L'objectif de cette thèse est de réaliser un système radio-sur-fibre bidirectionnel fonctionnant dans la bande des fréquences millimétriques autour de 60 GHz. La solution proposée est basée sur l'utilisation d'une photodiode PIN en tant que mélangeur optoélectronique. Une étude théorique associée à une caractérisation non-linéaire et large bande de la photodiode a permis de modéliser le comportement mélangeur de la photodiode. Le modèle de photodiode obtenu a ensuite été utilisé pour optimiser les performances du mélangeur optoélectronique puis du système radio-sur-fibre complet. Des mesures expérimentales ont permis de vérifier la compatibilité du système proposé avec les spécifications du standard ECMA 387 proposé pour régir la création de réseaux locaux aux fréquences de 60 GHz, pour au moins les deux premiers débits proposés (394 Mb/s et 794 Mb/s).

Afin de réaliser la convergence de l'infrastructure optique des réseaux d'accès fixes et mobiles, l'objectif de cette thèse est d'étudier les solutions pour la distribution de porteuses radio natives à travers des réseaux d'accès optiques typiques. La première partie décrit les contextes et les principales propriétés physiques des réseaux d'accès optiques et radio : depuis les systèmes Fiber To The Home (FTTH) actuellement déployés et leurs évolutions attendues, en passant par l'actuel système radio Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) jusqu'aux exigences des futurs systèmes modernes de téléphonie mobile. Ceci permet de fixer le cadre de l'environnement optique dans lequel les fonctionnalités Radio over Fiber (RoF) devront être intégrées, et d'anticiper les figures de mérite, se rapportant aux systèmes radios, auxquelles une attention particulière devra être protée durant la mise en oeuvre. La seconde partie montre l'intérêt et les possibilités de réutiliser l'infrastructure optique des réseaux d'accès fixes pour les systèmes de radio distribuée. Ensuite est proposé un inventaire des techniques RoF analogiques et numériques, ainsi qu'une discussion quant à leur intégrabilité dans des systèmes FTTH courants. La troisième partie traite du calcul formel et de simulations d'un système de transmission RoF analogique, où la liaison optique est soit passive ou optiquement pré-amplifiée, et voire amplifiée à l'émission. L'objectif est de fournir des résultats numériques en complément aux résultats pratiques (seconde moitié de la quatrième partie) pour lesquels le rapport signal à bruit est le souci majeur. Pour cela nous utilisons successivement des expressions formelles, et des résultats numériques obtenus pour des signaux sinusoïdaux et pour des signaux UMTS plus réalistes. La quatrième et dernière partie concerne les résultats expérimentaux : d'une part ceux concernant les architectures à base de récepteur APD et à portée étendue grâce à un SOA exploité de manière bidirectionnelle, et ayant pour figure de mérite principale l'EVM ; d'autre part les résultats ayant pour figure de mérite l'ACLR, qui pour les systèmes radio dans le sens descendant, est un paramètre critique, et s'avérant être plus important que l'EVM. C'est pourquoi sont présentées des architectures RoF compatibles avec les budgets PON, permettant de surmonter les non-linéarités d'ordre 3 induites par la dispersion chromatique et le chirp du laser, qui dégradent les performances de ACLR / In order to realize the convergence of the optical infrastructure of fixed and mobile access networks, the objective of this thesis is to study the solutions for distributing native radio carriers through typical optical access networks.The first Part describes the contexts and the main physical properties of the optical and radio access networks: from nowadays deployed Fiber To The Home (FTTH) systems, and their expected evolutions, to the current radio system Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) towards the expected requirements of modern mobile radio systems. This allows to settle the optical environment in which the Radio over Fiber(RoF)-functionalities will have to be integrated, and to know on which radio systems'figures of merits to focus on when implementing it. The second Part shows the benefit and possibilities of re-using the optical infrastructure of the fixed access networks for distributed radio systems. Then a review of the analog and digital RoF techniques is proposed, and their feasibility of integration into legacy FTTH systems is discussed. The third part deals with the computing and simulations of an analog RoF-system where the optical link is either passive or optically pre-amplified, and even boosted. The goal is to provide numerical results to the practical lab. results of the second half of the fourth part where the Signal to Noise Ratio (SNR) matters. Therefore successively formal expressions, numerical results for simple 2-tone signals and more realistic UMTS signals are considered. The fourth and last part deals with the obtained practical results. These can be split into two main categories : Error Vector Magnitude (EVM)-oriented results where an Avalanche Photo-Detector (APD) is used for legacy and extended-reach PON architectures using a direction shared Semiconductor Optical Amplifier (SOA) ; and an Adjacent/Alternate Channel power Leakage Ratio (ACLR)-driven part where the focus is seton a very critical figure of merit of radio systems, especially in the downlink. The latter part turned out to be mandatory and prevailing over the initially considered EVM concerns. Hence several RoF architectures, compatible with PONs, are introduced in order to overcome the non-linearities undergone by the RoF-signals, induced by the chromatic dispersion of the PON's fiber and the laser chirp, and degrading the ACLR performances

Le mélange de deux faisceaux laser sur un photo-détecteur permet de générer un signal radiofréquence jusqu'au THz. Par corrélation des deux sources optiques, le signal obtenu peut acquérir la pureté spectrale requise pour les réseaux de communications radio sur fibre. Notre travail porte sur la méthode de corrélation par accrochage optique sur un peigne de fréquences. L'injection optique permet de transférer le bruit de phase d'un laser maître, pris comme référence, à un laser esclave. En utilisant deux harmoniques d'un laser modulé en fréquence comme sources distinctes d'injection, les bruits de phase des deux lasers esclaves sont corrélés et la différence de fréquences est multiple de la fréquence primaire. Nous avons réalisé une étude théorique générale de l'injection dans les lasers semi-conducteur à cavité complexe, en particulier les lasers DFB, en mettant notamment en évidence l'asymétrie géométrique du bruit. Nous avons relié théoriquement le degré de corrélation entre les deux lasers aux paramètres d'injection et au bruit de phase. L'expression a été confirmée par des mesures sur le contraste de franges d'interférences et le spectre du photo-courant hétérodyne. Ces battements temporels ont été mis en regard avec l'optique de Fourier et le speckle. Nous avons étudié la pureté spectrale du battement et établi les limites fondamentales de cette technique en fonction de la qualité de l'oscillateur primaire, des propriétés spectrales des lasers, des paramètres d'injection et de transport sur fibre. Les mesures de bruit de phase sur le signal généré expérimentalement, pour différentes conditions d'injection, sont en très bon accord avec les expressions analytiques.

Du à la présence de dispositifs non-linéaires comme des amplificateurs de puissance (PAs) et des instruments optiques, les signaux de communication sont parfois corrompus par des distorsions non-linéaires. Dans ce cas, des modèles non-linéaires sont utilisés pour fournir une description précise des signaux, permettant le développement de techniques de traitement du signal capables d'éliminer ou de réduire ces distorsions. Dans ce contexte, le choix du modèle non-linéaire à une importance majeure. Les modèles de Volterra sont depuis longtemps utilisés pour représenter les systèmes de communication en présence de distorsions non-linéaires, ayant des applications dans les systèmes de communication par satellite, les systèmes OFDM et les systèmes radio over fiber (ROF), entre autres. Le principal objectif de cette thèse est de proposer des techniques d'estimation et de récupération d'information dans les systèmes de communication MIMO Volterra. Ce type de modèle MIMO peut être utilisé pour modéliser des canaux de communication avec de multiples antennes à la transmission et à la réception, ainsi que des canaux multi-utilisateurs avec de multiples antennes à réception et une antenne de transmission par utilisateur. Les techniques d'estimation et d'égalisation de canaux sont développées pour trois systèmes de communication non-linéaires différents: OFDM, ROF et ROF-CDMA, différents modèles MIMO Volterra étant utilisés selon l'application considérée. Dans le cas des systèmes du type OFDM, un nouveau schéma de transmission qui introduit de la redondance dans les signaux transmis, ainsi que des récepteurs exploitant cette redondance sont proposés. Dans le cas des systèmes TDMA-SDMA, un ensemble de polynômes orthonormaux est développé pour améliorer la vitesse de convergence de l'algorithme LMS pour l'estimation adaptative supervisée d'un système MIMO Volterra. D'autre part, le développement de récepteurs pour des systèmes de communication MIMO Volterra dans un schéma de transmission aveugle est réalisé à l'aide de décompositions tensorielles. Dans ce cas, en exploitant le fait que les modèles de Volterra sont linéaires vis-à-vis de leurs coefficients, des techniques d'estimation et d'égalisation de canaux MIMO Volterra basées sur la décomposition PARAFAC sont développées pour des systèmes de communication TDMA-SDMA et CDMA.

Cette thèse traite de l'aspect radio sur fibre dans le contexte du réseau d'accès et du réseau privatif. Elle nous a permis de comprendre les problèmes liés à une transmission radio sur fibre. Par la suite, nous avons réalisé des bilans de liaison radio sur fibre pour les systèmes suivant UMTS, WiMAX WiFi et UWB afin d'avoir une première idée sur les architectures réalisables. Puis nous avons réalisé et validé les modèles équivalents en bande de base des équipements optiques pour une transmission radio sur fibre. Ces modèles permettront d'ajuster et d'optimiser les signaux radio en tenant compte de la dégradation du signal lié à l'optique. Enfin, nous avons proposé des architectures radio sur fibre innovantes qui permettent de mutualiser les infrastructures d'accès optiques.

Les systèmes Ultra Larges Bandes (ULB) représentent une nouvelle technologie de communication sans fil pour la transmission d'informations à très hauts débits. Avec une Densité Spectrale de Puissance (DSP) inférieure à -41.3 dBm/MHz, les distances de propagation sont considérablement restreintes (< 20 m). C'est en février 2002, que la commission fédérale de communication des Etats-Unis (FCC) a alloué pour les systèmes ULB une bande de fréquence comprise entre 3,1 et 10,6 GHz. Depuis, de nombreuses divergences sont apparues suivant les grandes zones géographiques de normalisation.<br />Au travers des nombreuses techniques de transmission ULB, nous étudions la modulation multi-bandes à répétition en fréquence orthogonale (MB-OFDM) qui a été proposée par l'European Computing Machineries Association (ECMA) en temps que standard en 2005.L'efficacité des signaux Impulsionnel Radio (IR), précurseur à l'ULB, a cependant été montrée. Nous présentons à ce titre une topologie originale nommée Multi-Bandes On-Off Keying (MB-OOK).<br />Dans le cadre de cette thèse, nous développons un outil de simulation système (SST) afin d'analyser les performances d'un système ULB-OFDM. Nous étudions l'influence sur le taux d'erreur binaire (BER) des non-linéarités du front-end de réception Radio-Fréquence (RF) et de l'amplification de puissance faible bruit (LNA) dans une chaîne de transmission globale.<br />Dans le cadre des systèmes MB-OOK, différents types de filtres sont envisagés. L'impact sur le BER est étudié afin de connaître les propriétés prédominantes des filtres sur les performances de transmission.<br />Le domaine de l'optique peut également être avantageusement employé dans des processus de transmission ULB. Les réseaux larges bandes radio sur fibres (RoF) présentent de nombreux intérêts pour fournir à moindre coût la distribution du signal mais également la possibilité de pouvoir le traiter directement. Dans ce sens, Nous évaluons les possibilités de convertir fréquentiellement des signaux de type ULB-OFDM, ainsi que d'évaluer l'impact de transmetteurs Electrique/Optique (E/O) sur les performances d'un système ULB sur fibre à partir des valeurs du vecteur d'erreur d'amplitude (EVM).

Ce travail de thèse s'inscrit dans la recherche des solutions économiquementviables pour des réseaux personnels à hauts débits (plusieurs Gbps à plusieursdizaines de Gbps) opérationnels en bande millimétrique autour de 60 GHz. Aucas où ces réseaux servent un nombre élevé d'utilisateurs, ils comprendront unemultitude d'antennes afin d'assurer l'accès sans fil rapide. Afin de réduire aumaximum le coût d'un module d'antenne, les réseaux doivent fournir un signalanalogue à des porteuses millimetriques. Une solution prometteuse pour les systèmesde distribution qui correspond à ces besoins sont des structures à fibreoptique, laquelle permet une transmission à faibles pertes et à haute bande passante.On parle de l'approche "radio-sur-fibre" (en anglais, radio-over-fiber). Laproblématique est de pouvoir générer et moduler un signal aux fréquences millimétriqueslors de la transmission optique - et ce avec des composant bas coûts.La technique utilisée dans le cadre de cette thèse est l'emploi des diodes laser àverrouillage de modes. Ces derniers vont pouvoir générer des hautes fréquencestout en ne nécessitant qu'une alimentation continue, et ils peuvent être modulésde manière directe ou externe. Les lasers à semi-conducteurs employés ici sontd'une génération encore à l'état d'étude puisqu'il s'agit des lasers à boites (ouîlots) quantiques. Ces lasers ont montrés de très bonnes capacités à générer dessignaux électriques aux fréquences autour de 60 GHz, bien qu'ayant encore, pourl'instant, à une stabilité de fréquence (ou de phase) limitée. Dans le cadre des systèmesde communication opto/micro-ondes, peu de travaux approfondis ont étémenés sur ces structures.Au cours de cette thèse, plusieurs études ont été effectuées. La première portesur les propriétés générales d'un système construit à partir de ce type de laser(puissances disponibles, figure de bruit, linéarité etc.). Une deuxième étude aété consacrée aux effets de la propagation des signaux dans les systèmes baséssur les lasers à verrouillage de modes, notamment de la dispersion chromatiquelaquelle a un effet considérable sur les distances de transmission. Les deux étudesmettent en avant l'importance d'une limitation du nombre de modes générés parla diode laser afin d'optimiser non seulement le gain du lien et la puissance RFrécupérée, mais aussi la figure de bruit du système. Lors d'une troisième étude, lastabilité en fréquence/phase s'est révélée critique, car le bruit de fréquence/phaselimite la qualité de la transmission en introduisant un plancher d'erreur mêmepour des rapports signal-a-bruit très élevés. Des différentes générations de lasersà boites (îlots) quantiques et à verrouillage de modes ont été testées. Le problèmedu bruit de fréquence et de phase persiste et ne peut pas être résolu en utilisantles techniques classiques comme les boucles à verrouillage de phase conventionnelles.Une solution pour ce problème a été développée pour les systèmes detransmission; elle permet simultanément un ajustement de fréquence supérieure(précision de quelques Hz à quelques kHz) à celle donnée par le processus de fabricationdes diodes lasers (précision de quelques GHz), ainsi qu'une stabilisationde fréquence et de phase.

Les filtres optiques à bande latérale unique auto-accordables en longueur d'onde (BLU-AA) s'offrent comme un moyen de compenser les effets de la dispersion chromatique dans les systèmes nécessitant le transport radio-sur-fibre. Les travaux présentés recouvrent l'étude de ces filtres depuis leur élaboration et leur modélisation jusqu'à leur validation dans des expérimentations système hybrides fibre-radio. Un faisceau optique de commande à la longueur d'onde 1,55 µm peut générer par illumination contra-directionnelle un miroir de Bragg dynamique dans un barreau photoréfractif de phosphure d'indium dopé au fer (InP:Fe). Le miroir ainsi généré diffracte un signal dont la longueur d'onde est proche de la longueur d'onde de commande. C'est sur cette base que nous avons conçu les filtres BLU-AA. Le signal d'entrée de ces composants présente un spectre à double bande latérale (DBL) provenant d'une porteuse optique modulée à une fréquence radio. Ce signal est partagé en deux faisceaux d'égales puissances sur les deux accès (signal et commande) du filtre. Chacune des trois composantes du spectre de la commande génère un réseau de Bragg dont seulement deux sont utiles. Lorsque l'angle d'injection des faisceaux d'entrée est correctement ajusté, les réseaux utiles diffractent deux des composantes du signal fournissant le spectre BLU désiré. Si l'angle d'injection détermine la fréquence centrale de fonctionnement du filtre BLU-AA, ce composant dont les réseaux sont dynamiques fonctionne quelle que soit la longueur d'onde du signal à filtrer, dans la mesure où celle-ci se situe dans la fenêtre de transmission autour de 1,55 µm. Une fois ce concept posé, nous avons développé un modèle des filtres BLU-AA et des composants ont été montés puis caractérisés ce qui a permis de vérifier le principe énoncé. En outre, nous avons validé le modèle par confrontation avec les résultats de la caractérisation et les spectres BLU obtenus sont conformes au calcul théorique. Dès lors, la vérification de la compensation des effets de la dispersion chromatique fut la première étape des expérimentations système. Ceci fut fait aussi bien dans le domaine des ondes centimétriques avec des signaux optiques modulés à la fréquence 16 GHz, que dans le domaine millimétrique à la fréquence 31,5 GHz. Finalement deux transmissions de données à 140 Mbit/s comportant à la fois une transmission par fibre optique (sur 14 km) et un bond radio (de 1 m) furent mises en place. Ces deux expérimentations empruntaient la fréquence radio de 16 GHz. Dans le cas d'un signal BLU unique comme dans celui de deux canaux WDM-BLU issus du même filtre BLU-AA, des mesures de taux d'erreur binaire ont prouvé la qualité des liaisons mises en place.

Ces travaux de recherche portent sur les systèmes de communication radio-sur-fibre aux fréquences millimétriques supérieures à 60 GHz. Cette thèse s’articule autour de trois problématiques cruciales pour ces systèmes : la mesure du bruit de phase des signaux millimétriques instables générés par voie optique, la suppression de l’impact du bruit de phase sur les performances des systèmes de communications radio-sur-fibre par l’utilisation de techniques de conversion de fréquence non-cohérente, et enfin l’étude de l’impact du bruit d’intensité sur les performances des systèmes à détection non-cohérente. La première partie du travail présente une nouvelle technique de détection numérique du bruit de phase, capable de mesurer le bruit de phase à n’importe quelle fréquence millimétrique générée par voie optique et donc le plus souvent instable. Il est possible de mesurer le bruit de phase pour une large gamme de fréquences de décalage, allant de fréquence très proches de la porteuse à des bruits lointains grâce à l’adaptation de la résolution fréquentielle de la mesure. Cette mesure se fait de plus sans l’approximation des petits angles, très souvent utilisés. Dans la deuxième partie, un système de communication millimétrique basé sur une détection non-cohérente est étudié. L’étage de conversion de fréquences électrique permettant l’analyse des signaux est réalisé avec une détection d’enveloppe, ce qui permet de s’affranchir des variations de phase et de fréquence de la porteuse générée par voie optique. Pour terminer, des études théoriques et expérimentales sont menées sur l’impact du bruit d’amplitude sur les systèmes radio-sur-fibre utilisant ce type de détection non-cohérente. Les simulations, basées sur des modèles théoriques, sont capables de déterminer quel bruit est prédominant lors des mesures d’EVM parmi les bruits optiques et électriques. Cette technique s’appuie sur l’observation de l’évolution de l’EVM sur la puissance optique reçue. / This Ph.D. investigates the radio over fiber communication systems at mm-wave frequencies higher than 60 GHz. The thesis elaborates on three crucial issues in these systems including:phase noise measurement of unstable optically generated mm-wave signals, elimination ofphase noise impact on performance of radio over fiber systems using non-coherent down conversion technique, and studying the amplitude noise impacts on performance of system based on these detectors. In the first part of this work, a new digital phase noise measurement technique is presented which is able to extract the phase noise of any unstable mm-waveoptically generated signal. This technique is able to measure the phase noise for a widerange of offset frequencies from close-in phase noise to far noise floor by adapting frequency resolution of measurement and without considering small angle approximation. In the second part, we present a radio over fiber system at mm-wave frequency based on non-coherent electrical frequency down conversion stage using an envelope detector which is robust against phase and frequency fluctuations of the optically generated carrier signal. Finally, a the oreticaland experimental study of amplitude noise impact on performance of radio over fiber systemsbased on non-coherent receivers is presented. In this study, a simulation technique based ontheory is developed which is able to determine, among different optical and electrical noise, the one which has the dominant effect on EVM results. This simulation technique is based onobserving the EVM evolution versus received optical power.

Ce travail de thèse porte sur les systèmes de communication radio-sur-fibre (RoF) aux fréquences millimétriques dans la gamme de fréquences 57-66 GHz et leur génération par voie optique. La technique utilisée repose sur l’emploi de diodes laser à verrouillage de modes à boites quantiques. Au cours de cette thèse, plusieurs études ont été effectuées : la première porte sur la capacité d’intégrer ces types des lasers dans des systèmes de communication RoF avec leurs performances sous modulation directe ou externe. La deuxième étude a été consacrée aux effets de la propagation de ces signaux dans des systèmes basés sur les lasers à blocage de modes. Une technique originale a été mise en place afin de réduire la sensibilité à la dispersion chromatique dans la fibre optique. Une étude de la réduction du bruit de phase des lasers à verrouillage de modes basée sur l’observation de l’effet de la contre réaction et l’injection optique externe a été également présentée. / This thesis focuses on the radio-over-fiber (RoF) communication systems at millimeter frequencies in the frequency range 57-66 GHz and optical generation of a signal at millimeter-wave frequency band. The technique used is based on mode-locked laser diodes. The diodes employed in this work are in quantum dots (or quantum dashes) technology. In this thesis, several studies were conducted: the first relates the ability of integration these types of lasers in the RoF communication systems under direct or external modulation. The second study was devoted to propagation effects. An original technique was implemented to reduce the sensitivity to chromatic dispersion in an optical fiber. A study of the reduction of phase noise mode-locked lasers based on the observation of the reaction effect and against the external optical injection was presented.