET) sont parmi les plus prometteuses pour la biodétection d’acides nucléiques. Comme la détection simultanée de plusieurs acides nucléiques est très demandée et que le multiplexage spectral est limité par des interférences (optical crosstalk), le multiplexage temporel est utilisé ici pour ajouter de nouvelles possibilités de multiples détections simultanées. La thèse porte sur le développement de systèmes comprenant différentes distances entre molécules donneuses et acceptrices de FRET (Terbium vers fluorophores) pour créer des signaux d'intensité spécifiques correspondant à différentes séquences d'acides nucléiques. Les distances Tb-to-dye peuvent être arrangées en positionnant spécifiquement le donneur Tb sur des molécules d’ADN de différentes longueurs. Les technologies d'amplification d’acides nucléiques, telles que la réaction d'hybridation en chaîne (HCR) et l’amplification circulaire de l’ADN (RCA), ont été utilisées pour obtenir simplicité, rapidité, sélectivité et sensibilité dans la détection d’acides nucléiques. Le multiplexage temporel du signal de FRET a également été combiné avec le multiplexage spectral (couleur) pour le démultiplier. De plus, la possibilité d'un multiplexage temporel à base de nanoparticules a été démontrée. / Nucleic acid biomarkers, which involve in gene expression control, are found specific for many kinds of cancers. Förster Resonance Energy Transfer (FRET) based applications are one of the most promising for nucleic acid biosensing. As parallel detection of multiple nucleic acids is highly demanded and spectral multiplexing is limited by optical crosstalk, temporal multiplexing is used for opening another dimension of the multiplexing. The thesis focuses on developing different Tb-to-dye FRET distances to create specific intensity signals corresponding to different nucleic acid sequences. The Tb-dye distances can be tuned by specific location of the Tb donor using different lengths of DNA. Amplification technologies, such as hybridization chain reaction (HCR) and rolling circle amplification (RCA), are used to achieve simplicity, rapidity, selectivity, and sensitivity of nucleic acid detection. Temporal multiplexing FRET was also combined with spectral (color) multiplexing for higher order multiplexed detection. Moreover, a single Tb-QD FRET modeling demonstrated the possibility of nanoparticle-based temporal multiplexing.

Le présent mémoire vise le domaine des télécommunications optiques et de la radio sur fibre (RoF). Il a pour objectif de proposer une technique de réutilisation de longueur d’onde optique afin de transmettre un signal sans-fil 802.11a en amont et un signal numérique OOK en aval dans la même bande passante. Cette technique se base sur les amplificateurs à semiconducteur réfléchissant (RSOA). Ce composant permet l’effacement du signal numérique arrivant par la saturation de son amplificateur qui sera ensuite réutilisé comme modulateur de fréquence radio (RF) pour retourner un signal sans-fil 802.11a dans une bande pouvant chevaucher le signal effacé. Par l’entremise des articles qui sont publiés et relatés dans ce mémoire, une étude exhaustive de la technique de saturation du RSOA aux fins de re-modulation ainsi que des performances obtenues en laboratoire y est présentée. Trois formats de modulations QPSK, 16QAM et 64QAM y seront testés. L’évaluation des performances sera réalisée à l’aide des paramètres suivants : le taux d’erreur binaire (BER), le facteur de qualité (Q), la norme du vecteur d’erreur (EVM), la distance de propagation atteinte dans la fibre, la vitesse de transmission et l’indice de modulation (MI). Cette technique peut être utilisée pour un signal sans-fil 802.11a d’une antenne jusqu’à une centrale par fibre optique, et ce, jusqu’à 80 km avec un format de modulation QPSK. Il est également possible de transmettre du 64QAM jusqu’à 40 km tout en gardant une bonne performance en sens opposé. Il a été également possible de conclure expérimentalement qu’il est possible de multiplexer plusieurs signaux sans-fil sur 20 km dans la bande RF du RSOA en coexistence avec un signal numérique en sens opposé. Cela ouvre des portes sur de nouvelles recherches d’architectures où les coûts, la consommation de puissance et le traitement de signaux sont plus centralisés et à bas prix.

Ce mémoire est consacré à la description détaillée d’une couche physique implémentée sur une plateforme FPGA. La couche physique intègre plusieurs des technologies présentes dans les standards de télécommunication de dernière génération. Tout d’abord, un survol des technologies OFDM et MIMO est effectué puisque que ces deux technologies sont d’une grande importance dans les télécommunications d’aujourd’hui. Par la suite, une description du matériel utilisé pour tester le bon fonctionnement de la couche physique est effectuée. Une bonne partie du mémoire sera consacrée à la description de la couche physique déployée. Un schéma-bloc détaillé de cette dernière est présenté. La couche physique est divisée principalement en deux parties : le transmetteur et le récepteur. Au niveau du transmetteur, la structure du paquet généré sera présentée ainsi que les différents symboles d’acquisition et d’estimation de canal. Du côté du récepteur, nous nous attarderons aux algorithmes mis en œuvres afin d’effectuer le décodage d’un paquet. L’algorithme de contrôle de gain automatique, l’estimateur de déviation fréquentiel de la porteuse, le détecteur de début de paquet et l’estimateur de canal seront présentés. Enfin, des courbes démontrant le taux d’erreurs de bit dans du bruit blanc gaussien additif seront présentées et comparées avec les courbes théoriques. Une discussion sur les résultats suivra ainsi qu’une liste de suggestions afin de porter plus loin la couche physique. / This report is focused on a detailed description of a physical layer implemented on an FPGA platform. The physical layer integrates many of the up to date technologies used in the latest generation telecommunication standards. First of all, an overview of the OFDM and MIMO technologies is presented since both technologies are very important in today’s telecommunications. Thereafter, there is a description of the hardware used to test the proper functioning of the physical layer. The major part of this report is aimed toward the description of the physical layer itself. A detailed block diagram of the latter is presented. The physical layer is divided in two main sections: the transmitter and the receiver. Regarding the transmitter, the structure of the generated packet is presented together with the acquisition and channel estimation symbols. On the receiver side, we will focus on the implemented algorithms to decode a packet. The automatic gain control algorithm, the carrier frequency offset estimator, the block boundary detector and the channel estimator are detailed. Finally, binary error rate curves in an additive white Gaussian noise channel will be presented and compared to theoretical curves. A discussion about the obtained results will follow as well as a list of the future improvements which could be made to take the physical layer further.