Contribution à l'étude des systèmes de transmission optique utilisant le format de modulation QPSK

La demande constante de capacité et la saturation prévue de la fibre monomode ont conduit récemment à des avances technologiques qui ont complètement changé le paysage des télécommunications à fibre optique. Le progrès le plus important était la mise en œuvre d'une détection cohérente à l'aide d'électronique rapide. Cela a permis pas seulement l'utilisation de formats de modulation qui promettent une utilisation plus efficace de la bande passante, mais aussi l utilisation des algorithmes adaptés pour combattre la dégradation du signal optique due à la propagation. Cette thèse a commencé un peu après le début de cette ère du cohérent et son principal objectif était de revoir les effets physiques de la propagation dans des systèmes de transmission terrestres, utilisant le format de modulation QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). Le manuscrit est divisé en deux parties. La première partie est consacrée à une étude sur les séquences des données qui doivent être utilisés dans les simulations numériques, lorsqu un format de modulation avancée est impliqué. La propagation, et en particulier l'interaction entre la dispersion chromatique et les non-linéarités, introduisent une interférence inter-symbole (ISI). Vu que cet ISI dépend de l enchainement des données transmises, il est évident que le choix de la séquence a une influence sur la qualité estimée du canal. Etant donné que des séquences aléatoires infinies ne sont pas pratiquement réalisables, nous utilisons souvent des séquences pseudo-aléatoires (PR), i.e. des séquences déterministes de longueur finie, avec des statistiques équilibrés, qui semblent être aléatoires. Dans la première partie, nous décrivons la méthode de génération de séquences PR avec M. niveaux (M> 2) et nous détaillons leurs propriétés. En outre, nous proposons des outils numériques pour caractériser les séquences non pseudo-aléatoires qu on utilise souvent dans des simulations, ou parfois aussi dans des expériences au laboratoire. Enfin, nous présentons les résultats de simulations qui permettent de quantifier la nécessité d'utiliser des séquences PR en fonction des paramètres du système. Après avoir établi les séquences finies "les plus adaptées", dans la seconde partie du manuscrit, nous nous concentrons sur l'étude de la propagation, dans le contexte d'un système de transmission QPSK et en supposant une gestion de dispersion et un type de fibre variables. Plus précisément, nous étudions numériquement les statistiques de signaux dégradés dus à l'interaction de la dispersion chromatique avec les effets non linéaires, en négligeant tout effet de polarisation ou inter-canaux, aussi que le bruit des amplificateurs. Dans ce contexte, nous étions intéressés à déterminer si certaines lois empiriques développées pour les systèmes OOK, sont valable dans le cas d'une modulation QPSK, tels que le critère de la phase non-linéaire cumulée ( NL) ou des lois qui permettent une optimisation de la gestion de dispersion. Ensuite, nous révélons l'importance de la rotation de la constellation du signal initial, comme un paramètre qui peut fournir des informations pour la post-optimisation de notre système. Nous discutons également autour du fait que la forme de la constellation dépend de la gestion de dispersion et concernant les constellations nous concluons qu'il y en a généralement 3 types, avec: (1) une variance de phase supérieure à la variance d'amplitude (2) une variance d'amplitude supérieure à la variance de phase et (3) avec le signal ayant une constellation qui ressemble à la constellation d un signal sous l'influence d'un bruit blanc gaussien additif. Enfin, nous fournissons une explication phénoménologique des formes des constellations révélant le fait que des sous-séquences différentes conduisent à un type différent de dégradation et nous utilisons ces informations pour définir un paramètre qui quantifie le bénéfice potentiel d'un algorithme de correction du type MAP(Maximum A Posteriori Probability)The constant demand for capacity increase, together with the foreseen saturation of the single-mode optical fiber, paved the way to technological breakthroughs that have completely changed the landscape of fiber-optic telecommunications. The most important advance was, undeniably, the practical implementation of a coherent detection with the help of high-speed electronics. This has, first, enabled the use of advanced modulation formats that allowed for a more efficient use of the fiber bandwidth, compared to the classical On-Off Keying, while adapted algorithms could not be used in order to mitigate the optical signal degradation. This thesis began a little after the advent of coherent detection and its main objective was to revisit the propagation effects in optical transmission systems using "Quadrature phase shift keying" (QPSK) modulation in the context of terrestrial systems, i.e. for transmission distances of up to about 2000 km. The manuscript is divided into two parts. The first part is dedicated to a study on the data sequences that need to be used in numerical simulations, when advanced modulation is involved. Fiber propagation, and in particular the interplay between chromatic dispersion and nonlinearities, usually introduce a nonlinear inter-symbol interference (ISI) to the transmitted signal. Since this ISI depends on the actual transmitted data pattern, it is obvious that the choice of the sequence used in our numerical simulations will have a direct influence on the estimated channel quality. Since, an infinite length, random sequence is impractical; we very commonly use pseudorandom" (PR) sequences, i.e. finite-length, deterministic sequences with balanced pattern statistics that seem to be random. In the first part we describe the method of generating M-level (with M>2) pseudorandom sequences and we detail their properties. In addition, we propose numerical tools to characterize the non-pseudorandom sequences that we use in numerical simulations, or we are sometimes forced to use in laboratory experiments. Finally, we present results of numerical simulations that quantify the necessity to use PR sequences as a function of our system parameters. After having established the fairest possible finite sequences, in the second part of the manuscript, we focus on the study of the nonlinear propagation, in the context of a transmission system using QPSK modulation and assuming a variable dispersion management and fiber type. Specifically, we numerically study the signal statistics due to the interplay of chromatic dispersion and nonlinear effects, neglecting all polarization or multi-wavelength effects and the amplifier noise. In this context, we were first interested in determining whether some empirical laws developed for OOK systems, can be also used in the case of QPSK modulation, such as the criterion of cumulative nonlinear phase ( NL) or laws that allow for a quick optimization of the dispersion management. Next we reveal the importance of a global phase rotation added to the initial signal constellation, as a parameter that can provide interesting information for the post-optimization of our system. We also discuss the fact that the constellation shape critically depends on the applied dispersion management, while there are generally 3 types of constellations, concerning the complex signal statistics: (1) the phase variance is higher than the amplitude variance (2) the amplitude variance is higher than the phase variance and (3) the received signal constellation resembles to a constellation of a signal under the influence of just an Additive White Gaussian Noise. Finally, we provide a phenomenological explanation of the constellations shapes revealing the fact that different data sub-sequences suffer from a different kind of signal degradation, while we also use this information to define a parameter that quantifies the potential benefit from a MAP (Maximum A Posteriori probability) correction algorithmEVRY-INT (912282302) / SudocSudocFranceF

Reconnaissance des objets manufacturés dans des vidéos sous-marines

Les mines sous marines sont très utilisées dans les conflits. Pour contrer cette menace, les marines s'équipent de moyens de lutte anti-mine autonomes afin d'éviter l'intervention humaine. Une mission de guerre des mines se découpe en quatre étapes distinctes : la détection des objets, la classification et l'identification puis la neutralisation. Cette thèse propose des solutions algorithmiques pour l'étape d'identification par caméra vidéo. Le drone d'identification connaît la position approximative de l'objet à identifier. La première mission de ce drone est de re-détecter l'objet avant de le classifier et de l'identifier. Le milieu sous-marin perturbe les images acquises par la caméra (absorption, diffusion). Pour faciliter la détection et la reconnaissance (classification et identification), nous avons prétraité les images. Nous avons proposé deux méthodes de détection des objets. Tout d'abord nous modifions le spectre de l'image afin d'obtenir une image dans laquelle il est possible de détecter les contours des objets. Une seconde méthode a été développée à partir de la soustraction du fond, appris en début de séquence vidéo. Les résultats obtenus avec cette seconde méthode ont été comparés à une méthode existante. Lorsqu'il y a une détection, nous cherchons à reconnaître l'objet. Pour cela, nous utilisons la corrélation. Les images de référence ont été obtenues à partir d'images de synthèse 3D des mines. Pour les différentes méthodes utilisées, nous avons optimisés les résultats en utilisant les informations de navigation. En effet, selon les déplacements du drone, nous pouvons fixer des contraintes qui vont améliorer la détection et réduire le temps de calcul nécessaire à l'identification.To avoid the underwater mine threat and to limit human interventions, navies use autonomous underwater vehicles. An underwater mine warfare mission is divided into four steps : object detection, classification, identification and neutralization. This PhD thesis proposes algorithmic solutions for the identification step done with a video camera. Thanks to the detection step, the identification vehicle knows approximately the object position. First, the vehicle has to detect and position this object exactly. Then it will be classified and identified. The underwater medium affects the images acquired with a video camera through absorption and scattering. The first step of our algorithm is to preprocess the images to help the detection and recognition (classification and identification) steps.We have proposed two detection methods. The first one consists in modifying image spectrum in order to obtain an image in which we will be able to detect edges of objects. The second method, based on region segmentation, has been developed from background subtraction methods. The background image has been learned at the beginning of the video when there is no object. The results of the latter have been compared to those obtained with a state-of-art method, on data acquired at sea. Once we have detected an object, we want to recognize it. For that, we use the correlation technique. The reference images have been obtained from 3D computer generated images of mines. This novel approach gives promising results. For each developed method, we have optimized the results through the use of navigational information. Indeed, depending on vehicle's motion, we can set constraints to improve the detection step and reduce processing time.BREST-SCD-Bib. electronique (290199901) / SudocSudocFranceF

Towards all-numerical implementation of correlation

International audienceInterestingly, the past 20 years have provided us many examples of optical correlation methods for pattern recognition, e.g. VanderLugt correlator (VLC). In recent years, hybrid techniques, i.e. numerical implementation of correlation, have been also considered an alternative to all-optical methods because they show a good compromise between performance and simplicity. Moreover, these correlation methods can be implemented using an all-numerical and reprogrammable target such as the graphics processor unit (GPU), or the field-programmable gate array (FPGA). However, this numerical procedure requires realizing two Fourier Transforms (FT), a spectral multiplication, and a correlation plane analysis. The purpose of this study is to compare the performances of a numerical correlator based on the fast Fourier transform (FFT) with that relying on a simulation of the Fraunhofer diffraction. Different tests using the Pointing Head Pose Image Database (PHPID) and considering faces with vertical and horizontal rotations were performed with the code MATLAB. Tests were conducted with a five reference optimized composite filter. The receiving operating characteristics (ROC) curves show that the optical FT simulating the Fraunhofer diffraction leads to better performances than the FFT. The implications of our results for correlation are discussed

Fast-recovery of the amplitude and phase of short optical pulses using a frequency-swept source based heterodyne measurement

We propose a very fast heterodyne technique to recover the amplitude and phase of short optical pulses generated, e.g., by a mode-locked laser. A linearly swept frequency source is used to scan the entire optical spectrum of the mode-locked laser in a single continuous sweep. The beat signal is recorded on a fast oscilloscope and then digitally processed allowing the simultaneous recovery of the amplitude and the phase. This measurement is fast (less than 2 μs) and requires no prior spectral information about the signal under test

Amplificateurs optiques à stabilisation de gain rapide (étude et proposition de configurations WDM hybrides EDFA-SOA)

PARIS-BIUSJ-Mathématiques rech (751052111) / SudocEVRY-INT (912282302) / SudocSudocFranceF

Microstructuration par échange protonique sur niobate de lithium (application à la réalisation de fonctions de filtrage)

Ce travail est consacré à l'étude et la réalisation des guides optiques distribués par un échange protonique partiel (PPE, Partiel Proton Exchange) localisé dans un guide de titane (Ti) diffusé dans un substrat de niobate de lithium (PPE-Ti:LiNbO3), permettant ainsi l inscription à travers un masque de structures périodiques et apériodiques, appelées souvent structures de Bragg . Le niobate de lithium est choisi comme substrat de base en raison de ses multiples propriétés attractives pour la réalisation de filtres optiques accordables électro-optiquement et offrent ainsi l opportunité de contribuer au déploiement d architectures optiques dynamiques. La simplicité et la maitrise du processus d échange protonique permet d une part de reproduire n importe quel motif à travers un masque et de contrôler les paramètres caractéristiques de la fonction de transmission, d autre part. Nous proposons une approche analytique originale basée sur les méthodes des rayons et de l indice effectif permettant de calculer les constantes de propagation du guide. Elle sera utilisée pour calculer l indice effectif de n importe quel profil d indice de réfraction, en particulier, pour le cas du guide distribué PPE-Ti:LiNbO3. Deux méthodes de calcul numériques sont proposées. La première considère que l indice effectif est constant suivant la direction de propagation dans chacune des zones de la micro-structuration, alors que la deuxième, plus conforme à la réalité, tient compte du fait que l'indice effectif varie également suivant cette direction. L effet du recouvrement entre les zones voisines de la structure, ayant subi le processus d échange protonique, est pris en considération pour le calcul sa fonction de transmission. Nous montrons que la technique d échange protonique permet de contrôler, par exemple, la bande passante de la fonction de filtrage et ce par le biais des paramètres caractéristiques du processus d échange. Dans le cadre des réalisations expérimentales, nous montrons qu une correction du rapport cyclique de la micro-structure, définissant le masque photolithographique, est obligatoire pour ne pas perdre son effet le par recouvrement des zones échangées. Des simulations et des tests expérimentaux ont permis de montrer la faisabilité d une telle implémentation pour des structures dédiées à un fonctionnement autour de ? = 1,55 m. Les approches qui ont été développées ont permis notamment d établir les limites de cette technologieThis work is dedicated to the study and the realization of distributed partially proton-exchanged Ti:LiNbO3 waveguides. The implemented technology allows the inscription of periodic and aperiodic structures, through a mask reproducing any pattern. The application is dedicated to the realization of tunable wavelength filters. Is is then possible to control the transmission function parameters and furthermore, allows the realization of structures presenting a predefined transfer function. The proposed analytical approach allows calculating the propagation constants for an optical waveguide, presenting any refractive index profile. Two methods are presented. In the first one, we consider that the effective index is constant according to the propagation direction in each of the microstructuration zones, while in the second one, which is more realistic, we take into account the fact that the effective index in each of the exchanged zones varies according to this direction. The approaches which were developed allowed notably establishing the limits of this technologyPARIS-EST-Université (770839901) / SudocSudocFranceF

Contribution à l'étude des transmissions optiques sous-marines multiplexées en longueur d'onde à 40Gbit/s par l'étude de la gestion de dispersion et du format

PARIS-EST Marne-la-Vallee-BU (774682101) / SudocSudocFranceF

Double filtrering function using two combined bragg gratting

International audienc