Aujourd'hui, un large éventail d'activités d'exploration et d'exploitation du milieu sous-marin requière l'établissement de transmissions de données à haut débit. Dans ce contexte, les solutions de communications traditionnelles par câble ou par fibre optique impliquent des déploiements coûteux et une flexibilité très limitée. D'autre part, les communications acoustiques offrent des performances opérationnelles très faibles. Récemment, avec le développement de composants optoélectroniques compacts et peu coûteux, il est devenu possible de réaliser des modems optique pour les communications sans-fil, qui soient compacts et offrent des vitesses de transmission et une efficacité énergétique sans précédentes. Cependant, cette technologie souffre encore de plusieurs limitations, notamment quand il s'agit d'établir des liens de communication sur des distance relativement longues et à des débits de transmission élevés. Pour faire face à certaines de ces faiblesses, cette thèse considère l'utilisation de nouveaux composants optoélectroniques et des techniques de traitement du signal adaptées afin d'améliorer les performances des liaisons de communication optique sans fil sous-marine.En effet, après l'étude de l'effet du bruit solaire sur la performance de ces liaisons, nous étudions l'utilisation d'une nouvelle technologie de photo détection, basée sur les photomultiplicateurs en silicium (SiPM). Nous étudions les performances de ces composants dans différentes conditions de turbidité de l'eau. Par ailleurs, nous proposons des techniques de transmission efficaces basées principalement sur la modulation d'amplitude et l'égalisation dans le domaine fréquentiel. Cette dernière est employée afin de dépasser la limitation imposée sur les débits de transmission par les composants d'émissions et de réception, notamment les LEDs et les SiPMs, et ainsi permettre une transmettre les données à des débits plus élevés. L'efficacité des solutions proposées est ensuite validée par une étude expérimentale. / Today we are witnessing a growing need to high-rate data transmission in underwater missions in a wide range of application areas. Within this context, traditional cable- or fiber-based communications imply costly deployments with very limited flexibility, and the conventional acoustic communications offer very low operational performance. Recently, with the development of small and low-cost optoelectronic components and devices, it has become feasible to realize small and compact wireless optical communication transceivers providing unprecedentedly high transmission rates and energy efficiency. However, there still remain several shortcomings of this technology, in particular to attain high data rates over relatively long communication ranges. In order to overcome some of these limitations, this PhD thesis considers the use of advanced optoelectronic components and signal processing techniques in order to improve the performance of underwater wireless optical communication (UWOC) links. In this view, after studying the effect of solar background noise on the performance of these links, we investigate the use of the recent promising Silicon photo-multipliers (SiPMs) in UWOC receivers and study the corresponding system performance in different conditions of water turbidity. We also propose efficient transmission solutions, mainly based on pulse amplitude modulation and frequency domain equalization in order to surpass the bandwidth limitation of the emitters and SiPMs to allow high rate data transmission. The benefits of the proposed solutions are further validated through experimental measurements.

O presente trabalho foi desenvolvido para viabilizar a operação do microdensitômetro Optronics P-1000 através de um microcomputador tipo IBM-PC. Assim, desenvolveu-se uma interface (hardware), bem como todo o software necessário para operar o equipamento e fazer a aquisição dos dados digitalizados. Este software, permite, também, a visualização interativa das imagens, usada para definir regiões de interesse no filme. / The present work was developed to enable the operation of the Optronics P-1000 densitometer using a IBM-PC compatible microcomputer. Therefore a hardware interface as well as all the needed software to operate the equipment and execute the data acquisition was developed. This software provides also interactive vicualization and operation used to define regions of interest on the film.

O presente trabalho foi desenvolvido para viabilizar a operação do microdensitômetro Optronics P-1000 através de um microcomputador tipo IBM-PC. Assim, desenvolveu-se uma interface (hardware), bem como todo o software necessário para operar o equipamento e fazer a aquisição dos dados digitalizados. Este software, permite, também, a visualização interativa das imagens, usada para definir regiões de interesse no filme. / The present work was developed to enable the operation of the Optronics P-1000 densitometer using a IBM-PC compatible microcomputer. Therefore a hardware interface as well as all the needed software to operate the equipment and execute the data acquisition was developed. This software provides also interactive vicualization and operation used to define regions of interest on the film.

Thesis (MEng) -- Stellenbosch University, 2014. / ENGLISH ABSTRACT: The capability of simulating the output image of earth observation satellite sensors is of great value, as it reduces the dependency on extensive field tests when developing, testing and calibrating satellite sensors. The aim of this study was to develop a software model to simulate the data acquisition process used by passive remote sensing satellites for the purpose of image generation. To design the software model, a comprehensive study was done of a physical real world satellite remote sensing system in order to identify and analyse the different elements of the data acquisition process. The different elements were identified as being the target, the atmosphere, the sensor and satellite, and radiation. These elements and a signature rendering equation are used to model the target-atmosphere-sensor relationship of the data acquisition process. The signature rendering equation is a mathematical model of the different solar and self-emitted thermal radiance paths that contribute to the radiance reaching the sensor. It is proposed that the software model be implemented as an additional space remote sensing application in the Optronics Sensor Simulator (OSSIM) simulation environment. The OSSIM environment provides the infrastructure and key capabilities upon which this specialist work builds. OSSIM includes a staring array sensor model, which was adapted and expanded in this study to operate as a generic satellite sensor. The OSSIM signature rendering equation was found to include all the necessary terms required to model the at-sensor radiance for a satellite sensor with the exception of an adjacency effect term. The equation was expanded in this study to include a term to describe the in-field-of-view adjacency effect due to aerosol scattering. This effect was modelled as a constant value over the sensor field of view. Models were designed to simulate across-track scanning mirrors, the satellite orbit trajectory and basic image processing for geometric discontinuities. Testing of the software model showed that all functions operated correctly within the set operating conditions and that the in-field-of-view adjacency effect can be modelled effectively by a constant value over the sensor field of view. It was concluded that the satellite remote sensing software model designed in this study accurately simulates the key features of the real world system and provides a concise and sound framework on which future functionality can be expanded. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Dit is nuttig om ’n sagteware program te besit wat die gegenereerde beelde van ’n satellietsensor vir aarde-waarneming kan naboots. So ’n sagteware program sal die afhanklikheid van breedvoerige veldwerktoetse verminder gedurende die ontwerp, toetsing en kalibrasie fases van die ontwikkeling van ’n satellietsensor. Die doel van hierdie studie was om ’n sagteware model te ontwerp wat die dataverwerwingsproses van ’n passiewe satelliet afstandswaarnemingstelsel kan naboots, met die doel om beelde te genereer. Om die sagteware model te ontwerp het ’n omvattende studie van ’n fisiese regte wêreld satelliet afstandswaarnemingstelsel geverg, om die verskillende elemente van die dataverwerwingsproses te identifiseer en te analiseer. Die verskillende elemente is geïdentifiseer as die teiken, die atmosfeer, die sensor en satelliet, en vloed. Hierdie elemente, tesame met ’n duimdrukvergelyking, is gebruik om die teiken-atmosfeer-sensor verhouding van die dataverwerwingsproses te modelleer. Die duimdrukvergelyking is ’n wiskundige model van die verskillende voortplantingspaaie van gereflekteerde sonvloed en self-stralende termiese vloed wat bydra tot die totale vloed wat die sensor bereik. Dit is voorgestel dat die sagteware model as ’n addisionele ruimte afstandswaarnemingtoepassing in die ‘Optronics sensor Simulator’ (OSSIM) simulasie-omgewing geïmplementeer word. Die OSSIM simulasie-omgewing voorsien die nodige infrastruktuur en belangrike funksies waarop hierdie spesialis werk gebou kan word. OSSIM het ’n starende-skikking sensor model wat in hierdie studie aangepas is en uitgebrei is om as ’n generiese satellietsensor te funksioneer. Die OSSIM duimdrukvergelyking bevat al die nodige radiometriese terme, behalwe ’n nabyheids-verstrooiing term, om die vloed by die satellietsensor te modeleer. Die duimdrukvergelyking is uitgebrei in hierdie studie om ’n term in te sluit wat die verstrooiing van vloed vanaf naby-geleë voorwerpe, as gevolg van aerosol verstrooiing, kan beskryf. Die nabyheids-verstrooiing is gemodeleer as ’n konstante waarde oor die sigveld van die sensor. Modelle is ontwerp om die beweging van oor-baan skandering-spieëls en die satelliet wentelbaan trajek te bereken. ’n Basiese beeldverwerkings model is ook ontwerp om diskontinuïteite in geometriese vorms in die sensor beelde reg te stel. Toetsing van die sagteware model het gewys dat al die funksies korrek gefunksioneer het binne die limiete van die vasgestelde operasionele voorwaardes. Die toets resultate het ook bewys dat die in-sig-veld nabyheids-verstrooiing akkuraat gemodeleer kan word as ’n konstante waarde oor die sensor sigveld. Daar is tot die gevolgtrekking gekom dat die satelliet afstandswaarneming sagteware model wat in hierdie studie ontwerp is al die belangrikste kenmerke van die werklike wêreld stelsel kan simuleer. Die model vorm ’n beknopte en stewige raamwerk waarop toekomstige werk uitgebrei kan word.

Cette thèse de doctorat propose d'explorer un nouveau paradigme de propagation de l'information de spin sur de très longues distances après encodage sur la polarisation de lumière cohérente. L'objectif principal de ce manuscrit est de fournir une étude détaillée de l'injection de spin dans des composants optoélectroniques III-V à géométrie verticale. Pour atteindre cet objectif, nous nous concentrons sur l'étude de l'injection optique et électrique de spin dans des structures « Light Emitting Diodes » (LEDs) et des structures « Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers » (VECSELs) à base de semiconducteurs III-V. Nos investigations et résultats sont présentés suivant trois axes majeurs.La première partie regroupe un état de l'art sur l'injection de spin dans les composants optoélectroniques III-V et se concentre sur les phénomènes physiques engagés dans la conversion d'une accumulation de spin en information de polarisation lumineuse. Une discussion sur l'injection et le transport de spin dans des structures semi-conductrices est suivie par une analyse orientée-composant sur l'injection de spin dans les LEDs et les VCSELs.La deuxième axe s'articule autour de notre travail expérimental sur le développement et l'optimisation sur LEDs III-V d'un injecteur de spin MgO/CoFeB/Ta ultra-fin présentant une aimantation perpendiculaire à la rémanence magnétique. Nous nous focalisons en premier lieu sur l'optimisation de la barrière tunnel MgO pour maximiser l'injection de porteurs polarisés en spin et détaillons par la suite le développement et la caractérisation d’un injecteur de spin possédant une aimantation perpendiculaire à la rémanence magnétique.La troisième partie contient le travail principal de cette thèse de doctorat. Elle est entièrement consacrée à notre recherche expérimentale sur l'injection de spin dans les structures « Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers ». Nous commençons par introduire un model vectoriel permettant la compréhension théorique de la sélection de polarisation dans les structures VECSELs injectées en spin. Nous rapportons ensuite la mesure de biréfringence d'une structure VECSEL designée pour le pompage optique en utilisant une technique expérimentale originale basée sur la mesure du décalage en fréquence entre les deux modes de polarisation orthogonaux TE et TM. Ultérieurement, nos observations et résultats sur l'injection optique de spin dans les VECSELs sont détaillés, analysés et commentés. L'étude est étendue à l'estimation des temps de vie caractéristiques du système par mesures de Photoluminescence résolues en temps afin d'évaluer l'efficacité de conversion de l'information de spin. Pour finir, les résultats préliminaires sur l'injection électrique de spin dans les VECSELs sont présentés. / This Ph.D Thesis proposes to explore a new paradigm of spin-information propagation over very long distances after encoding on coherent light polarization. The main objective of this manuscript is to provide a detailed study of spin-injection into III-V semiconductor based opto-electronic devices with vertical geometries. To achieve this goal, we focus on the study of optical and electrical spin-injection in III-V semiconductor based Light Emitting Diodes (LEDs) and Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers (VECSELs). Our investigations and results are presented on three axes.The first part regroups a state-of-the-art of spin-injection into semiconductors optoelectronic devices and focuses on the physical phenomena engaged in the conversion of a spin accumulation into light polarization information. A discussion on spin-injection and spin-transport into III-V semiconductor structures is followed by a more device-oriented review on spin-injection in LEDs and VCSELs.The second axis is articulated around our experimental work on the development and the optimization on III-V semiconductors LEDs of an ultra-thin MgO/CoFeB/Ta spin-injector with perpendicular magnetization at magnetic remanence. We focus on the MgO tunnel barrier optimization for maximizing the spin-injection efficiency and further detailed the development and the characterization of the spin-injector with perpendicular magnetization at remanence.Finally, the third part contains the main work of this Ph.D thesis. It is fully dedicated to our experimental research on spin-injection in Vertical External Cavity Surface Emitting Laser structures. A vectorial model allowing the theoretical understanding of polarization selection in spin-injected VECSELs is first introduced. Next, we report the birefringence measurement of a VECSEL designed for optical pumping using an original frequency detuning measurement between the two orthogonal TE- and TM-modes. Afterward, our observations and results on optical spin-injection in VECSELs are displayed, analyzed and commented. The study is farther extended to the measurement of the system's characteristic lifetimes using Time Resolved Photo-Luminescence in order to evaluate the spin-information conversion efficiency. Finally the preliminary results on electrical spin-injection experiment are presented.