Récemment, la convergence des techniques radio à 60 GHz sur fibre optique (radio over fiber - RoF) et des réseaux d’accès optiques passifs à multiplexage en longueurs d’ondes (wavelength division multiplexing-WDM) a suscité un très grand intérêt dans la communauté scientifique. L’objectif de cette thèse est d’étudier les solutions pour faire converger les systèmes RoF à 60 GHZ et les réseaux passifs optiques (passive optical network – PON) utilisant le WDM, appelés dans la suite PON-WDM. Les résultats principaux de cette thèse axée sur la technologie des systèmes RoF et l’intégration des systèmes RoF avec les réseaux d’accès PON-WDM sont les suivants : Un système RoF utilisant un démultiplexeur WDM, compatible avec les réseaux d’accès PON-WDM, est proposé dans cette thèse. Nous avons mené une étude théorique complète du bruit de phase. Elle inclut la contribution des bruits de phase des générateurs de signaux électriques et celle de la conversion de bruit de phase optique en bruit d’intensité. Cette dernière conversion est due à la détection de deux signaux cohérents, retardés l’un par rapport à l’autre si les longueurs optiques entre les deux canaux optiques se recombinant sont différentes. La densité spectrale de puissance du signal millimétrique généré optiquement est analysée théoriquement et démontrée expérimentalement. Son étude donne une méthode pour compenser un éventuel délai optique │τd│. L’amplitude du vecteur d’erreur (error vector magnitude –EVM) est théoriquement calculée et expérimentalement démontrée, en fonction du rapport │τd│/τcOP où τcOP est la durée de cohérence de la source optique utilisée. Cela donne une règle de conception pour insérer le démultiplexeur optique dans le système d’hétérodynage optique.  Nous avons validé expérimentalement la technique d’hétérodynage optique qui utilise un démultiplexeur pour générer un signal millimétrique respectant le standard ECMA 387. Nous avons proposé un système combinant une partie RoF et un réseau PON-WDM, permettant la génération simultanée d’un signal millimétrique respectant le standard ECMA 387 et la transmission d’un signal en bande de base à plusieurs gigabits par seconde. Nous avons réalisé expérimentalement avec succès la transmission simultanée d’un signal à 60 GHZ, modulé avec une modulation BPSK par un signal à 1588 Mbit/s et celle d’un signal en bande de base à 10 Gbit/s.  Nous avons proposé une nouvelle technique de modulation multi-bandes : la modulation de phase parallèle utilisant un unique modulateur de Mach-Zehnder. Cette technique présente des avantages significatifs comparée à n’importe quelle autre technique de modulation multi-bandes. Il n’y a aucun impact de la modulation en bande de base sur la génération millimétrique. L’impact de la modulation RF sur la transmission en bande de base (impact dû à la non-linéarité de la modulation de phase) est limité. Le taux d’erreurs binaires du signal en bande de base intégrant l’effet du signal RF a été théoriquement calculé et expérimentalement validé. Cela donne des règles de conception pour la technique de modulation de phase parallèle avec un unique modulateur de Mach-Zehnder. Nous avons proposé une architecture et réalisé un démonstrateur d’un système bas-coût bidirectionnel pour la transmission RoF. Ce système utilise le mélange optoélectronique et la technique d’hétérodynage optique. Nous avons prouvé que :  Des signaux à 60 GHz modulés à 397 Mbit/s et 794 Mbit/s avec une modulation BPSK sont convertis vers la bande basse de fréquence en utilisant la technique de mélange optoélectronique : les contraintes du standard ECMA 387 sont respectées.  Pour la liaison descendante utilisant la technique d’hétérodynage optique, aucune pénalité sur l’EVM n’est causée par le choix du régime non linéaire de la photodiode. / Recently, convergence of 60 GHz radio over fiber (RoF) technique with wavelength division multiplexing (WDM) passive optical networks (PON) has raised great interests because it provides the possibility for simultaneous broadband 60 GHz signal generation and multi-gigabit per second wireline transmission. The objective of the thesis is to study the solutions for converged 60 GHz RoF and WDM-PON technique. In this thesis, we have made the following achievements for RoF technology and the integration of RoF technology with WDM-PON access networks: A RoF system using WDM DEMUX which is supposed to be compliant with WDM-PON access networks is proposed in this thesis. Phase noise including optical phase to intensity noise conversion contribution due to the delayed coherent detection induced by the different optical lengths between the two optical channels and the phase noise contribution due to the electrical generators has been theoretically studied. PSD of the optical mmW is theoretically analyzed and experimentally demonstrated, which gives a solution to compensate different optical delay │τd│ EVM as function of │τd│/τcOP is theoretically derived and experimentally proved, which gives a design rule for optical heterodyning using WDM DEMUX The optical heterodyning technique using WDM DEMUX for mmW generation respecting ECMA 387 standard is validated by the experiment. We proposed a simple combination of RoF with WDM-PON supporting mmW generation respecting ECMA 387 standard and multi-gigabit per second baseband transmission. Simultaneous transmission of 1588 Mbps BPSK 60 GHz signal and 10 Gbps baseband signal is experimentally proved. A novel WDM-RoF-PON access networks with multi-band modulation technique is proposed in order to lower the cost of infrastructure. We propose a novel parallel phase modulation technique with a single MZM. This technique can offer several significant advantages compared to any other multi-band modulation technique. No impact from baseband modulation to mmW generation. Limited impact from RF modulation to baseband transmission due to the non-linearity of the phase modulation. BER of baseband signal with RF impact is theoretically studied and experimentally demonstrated, which gives a design rule for parallel phase modulation technique with a single MZM A low-cost bidirectional RoF transmission using optoelectronic mixing and optical heterodyning technique is proposed and experimentally demonstrated. It has been proved that: 397 Mbps and 794 Mbps BPSK 60 GHz uplink signal is down-converted to IF band respecting the ECMA 387 standard by using the optoelectronic mixing technique. No EVM penalty is paid to the non-linearity biased PD for downlink transmission by optical heterodyning technique. 6 dB power penalty need to be paid for the non-linear biased PD, which can be compensated by using high gain LNA after the PD.

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). / The aim of this thesis is to develop a bidirectional millimeter-wave radio-over-fiber system. The proposed system is based on the use of a p-i-n photodiode as an optoelectronic mixer. A theoretical study coupled with a non-linear and wideband photodiode characterization allows modeling of the photodiode mixing process. Then, the developed photodiode model was used to optimize the optoelectronic mixer efficiency and finally, to optimize the complete radio-over-fiber system efficiency. Experimental measurement has been made to check the compliance of the developed system with the specifications of the ECMA 387 standard that is proposed for the use of the 60 GHz frequency band. Measurement complies with the standard for at least the first data rates (394 Mb/s and 794 Mb/s).

Avec la croissance forte de ces dernières années des objets connectés les technologies de communication optique et radio voient davantage d’opportunités de s’associer et se combiner dans des technologies bas-couts Photoniques-Microondes (MWP). Les réseaux domestiques en sont un exemple. La bande millimétrique notamment, de 57GHz à 67GHz, est utilisé pour contenir les exigences des communications sans fils très haut-débit, néanmoins, la couverture de ces systèmes wireless est limitée en intérieur (indoor) essentiellement à une seule pièce, à la fois du fait de l’atténuation forte de l’atmosphère dans cette bande de fréquence, mais aussi de fait de l’absorption et de la réflexion des murs. Ainsi il nécessaire de déployer une infrastructure pour diffuser l’information au travers d’un système d’antennes distribuées. Les technologiques optiques et photoniques-microondes sont une des solutions envisagées. Les technologies MWP se sont également étendues et couvrent une gamme très large d’applications incluant les communications mobiles 5G, les analyses biomédicales, les communications courtes-distances (datacom), le traitement de signal par voie optique et les interconnexions dans les véhicules et aéronefs. Beaucoup de ces applications requièrent de la rapidité, de la bande-passante et une grande dynamique à la fois, en même temps de demander des dispositifs compacts, légers et à faible consommation. Le cout d’implémentation est de plus un critère essentiel à leur déploiement, en particulier dans l’environnement domestique ainsi que dans d’autres applications variées des technologies MWP.Ce travail de thèse vise ainsi le développement de composants photonique-microondes (MPW) intégrés en technologie BiCMOS ou Bipolaire SiGe/Si, à très bas coût, incluant les phototransistors bipolaires à hétérojonctions (HPT) SiGe/Si, les Diodes Electro-Luminescentes (LED) Si et SiGe, ainsi que l’intégration combinées des composants optoélectroniques et microondes, pour l’ensemble des applications impliquant des courtes longueurs d’ondes (de 750nm à 950nm typiquement).Ces travaux se concentrent ainsi sur les points suivants :La meilleure compréhension de phototransistors SiGe/Si latéraux et verticaux conçus dans une technologie HBT SiGe 80GHz de Telefunken GmbH. Nous traçons des conclusions sur les performances optimales du phototransistor. Les effets de photodétection du substrat et de la dispersion spatiale des flux de porteurs sont analysés expérimentalement. Cette étude aide à développer des règles de dessin pour améliorer les performances fréquentielles du phototransistor HPT pour les applications visées.Dans l’objectif de développer de futures interconnexions intra- et inter- puces, nous concevons des lignes de transmissions faibles-pertes et des guides d’ondes optiques polymères sur Silicium faible résistivité. Il s’agit d’une étape afin d’envisager des plateformes Silicium dans lesquelles les HPT SiGe pourront potentiellement être intégrés de manière performante à très bas coût avec d’autres structures telles que des lasers à émission par la surface (VCSEL), afin de construire un transpondeur optique complet sur une interface Silicium. Le polymère est utilisé comme une interface diélectrique entre les lignes de transmission et le substrat, pour les interconnexions électriques, et pour définir le gain du guide d’onde optique dans les interconnexions optiques.La conception, la fabrication et la caractérisation du premier lien photonique-microonde sur puce Silicium sont menées en se basant sur la même technologie HBT SiGe 80GHz de Telefunken dans la gamme de longueur d’onde 0,65µm-0,85µm. Ce lien optique complétement intégré combine des LEDS Silicium en régime d’avalanche (Si Av LED), des guides d’ondes optiques Nitrure et Silice ainsi qu’un phototransistor SiGe. Un tel dispositif pourrait permettre d’accueillir à l’avenir des communications sur-puce, de systèmes micro-fluidiques et des applications d’analyse biochimiques / With the recent explosive growth of connected objects, for example in Home Area Networks, the wireless and optical communication technologies see more opportunity to merge with low cost MicroWave Photonic (MWP) technologies. Millimeter frequency band from 57GHz to 67GHz is used to accommodate the very high speed wireless data communication requirements. However, the coverage distance of these wireless systems is limited to few meters (10m). The propagation is then limiting to a single room mostly, due to both the high propagation attenuation of signals in this frequency range and to the wall absorption and reflections. Therefore, an infrastructure is needed to lead the signal to the distributed antennas configuration through MWP technology. Moreover, MWP technology has recently extended to address a considerable number of novel applications including 5G mobile communication, biomedical analysis, Datacom, optical signal processing and for interconnection in vehicles and airplanes. Many of these application areas also demand high speed, bandwidth and dynamic range at the same time they require devices that are small, light and low power consuming. Furthermore, implementation cost is a key consideration for the deployment of such MWP systems in home environment and various integrated MWP application.This PhD deals with very cheap, Bipolar or BiCMOS integrated SiGe/Si MWP devices such as SiGe HPTs, Si LEDs and SiGe LEDs, and focused on the combined integration of mm wave and optoelectronic devices for various applications involving short wavelength links (750nm to 950nm).This research focused on the study of the following points:The better understanding of vertical and lateral illuminated SiGe phototransistors designed in a 80 GHz Telefunken GmbH SiGe HBT technology. We draw conclusions on the optimal performances of the phototransistor. The light sensitive Si substrate and two-dimensional carrier flow effects on SiGe phototransistor performance are investigated. This study helps to derive design rules to improve frequency behavior of the HPT for the targeted applications.For future intra /inter chip hybrid interconnections, we design polymer based low loss microwave transmission lines and optical waveguides on low resistive silicon substrate. It is a step to envisage further Silicon based platforms where SiGe HPT could be integrated at ultra-low cost and high performances with other structures such high-speed VCSEL to build up a complete optical transceiver on a Silicon optical interposer. The polymer is used as dielectric interface between the line and the substrate for electrical interconnections and to design the core and cladding of the optical waveguide.The design, fabrication and characterization of the first on-chip microwave photonic links at mid infrared wavelength (0.65-0.85μm) based on 80 GHz Telefunken GmbH SiGe HBT technological processes. The full optical link combines Silicon Avalanche based Light Emitting Devices (Si Av LEDs), silicon nitride based waveguides and SiGe HPT. Such device could permit hosting microfluidic systems, on chip data communication and bio-chemical analysis applications

L’architecture actuelle des réseaux d’accès radio n’est pas adaptée en terme de capacité à supporter l’accroissement continu du trafic dans les systèmes cellulaires 4G et au-delà. L’objectif de cette thèse est de proposer une architecture réseau générique, GeRoFAN (Generic Radio over Fiber Access Network) pour la fédération des stations de base des systèmes cellulaires de nouvelle génération (WiMAX, 4G LTE). Deux innovations technologiques majeures sont utilisées pour l’implémentation de l’architecture GeRoFAN: la radio-sur-fibre (RoF) et les modulateurs réflexifs éléctro-absorbants. La thèse vise aussi à concevoir pour l’architecture GeRoFAN un plan contrôle et un canal de signalisation adapté permettant le basculement des ressources radio, selon la fluctuation du trafic, entre un grand nombre de cellules réparties à l’échelle métropolitaine. Cependant, il a été bien avéré que la transmission optique de plusieurs canaux radios en utilisant la RoF analogique est assujettie à des multiples facteurs de dégradation physique altérant la qualité du signal de ces canaux et induisant une perte dans leur capacité de Shannon. L’originalité du plan de contrôle de GeRoFAN est de réaliser une affectation optimisée des canaux radios sur les porteuses optiques, grace au multiplexage par sous-porteuse (SCM), afin d’ajuster la capacité de Shannon dans chaque cellule radio à la charge de trafic à laquelle elle est soumise. A cet effet, une connaissance fine des contraintes physiques de la transmission RoF est requise pour le plan de contrôle. Cette connaissance est acquise par l’élaboration d’un modèle analytique des divers bruits de transmission du système GeRoFAN. Contrairement à des propositions comparables, le plan contrôle de GeRoFAN se doit d’être le plus transparent que possible à la technologie des systèmes radio concernés. Sa nature " MAC radio agnostique " vise à permettre, grâce au multiplexage en longueur d’onde et au routage optique WDM, la fédération de plusieurs opérateurs utilisant différentes technologies radio sur la même infrastructure. Plus généralement, avec la mutualisation de l’architecture GeRoFAN, le plan de contrôle permet de virtualiser les ressources radiofréquences et de promouvoir de nouveaux modèles économiques pour les opérateurs Télécoms. Le dernier volet de la thèse se focalise sur la valeur "business" du paradigme GeRoFAN. Les contours du nouveau éco-system d’affaire promu par GeRoFAN sont définis. Les motivations/attentes des différentes parties prenantes dans cet éco-system sont esquissées, les contraintes réglementaires et organisationnelles soulevées sont adressées afin d’assurer un déploiement sans heurts de GeRoFAN. Bien qu’exigeant un nouveau modèle réglementaire, il s’agit de mettre en évidence l’intérêt économique de la solution GeRoFAN, tout particulièrement en comparaison à la RoF digitale, à travers des études technico-économiques chiffrant les couts d’investissement (CapEx), les couts opérationnels (OpEx) et les possibles retours sur investissement. A cet effet, deux modèles économiques sont proposés mettant en évidence la valeur ajoutée de GeRoFAN tout au long de la chaine de valeur. / Current radio access networks architectures are not suited in terms of capacity and backhauling capabilities to fit the continuing traffic increase of 4G cellular systems. The objective of the thesis is to propose an innovative and generic mobile backhauling network architecture, called GeRoFAN (Generic Radio-over-Fiber Access Network), for next generation mobile systems (WiMAX, 4G LTE). Two major technological innovations are used to implement GeRo-FAN: analog Radio-over-Fiber (RoF) and reflective amplified absorption modulators. The aim of this thesis is to design for such an architecture an original Control Plane (CP) and a signaling channel enabling to balance radio resources between a set of neighboring cells at the access/metropolitan scale according to traffic fluctuations. The transmission of several radio frequencies by means of an analog RoF link suffers from several impairments that may degrade the capacity of the radio system. The originality of the GeRoFAN-CP consists in mapping radio frequencies with optical carriers by means of Sub-Carrier Multiplexing (SCM) in order to optimize the Shannon’s capacity within the various cells covered by the system according to the current traffic load. For that purpose, a deep analysis and modeling of the various physical layer impairments impacting the quality of the radio signal is carried out. Unlike comparable approaches, the GeRoFAN-CP is as independent as possible from the radio layer protocols. Thus, the "radio MAC-agnostic" nature of the GeRoFAN-CP enables to federate multiple operators using different radio technologies onto the same backhauling optical infrastructure. Subcarrier and wavelength division multiplexing (SCM/WDM) as well as WDM optical routing capabilities are exploited onto the GeRoFAN transparent architecture. More globally, the GeRoFAN-CP enables a form of "radio frequency virtualization" while promoting new business models for Telecom service providers. The last part of the thesis focuses on the business value of the GeRoFAN paradigm. The expectations of the different stake-holders and main regulatory/organizational entities that could be involved in the deployment of GeRoFAN infrastructures should be addressed in order to achieve a smooth deployment of this new type of mobile backhauling. Economics of the GeRoFAN architecture are investigated in terms of OpEx/CapEx valuation and investment profitability, especially in reference to digitized RoF. Two business models are then proposed to study how GeRoFAN contributes to enriching the cellular backhauling service value chain.

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 génération de signaux microondes, millimétriques, voire THz par voie optique est actuellement une solution technique privilégiée pour la réalisation de systèmes de (télé)communications mobiles haut débit mais encore, les réseaux de distribution d'oscillateurs locaux et de signaux d'observation ou de radar intra- satellitaires, la distribution de signaux vidéo, la communication automobile, les systèmes de visualisation THz pour la sécurité, etc..... Nous reportons ici la réalisation et la caractérisation d'une source optique ultra-compacte en matériau semiconducteur permettant de générer deux modes optiques séparés de la fréquence que l'on désire créer au niveau de la photodétection. Cette source prend la forme d'un laser DFB bi-longueur d'onde émettant dans la gamme de longueurs d'onde autour de 1,55μm. Le composant a été fabriqué chez Alcatel- Thales III-VLab à partir d'une technologie propriétaire de laser DFB et dans le cade du projet Européen IPHOBAC. Différents objectifs avaient été fixés pour ce composant: accordabilité de l'écartement intermodal jusque 300 GHz, largeur de raie de l'ordre du MHz et divergence dans le plan horizontal et vertical de 10°. Le premier objectif a été atteint par la réalisation de deux lasers DFB dont l'écart de pas de réseau est différent de 0,3nm et par la variation des courants d'injection de chaque section. Le second a été globalement atteint par l'utilisation d'une structure active à puits quantiques, une nouvelle version du composant utilisant des boites quantiques devrait remplir complètement cet objectif. Le dernier objectif a été partiellement atteint par la conception et l'adjonction d'un adaptateur de mode en sortie de composant, la divergence obtenue est de 10°x17° (HxV). Dans le plan vertical, les 10° de divergence n'ont pas pu être obtenus principalement à cause de la structure du composant et des limitations que l'on s'était imposées sur la longueur totale de celui-ci.

Dans le but de fournir un service GNSS (Global Navigation Satellite System) de localisation continu et disponible partout, les systèmes utilisant des pseudolites et des répéteurs semblent être des solutions pertinentes pour la localisation en indoor. Le système à répélites, inspiré de ces deux méthodes (répéteurs et pseudolites), est aussi proposé pour résoudre cette problématique. Les répélites sont des transmetteurs locaux qui, installés en intérieur, formeront une constellation locale. Ils émettent tous un signal GNSS unique mais déphasé par un délai spécifique à chacun d'eux. Ces délais sont nécessaires pour distinguer les différents signaux reçus au niveau du récepteur. Les travaux de cette thèses sont réalisés dans le cadre du système à répélites et dans l'objectif d'améliorer son architecture et de réduire ses interférences inter-système. En effet, l'architecture du système (un peu encombrante) et les interférences éventuelles avec les signaux satellitaires reçus par un récepteur placé à l'extérieur font partie des inconvénients de ce système. On cherche donc à traiter ces deux difficultés de façon à minimiser leurs effets. Dans une première partie, on étudie les différents codes GNSS existants dans la littérature ainsi que les techniques de modulation employées. Ceci nous mène à proposer des codes ayant un niveau d'interférence équivalent à la référence GPS (obtenue entre deux codes GPS) pour les bandes L1 de GPS et G1 de Glonass. Dans une seconde étape, on développe la modulation IMBOC (Indoor Modified Binary Offset Carrier) pour générer de nouveaux codes caractérisés par des niveaux d'interférence réduits (comparés à la référence GPS). Parmi ces codes il y a deux catégories : ceux qui sont adaptés aux systèmes à répélites (émettant un code unique) et ceux qui sont adaptés aux systèmes pseudolites. Une étude théorique et des simulations des niveaux d'interférences pour les codes émis dans la bande GPS et Glonass sont réalisées pour déterminer les gains en termes de niveaux de bruit. Ce gain (par rapport à la référence GPS) en puissance d'interférence s'élève à 16 dB pour Glonass et 20 dB pour GPS. Pour valider les performances de ces codes, on génère les signaux IMBOC et on observe les interférences réelles qu'ils induisent sur un récepteur GPS recevant un signal satellitaire. Dans la deuxième partie, on utilise la fibre optique pour transmettre le signal du générateur jusqu'aux répélites et pour créer les délais initiaux par propagation du signal dans des bobines de fibre. Ainsi on remplace les câbles coaxiaux et les montages électroniques (de déphasage) par des bobines de fibres plus légères, facile à installer et à faible perte de puissance. Il reste cependant à évaluer avec une précision centimétrique les délais réels induits sur chaque signal dans le but de garantir une précision de localisation inférieure au mètre. Cette précision semble en effet représenter un bon compromis entre complexité globale du système de localisation et réponse à un ensemble suffisant de besoins des utilisateurs potentiels. On développe alors une technique d'estimation des délais basée sur la mesure de déphasage (entre deux signaux sinusoïdaux) et une analyse statistique des séries de mesures. Pour finir, on présente quelques résultats de localisation obtenus avec notre système à répélites déployé dans un environnement indoor typique

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. / This dissertation is related to the search for an economically sustainable solutionfor high data rate (several Gbps to several tens of Gbps) personal area networksoperating in the millimeter-wave region around 60 GHz. If such networks supplya large number of users, they need to encompass a multitude of antenna pointsin order to assure wireless access to the network. With the aim of reducing thecost of an antenna module, the networks should at best provide quasi "readyto-radiate" signals to the modules, i.e. at millimeter-wave carrier frequencies.Thanks to their low transmission loss and their high bandwidth, optical fiber distributionarchitectures represent a promising solution. The technique is referredto as the so-called "radio-over-fiber" approach whereby the analog radio signalwill be transported to the access point by an optical wave. The challenge herebyis the generation and modulation of an optical signal by a millimeter-wave radiosignal using preferably cost-efficient system components. The technique proposedherein is based on the use of mode-locked laser diodes which can generatesignals at very high frequencies under the condition of continuous current supply.Mode-locked laser diodes can be modulated both directly and externally. Thediodes employed in this work are based on so-called quantum dots (or quantumdashes); these are material structures which are themselves still subject to intensivephysical research. Signals at millimeter-wave frequencies (around 60 GHz)can easily be generated by such lasers. However, their frequency and phase stabilityis as yet limited. In the context of radio-over-fiber communication systems,these structures have not yet been studied in detail.In the course of this dissertation, several aspects are considered. A first systemstudy treats the basic properties of a system built from this type of laser source(available signal power, system noise figure, linearity etc.). A second study isdevoted to an investigation of propagation effects like dispersion, which considerablyinfluence the attainable transmission distances. An essential result of bothstudies is the importance of limiting the laser spectrum to a small number of lasermodes for an optimization of link gain, generated RF power, and system noisefigure. A third study deals with the limited frequency and phase stability whichturn out to be critical factors for transmission quality. The study of several generationsof quantum dot/dash lasers has revealed that the problems of frequencyand phase noise persist and cannot be solved using classical techniques involvinge.g. conventional phase-locked loops. In this dissertation, a solution is presentedwhich not only allows a more precise adjustment of the laser frequency (precisionin the order of Hz to kHz) than that given by the manufacturing process of thelaser (precision in the order of GHz), but also enables a stabilization of frequencyand phase. / Die vorliegende Dissertation steht im Zusammenhang mit der Suche nach wirtschaftlichtragfähigen Lösungen zum Aufbau hochdatenratiger Heimnetzwerke(einige Gbps bis einige zehn Gbps), so genannter Personal area-Netzwerke imMillimeterwellenbereich um 60 GHz. Sollen diese Netze eine große Anzahl vonNutzern versorgen, wird eine Vielzahl von Zugangspunkten - also Antennenmodulen- benötigt, um den drahtlosen Netzanschluss zu ermöglichen. Um dieKosten eines Antennenmoduls soweit wie möglich zu senken, sollen die Netzequasi "abstrahlfertige" Signale an die Module liefern, d. h. auf Trägerfrequenzenim Millimeterwellenbereich. Glasfaserbasierte Verteilsysteme werden dankihrer geringen Leitungsverluste und ihrer hohen Bandbreite diesem Anspruchgerecht. Man spricht hier vom so genannten Radio-over-fiber-Ansatz, wobei dasanaloge Signal von einer optischen Welle zum Zugangspunkt transportiert wird.Die Herausforderung liegt hierbei in der Generierung und Modulation eines optischenSignals mit einem Nutzsignal imMillimeterwellenbereich - und das unterVerwendung möglichst kostengünstiger Komponenten. Die hier vorgeschlageneTechnik basiert auf der Nutzung von modengekoppelten Laserdioden, welcheallein bei Gleichstromversorgung Signale bei hohen Frequenzen erzeugen undsowohl direkt als auch extern moduliert werden können. Die Dioden, welche hierzur Verwendung kommen, basieren auf so genannten Quantenpunkten (englisch:quantum dot/quantum dash); es sind Strukturen, die selbst noch Gegenstand intensiverphysikalischer Forschung sind. Signale bei Frequenzen um 60 GHz könnenleicht von diesen Lasern erzeugt werden, wenn auch bisher nur bei begrenzterFrequenz- und Phasenstabilität. Im Kontext von Radio-over-fiber-Systemenwurden diese Strukturen noch nicht untersucht.Im Rahmen dieser Dissertation wurden mehrere Aspekte betrachtet. Eine ersteSystemstudie behandelt die grundlegendenEigenschaften eines Systems, welchesauf dieser Art von Lasern basiert (verfügbare Leistung, Rauschzahl, Linearitätusw.). Eine zweite Untersuchung ist der Erforschung von Ausbreitungseffektenwie etwa Dispersion gewidmet, welche die erreichbaren Entfernungen maßgeblichbeeinflusst. Ein wesentliches Ergebnis beider Studien ist die Relevanzeiner Begrenzung des Laserspektrums auf wenige Moden zur Optimierung vonGewinn, Hochfrequenz-Leistung und Rauschzahl. Eine dritte Studie untersuchtdie Frequenz-und die Phasenstabilität, welche sich als kritisch für die Übertragungsqualitäterweisen. Die Untersuchung von mehreren Generationen von modengekoppeltenQuantenpunktlasern hat ergeben, dass das Problem des FrequenzundPhasenrauschens fortbesteht und nicht auf konventionellem Weg wie z.B.durch die Verwendung von klassischen Phasenregelkreisen gelöst werden kann.Im Rahmen der Arbeit wurde eine Lösung für dieses Problem gefunden, welcheerstens eine bessere Feineinstellung der Frequenz erlaubt (Genauigkeit von Hzbis kHz), als sie durch den Laserfertigungsprozess gegeben ist (Genauigkeit vonGHz), und zweitens eine Stabilisierung von Frequenz und Phase ermöglicht.

La conversion de fréquence est une fonction clef présente dans divers contextes, particulièrement dans les systèmes mixtes photoniques-hyperfréquences. Aujourd’hui, la suprématie des réseaux optiques pour le transport de données à haut débit sur de grandes distances incite à l’intégration de telles fonctions dans le domaine optique afin de bénéficier des faibles pertes, larges bandes passantes, faibles poids et tailles propres aux technologies optiques. Dans ce travail, nous étudions un mélangeur tout-optique utilisant un composant SOA-MZI (Semiconductor Optical Amplifier Mach-Zehnder Interferometer) et une technique d’échantillonnage permettant la conversion vers les hautes et les basses fréquences. Le principe du mélange exploite les caractéristiques spectrales d’un signal échantillonné pour lequel des répliques du signal d’origine existent à différentes autres fréquences. Utiliser une telle technique pour la conversion de fréquences offre deux avantages : la conversion vers les hautes et les basses fréquences utilise la même configuration du mélangeur et la fréquence de l’oscillateur local peut être inférieure à la gamme des fréquences visées.L’implémentation d’une telle technique d’échantillonnage nécessite un interrupteur optique contrôlé optiquement.Comme cela est montré dans ce travail, un SOA-MZI peut jouer ce rôle. Selon la phase relative entre ses bras, un interféromètre Mach-Zehnder (MZI) peut transmettre ou non un signal optique d’entrée. En plaçant un SOA dans chaque bras de la structure MZI, la modulation croisée de la phase qui existe au sein d’un SOA est mise à profit pour contrôler l’état de l’interféromètre. Contrôlé par une source impulsionnelle optique, cet interrupteur optique permet d’échantillonner un signal optique porteur de données à modulation complexe. La conversion de fréquence de signaux mono et multi-porteuses dans le domaine 0,5-39,5 GHz a été obtenue avec succès. Par utilisation d’une configuration différentielle du SOA-MZI, des conversions vers les hautes et les basses fréquences jusqu’à un débit de 1 Gb/s ont pu être réalisées. / Frequency mixing is a key function existing in different systems, especially in mixed photonic-microwave ones. Today, the supremacy of optical networks to carry high bitrate data over large distances motivates the optical implementation of such functions to benefit from the low loss, high bandwidth, low size and weight of optical technologies. In this work, we study a photonic mixer based on a SOA-MZI (Semiconductor Optical Amplifier Mach-Zehnder Interferometer) device and a sampling technique allowing both conversion towards high and low frequencies.The involved mixing principle exploits the spectral characteristics of a sampled signal in which replicas of the original spectrum exist at different other frequencies. Basing the frequency conversion on a sampling technique gives two advantages: the photonic mixer configuration is the same for up and down conversions, and the frequency of the local oscillator can be less than the addressed frequency range.The implementation of such a sampling technique needs an optically-controlled high-frequency optical switch. As shown in this work, a SOA-MZI can play this role. Depending on the relative phase between its arms, an interferometric structure (MZI) can transmit or cancel an optical input signal. By locating one SOA in each arm of the MZI structure, the cross-phase modulation that exists inside an SOA is exploited to optically control the optical switch state of the MZI.Controlled by an optical pulse source, this optical switch is able to sample an optical input signal carrying complexmodulated data. Frequency conversions of mono and multi-carrier signals in the range 0.5-39.5 GHz have been successfully achieved. By using a differential configuration of the SOA-MZI, both up and down conversions at bitrates up to 1 Gb/s are reached.

Dans le but de fournir un service GNSS (Global Navigation Satellite System) de localisation continu et disponible partout, les systèmes utilisant des pseudolites et des répéteurs semblent être des solutions pertinentes pour la localisation en indoor. Le système à répélites, inspiré de ces deux méthodes (répéteurs et pseudolites), est aussi proposé pour résoudre cette problématique. Les répélites sont des transmetteurs locaux qui, installés en intérieur, formeront une constellation locale. Ils émettent tous un signal GNSS unique mais déphasé par un délai spécifique à chacun d’eux. Ces délais sont nécessaires pour distinguer les différents signaux reçus au niveau du récepteur. Les travaux de cette thèses sont réalisés dans le cadre du système à répélites et dans l’objectif d’améliorer son architecture et de réduire ses interférences inter-système. En effet, l’architecture du système (un peu encombrante) et les interférences éventuelles avec les signaux satellitaires reçus par un récepteur placé à l’extérieur font partie des inconvénients de ce système. On cherche donc à traiter ces deux difficultés de façon à minimiser leurs effets. Dans une première partie, on étudie les différents codes GNSS existants dans la littérature ainsi que les techniques de modulation employées. Ceci nous mène à proposer des codes ayant un niveau d’interférence équivalent à la référence GPS (obtenue entre deux codes GPS) pour les bandes L1 de GPS et G1 de Glonass. Dans une seconde étape, on développe la modulation IMBOC (Indoor Modified Binary Offset Carrier) pour générer de nouveaux codes caractérisés par des niveaux d’interférence réduits (comparés à la référence GPS). Parmi ces codes il y a deux catégories : ceux qui sont adaptés aux systèmes à répélites (émettant un code unique) et ceux qui sont adaptés aux systèmes pseudolites. Une étude théorique et des simulations des niveaux d’interférences pour les codes émis dans la bande GPS et Glonass sont réalisées pour déterminer les gains en termes de niveaux de bruit. Ce gain (par rapport à la référence GPS) en puissance d’interférence s’élève à 16 dB pour Glonass et 20 dB pour GPS. Pour valider les performances de ces codes, on génère les signaux IMBOC et on observe les interférences réelles qu’ils induisent sur un récepteur GPS recevant un signal satellitaire. Dans la deuxième partie, on utilise la fibre optique pour transmettre le signal du générateur jusqu’aux répélites et pour créer les délais initiaux par propagation du signal dans des bobines de fibre. Ainsi on remplace les câbles coaxiaux et les montages électroniques (de déphasage) par des bobines de fibres plus légères, facile à installer et à faible perte de puissance. Il reste cependant à évaluer avec une précision centimétrique les délais réels induits sur chaque signal dans le but de garantir une précision de localisation inférieure au mètre. Cette précision semble en effet représenter un bon compromis entre complexité globale du système de localisation et réponse à un ensemble suffisant de besoins des utilisateurs potentiels. On développe alors une technique d’estimation des délais basée sur la mesure de déphasage (entre deux signaux sinusoïdaux) et une analyse statistique des séries de mesures. Pour finir, on présente quelques résultats de localisation obtenus avec notre système à répélites déployé dans un environnement indoor typique / In order to make the GNSS positioning service continuous and available when going from an outdoor to an indoor environment, pseudolite and repeater based systems have been developed. A new system called repealite is a combination of both pseudolites and repeaters. It is based on transmitting a single signal through a set of transmitters (thus creating the local constellation). In order to avoid interference between the repealite signals and to distinguish between them at the receiver’s end, each signal is shifted with a specific delay. The research carried out in this PhD aims at optimizing two aspects of the repealite based system. Firstly, we need to mitigate the effect of the interference caused on the satellite signals received outdoors. So we decided to design new codes characterized by low interference levels with outdoor signals. Secondly, we worked on the infrastructure part in order to simplify it and to make it easier to install: this is mainly achieved through the use of optical fibers. In the first part, we study the codes and the modulation techniques currently used in the GNSS systems. Then, we propose a few codes having an interference level equivalent to that of the GPS (obtained when computing two GPS codes). These new codes are compatible with the GPS L1 or the Glonass G1 bands. In a second step, we focus on the modulation techniques and create the so-called IMBOC (Indoor Modified Binary Offset Carrier) that aims at minimizing the interference levels with outdoor signals. With this modulation, we propose new IMBOC codes capable of much lower interference levels than the GPS reference. In order to evaluate the performance of the proposed codes, we carried out a theoretical study, simulations and experimental tests. The interference gain reached about 20 dB on the GPS band and 16 dB on the Glonass one. The proposed codes are divided into two categories: those reserved to the repealite system (using a single code) and families of codes suited to pseudolite–based systems. Finally, we generated the IMBOC signals modulated by the new codes and tested the real interference induced on an outdoor receiver tracking the satellite signals. In the second part, we use optical fibers in order to replace the coaxial cables used to transmit signals from the GNSS-like signal generator to the repealites. In addition, the initial delay needed for each repealite is added by propagating the signals through rolls of fibers. Indeed, optical fiber offers advantages such as lightness, flexibility and low power loss that make it suitable to simplify the infrastructure of the system. In order to evaluate the real delays of these various fibers, we develop an estimating method based on phase shift measurements (between two sinusoidal signals) and statistical analysis of the series of measurements. This method should have uncertainties lower than one centimeter in order to insure a sub-meter precision (in absolute positioning with the repealite positioning system). In order to validate this method, we compare it to a GNSS based calibration approach. Finally, we carry out a few positioning tests with the repealite positioning system deployed in a typical indoor environment. These tests deal with absolute and relative positioning and give an idea about the system’s performance