Wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers for advanced modulation formats

Les convertisseurs de longueur d’onde sont essentiels pour la réalisation de réseaux de communications optiques à routage en longueur d’onde. Dans la littérature, les convertisseurs de longueur d’onde basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur constituent une solution extrêmement intéressante, et ce, en raison de leurs nombreuses caractéristiques nécessaires à l’implémentation de tels réseaux de communications. Avec l’émergence des systèmes commerciaux de détection cohérente, ainsi qu’avec les récentes avancées dans le domaine du traitement de signal numérique, il est impératif d’évaluer la performance des convertisseurs de longueur d’onde, et ce, dans le contexte des formats de modulation avancés. Les objectifs de cette thèse sont : 1) d’étudier la faisabilité des convertisseurs de longueur d’onde basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur pour les formats de modulation avancés et 2) de proposer une technique basée sur le traitement de signal numérique afin d’améliorer leur performance. En premier lieu, une étude expérimentale de la conversion de longueur d’onde de formats de modulation d’amplitude en quadrature (quadrature amplitude modulation - QAM) est réalisée. En particulier, la conversion de longueur d’onde de signaux 16-QAM à 16 Gbaud et 64-QAM à 5 Gbaud dans un amplificateur optique à semi-conducteur commercial est réalisée sur toute la bande C. Les résultats démontrent qu’en raison des distorsions non-linéaires induites sur le signal converti, le point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde est différent de celui obtenu lors de la conversion de longueur d’onde de formats de modulation en intensité. En effet, dans le contexte des formats de modulation avancés, c’est le compromis entre la puissance du signal converti et les non-linéarités induites qui détermine le point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde. Les récepteurs cohérents permettent l’utilisation de techniques de traitement de signal numérique afin de compenser la détérioration du signal transmis suite à sa détection. Afin de mettre à profit les nouvelles possibilités offertes par le traitement de signal numérique, une technique numérique de post-compensation des distorsions induites sur le signal converti, basée sur une analyse petit-signal des équations gouvernant la dynamique du gain à l’intérieur des amplificateurs optiques à semi-conducteur, est développée. L’efficacité de cette technique est démontrée à l’aide de simulations numériques et de mesures expérimentales de conversion de longueur d’onde de signaux 16-QAM à 10 Gbaud et 64-QAM à 5 Gbaud. Cette méthode permet d’améliorer de façon significative les performances du convertisseur de longueur d’onde, et ce, principalement pour les formats de modulation avancés d’ordre supérieur tel que 64-QAM. Finalement, une étude expérimentale exhaustive de la technique de post-compensation des distorsions induites sur le signal converti est effectuée pour des signaux 64-QAM. Les résultats démontrent que, même en présence d’un signal à bruité à l’entrée du convertisseur de longueur d’onde, la technique proposée améliore toujours la qualité du signal reçu. De plus, une étude du point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde est effectuée et démontre que celui-ci varie en fonction des pertes optiques suivant la conversion de longueur d’onde. Dans un réseau de communication optique à routage en longueur d’onde, le signal est susceptible de passer par plusieurs étages de conversion de longueur d’onde. Pour cette raison, l’efficacité de la technique de post-compensation est démontrée, et ce pour la première fois dans la littérature, pour deux étages successifs de conversion de longueur d’onde de signaux 64-QAM à 5 Gbaud. Les résultats de cette thèse montrent que les convertisseurs de longueur d’ondes basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur, utilisés en conjonction avec des techniques de traitement de signal numérique, constituent une technologie extrêmement prometteuse pour les réseaux de communications optiques modernes à routage en longueur d’onde.

Évolution naturelle des savanes mises en défens à Ibi-village, sur le plateau des Bateke, en République Démocratique du Congo

En République Démocratique du Congo (RDC), les savanes couvrent 76,8 millions d’hectares et constituent le second type d’écosystème après les forêts denses qui représentent 10% des forêts au niveau mondial. Ces formations herbeuses et arbustives offrent des potentialités importantes de séquestration du dioxyde de carbone pouvant contribuer par le fait même à la lutte contre le réchauffement climatique. C’est dans cette optique que se situe cette thèse intitulée « Évolution naturelle de savanes mises en défens à Ibi-village sur le plateau des Bateke en République Démocratique du Congo» dans le cadre du projet puits carbone d’IBI-Bateke. L’objectif général de notre recherche est d’étudier l’évolution naturelle en absence de feu de savanes situées dans des zones climatiques avec précipitations abondantes. Le plateau des Bateke nous a servi d’analyse de cas. Les inventaires floristiques et dendrométriques de la strate arbustive et arborescente de nos dispositifs hiérarchiques, ont permis de suivre ce processus naturel en tenant compte du gradient écologique dans les trois types de formations végétales (îlot forestier, la galerie forestière et la plantation d’Acacia auriculiformis). Nous avons mis en défens des savanes arbustives du plateau des Bateke pour étudier leur évolution naturelle vers une forêt, leur établissement, qualité, régénération forestière et en déterminer le taux de séquestration du carbone à l’aide des équations allométriques de Chave et al. (2005). Nous avons obtenu des valeurs moyennes de 107,477 t/ha de biomasse totale soit 51,05 Mg C/ha dans la galerie forestière, 103,772 t/ha de biomasse totale soit 49,29 Mg C/ha dans l’Îlot forestier, et 22,336 t/ha de biomasse totale soit 10,60 Mg C/ha dans la plantation. La mise en défens a stimulé l’installation des espèces forestières, et par le fait même accéléré la production de biomasse et donc la fixation de carbone. La comparaison de la richesse et la diversité spécifiques de l’Îlot et la galerie montre 22 familles botaniques inventoriées avec 55 espèces dans l’îlot forestier contre 27 familles dont 58 espèces dans la galerie. L’analyse canonique réalisée entre les variables de croissance et les variables environnementales révèle qu’il existe effectivement des relations fortes d’interdépendance entre les deux groupes de variables considérées. Cette méthodologie appropriée à la présente étude n’avait jamais été évoquée ni proposée par des études antérieures effectuées par d’autres chercheurs au plateau des Bateke. Mots Clés : Galerie forestière, Îlot forestier, mise en défens, plantation d’Acacia auriculiformis, reforestation, régénération naturelle, République Démocratique du Congo, savanes.

Modélisation d'éléments finis pour les interactions fluide-structure

Cette thèse concerne la modélisation des interactions fluide-structure et les méthodes numériques qui s’y rattachent. De ce fait, la thèse est divisée en deux parties. La première partie concerne l’étude des interactions fluide-structure par la méthode des domaines fictifs. Dans cette contribution, le fluide est incompressible et laminaire et la structure est considérée rigide, qu’elle soit immobile ou en mouvement. Les outils que nous avons développés comportent la mise en oeuvre d’un algorithme fiable de résolution qui intégrera les deux domaines (fluide et solide) dans une formulation mixte. L’algorithme est basé sur des techniques de raffinement local adaptatif des maillages utilisés permettant de mieux séparer les éléments du milieu fluide de ceux du solide que ce soit en 2D ou en 3D. La seconde partie est l’étude des interactions mécaniques entre une structure flexible et un fluide incompressible. Dans cette contribution, nous proposons et analysons des méthodes numériques partitionnées pour la simulation de phénomènes d’interaction fluide-structure (IFS). Nous avons adopté à cet effet, la méthode dite «arbitrary Lagrangian-Eulerian» (ALE). La résolution fluide est effectuée itérativement à l’aide d’un schéma de type projection et la structure est modélisée par des modèles hyper élastiques en grandes déformations. Nous avons développé de nouvelles méthodes de mouvement de maillages pour aboutir à de grandes déformations de la structure. Enfin, une stratégie de complexification du problème d’IFS a été définie. La modélisation de la turbulence et des écoulements à surfaces libres ont été introduites et couplées à la résolution des équations de Navier-Stokes. Différentes simulations numériques sont présentées pour illustrer l’efficacité et la robustesse de l’algorithme. Les résultats numériques présentés attestent de la validité et l’efficacité des méthodes numériques développées.

La consommation halal à l'épreuve de l'immigration : cas de la deuxième génération maghrébine en France

«Halal/ » : une prescription de la religion musulmane qui circonscrit ce qui est permis, mais surtout un marché en croissance exponentielle. Le marché du halal pèse près de 700 milliards de dollars de chiffre d’affaires annuel et intéresse 1,6 milliard de musulmans dans le monde (Bel Hadj, 2015). Entre 2014 et 2015, les dépenses alimentaires du monde musulman ont affiché une progression de 4,3% en atteignant 1158 milliards de dollars soit 16,7% des dépenses alimentaires de la planète . Ces dépenses dépasseront la barre symbolique des 2000 milliards de dollars d’ici 2025. En France, le marché est en constante croissance à deux chiffres (entre 17 à 20 % les cinq dernières années), il est estimé à 5,5 et 7 milliards d’euros par an .Face à l’évidence de l’ampleur et du potentiel du marché du halal dans le monde et en particulier en France, plusieurs tentatives d’élucidation du phénomène sont avancées. En observant de près les pratiques marketing, nous constatons un «déni» total des origines religieuses et une préférence pour la carte du purement ethnique. La recherche, quant à elle, reste fragmentée. Si dans certaines disciplines on préfère encore parler d’un phénomène purement religieux, d’autres tiennent encore à l’étiquette communautaire. Ce flou persiste avec la vision monochrome et surtout cloisonnée entre plusieurs domaines d’études. La recherche dans la discipline du comportement du consommateur, qu’elle s’intéresse à l’essence de la proscription religieuse ou qu’elle se focalise sur la dimension ethnique, n’investigue pas automatiquement toutes les raisons pour lesquelles un individu respecte les règles du halal. La sociologie semble être la discipline qui a su arpenter les chemins les plus sinueux pour tenter d’apporter plus de compréhension à ce phénomène qui ne cesse de prendre de l’envergure et d’attirer les controverses les plus acerbes. C’est aussi la discipline qui a su capturer l’évolution des générations d’immigrants et a su exprimer la complexité de l’expression alimentaire de la deuxième génération mais aussi le défi que relève la communauté maghrébine à cohabiter avec la stigmatisation. Cette deuxième génération d’«immigrants» maghrébins qui n’ont jamais immigré, décide de «manger pour croire » en «se nourrissant de nostalgie » pour une culture qu’ils vivent par procuration à défaut de pouvoir s’intégrer entièrement dans la société française. Il devenait pour nous fondamental de considérer cette pratique alimentaire dans une perspective plus large qui favorise l’élan de l’engagement et de la revendication identitaire affichée. Dans cette voie, et dans la ligne directrice des travaux en sociologie qui ont été notre principale inspiration tout au long de ce travail, notre projet s’inscrit dans une volonté de saisir cette consommation à travers un héritage à la fois culturel, migratoire, familial et une trajectoire propre à chaque individu. Pour arriver à cette fin, nous avons privilégié l’enquête par questionnaire (432 observations) auprès des immigrants de deuxième génération habitant la région parisienne. Pour l’analyse, nous avons opté pour les méthodes des équations structurelles, avec l’ambition de démêler la toile d’araignée à la fois culturelle, sociale et personnelle sans s’enliser dans les a priori, les polémiques et les partis pris. Pour ce faire, nous avons, tout au long de ce travail abordé le halal sous l’angle d’un fait religieux comportant de multiples facettes, à la fois collectives et individuelles, conservatrices et modernistes, désintéressées ou engagées. Nos résultats confirment cette relation de conviction étroite avec la consommation halal. Outre la religion, construit de prédilection des principales recherches en comportement du consommateur, le présent travail doctoral confirme les apports de certaines valeurs (sécurité, stimulation/hédonisme) de l’acculturation mais aussi de la socialisation alimentaire. Cette dernière a cristallisé l’impact de la composante comportementale de l’apprentissage sur la consommation, mais a surtout révélé l’impact de la composante affective sur cet apprentissage. Du côté de l’acculturation, seul l’attachement à la culture hôte a prouvé son influence négative sur la consommation alimentaire halal. Les polémiques récurrentes qui collent au halal nous ont également suggéré la voie de la confiance en la certification, qui a elle aussi confirmé qu’il s’agit désormais d’un phénomène de conscience, de revendication mais aussi d’un engagement responsable du consommateur pour harmoniser ce qu’il incorpore avec ce qu’il est.

Design and modeling of optical fibers for spatial division multiplexing using the orbital angular momentum of light

Les besoins toujours croissants en terme de transfert de données numériques poussent au développement de nouvelles technologies pour accroître la capacité des réseaux, notamment en ce qui concerne les réseaux de fibre optique. Parmi ces nouvelles technologies, le multiplexage spatial permet de multiplier la capacité des liens optiques actuels. Nous nous intéressons particulièrement à une forme de multiplexage spatial utilisant le moment cinétique orbital de la lumière comme base orthogonale pour séparer un certain nombre de canaux. Nous présentons d’abord les notions d’électromagnétisme et de physique nécessaires à la compréhension des développements ultérieurs. Les équations de Maxwell sont dérivées afin d’expliquer les modes scalaires et vectoriels de la fibre optique. Nous présentons également d’autres propriétés modales, soit la coupure des modes, et les indices de groupe et de dispersion. La notion de moment cinétique orbital est ensuite introduite, avec plus particulièrement ses applications dans le domaine des télécommunications. Dans une seconde partie, nous proposons la carte modale comme un outil pour aider au design des fibres optiques à quelques modes. Nous développons la solution vectorielle des équations de coupure des modes pour les fibres en anneau, puis nous généralisons ces équations pour tous les profils de fibres à trois couches. Enfin, nous donnons quelques exemples d’application de la carte modale. Dans la troisième partie, nous présentons des designs de fibres pour la transmission des modes avec un moment cinétique orbital. Les outils développés dans la seconde partie sont utilisés pour effectuer ces designs. Un premier design de fibre, caractérisé par un centre creux, est étudié et démontré. Puis un second design, une famille de fibres avec un profil en anneau, est étudié. Des mesures d’indice effectif et d’indice de groupe sont effectuées sur ces fibres. Les outils et les fibres développés auront permis une meilleure compréhension de la transmission dans la fibre optique des modes ayant un moment cinétique orbital. Nous espérons que ces avancements aideront à développer prochainement des systèmes de communications performants utilisant le multiplexage spatial.

Multiphase modeling of melting / solidification with high density variations using XFEM

La modélisation de la cryolite, utilisée dans la fabrication de l’aluminium, implique plusieurs défis, notament la présence de discontinuités dans la solution et l’inclusion de la difference de densité entre les phases solide et liquide. Pour surmonter ces défis, plusieurs éléments novateurs ont été développés dans cette thèse. En premier lieu, le problème du changement de phase, communément appelé problème de Stefan, a été résolu en deux dimensions en utilisant la méthode des éléments finis étendue. Une formulation utilisant un multiplicateur de Lagrange stable spécialement développée et une interpolation enrichie a été utilisée pour imposer la température de fusion à l’interface. La vitesse de l’interface est déterminée par le saut dans le flux de chaleur à travers l’interface et a été calculée en utilisant la solution du multiplicateur de Lagrange. En second lieu, les effets convectifs ont été inclus par la résolution des équations de Stokes dans la phase liquide en utilisant la méthode des éléments finis étendue aussi. Troisièmement, le changement de densité entre les phases solide et liquide, généralement négligé dans la littérature, a été pris en compte par l’ajout d’une condition aux limites de vitesse non nulle à l’interface solide-liquide pour respecter la conservation de la masse dans le système. Des problèmes analytiques et numériques ont été résolus pour valider les divers composants du modèle et le système d’équations couplés. Les solutions aux problèmes numériques ont été comparées aux solutions obtenues avec l’algorithme de déplacement de maillage de Comsol. Ces comparaisons démontrent que le modèle par éléments finis étendue reproduit correctement le problème de changement phase avec densités variables.

Conception mécaniste-empirique des chaussées non revêtues

Dans le contexte où les routes non revêtues sont susceptibles de subir des charges importantes, une méthode rigoureuse pour la conception de ces chaussées basée sur des principes mécanistes-empiriques et sur le comportement mécanique des sols support est souhaitable. La conception mécaniste combinée à des lois d’endommagement permet l’optimisation des structures de chaussées non revêtues ainsi que la réduction des coûts de construction et d’entretien. Le but de ce projet est donc la mise au point d’une méthode de conception mécaniste-empirique adaptée aux chaussées non revêtues. Il a été question tout d’abord de mettre au point un code de calcul pour la détermination des contraintes et des déformations dans la chaussée. Ensuite, des lois d’endommagement empiriques pour les chaussées non revêtues ont été développées. Enfin, les méthodes de calcul ont permis la création d’abaques de conception. Le développement du code de calcul a consisté en une modélisation de la chaussée par un système élastique multi-couches. La modélisation a été faite en utilisant la transformation d’Odemark et les équations de Boussinesq pour le calcul des déformations sous la charge. L’élaboration des fonctions de transfert empiriques adaptées aux chaussées non revêtues a également été effectuée. Le développement des fonctions de transfert s’est fait en deux étapes. Tout d’abord, l’établissement de valeurs seuil d’orniérage considérant des niveaux jugés raisonnables de conditions fonctionnelle et structurale de la chaussée. Ensuite, le développement de critères de déformation admissible en associant les déformations théoriques calculées à l’aide du code de calcul à l’endommagement observé sur plusieurs routes en service. Les essais ont eu lieu sur des chaussées typiques reconstituées en laboratoire et soumises à un chargement répété par simulateur de charge. Les chaussées ont été instrumentées pour mesurer la déformation au sommet du sol d’infrastructure et les taux d’endommagements ont été mesurés au cours des essais.

Modélisation de la dispersion chromatique et de l’atténuation dans les fibres microstructurées à coeur suspendu

D’abord, nous présentons les principes physiques nous permettant de modéliser et comprendre le phénomène de propagation linéaire des impulsions lumineuses dans un milieu homogène, dans les guides d’ondes planaires et enfin dans les fibres optiques microstructurées. Ensuite, nous faisons une analyse mathématique rigoureuse des équations linéaires de propagation et posons le problème comme celui de la recherche de valeurs propres d’opérateurs auto-adjoints dans un espace de Hilbert. On verra que ces résultats théoriques s’appliquent aux équations simulées dans le logiciel Comsol Multiphysics. Enfin, nous recensons et proposons différentes façons de prédire les valeurs de dispersion chromatique et d’atténuation dans les fibres microstructurées à coeur suspendu en utilisant les notions et équations discutés dans les deux premiers chapitres. Le choix de la géométrie, du matériau et de la longueur d’onde de la lumière transmise sont parmi les variables étudiées numériquement. Nous ferons également un exemple détaillé d’utilisation du logiciel Comsol Multiphysics pour construire un modèle de fibre optique microstructurée.

Conception d’un mécanisme déployable à grand ratio d’expansion et de son système d’actionnement par roues d’inertie pour applications spatiales

Cette thèse propose de développer des mécanismes déployables pour applications spatiales ainsi que des modes d’actionnement permettant leur déploiement et le contrôle de l’orientation en orbite de l’engin spatial les supportant. L’objectif étant de permettre le déploiement de surfaces larges pour des panneaux solaires, coupoles de télécommunication ou sections de station spatiale, une géométrie plane simple en triangle est retenue afin de pouvoir être assemblée en différents types de surfaces. Les configurations à membrures rigides proposées dans la littérature pour le déploiement de solides symétriques sont optimisées et adaptées à l’expansion d’une géométrie ouverte, telle une coupole. L’optimisation permet d’atteindre un ratio d’expansion plan pour une seule unité de plus de 5, mais présente des instabilités lors de l’actionnement d’un prototype. Le principe de transmission du mouvement d’un étage à l’autre du mécanisme est revu afin de diminuer la sensibilité des performances du mécanisme à la géométrie de ses membrures internes. Le nouveau modèle, basé sur des courroies crantées, permet d’atteindre des ratios d’expansion plans supérieurs à 20 dans certaines configurations. L’effet des principaux facteurs géométriques de conception est étudié afin d’obtenir une relation simple d’optimisation du mécanisme plan pour adapter ce dernier à différents contextes d’applications. La géométrie identique des faces triangulaires de chaque surface déployée permet aussi l’empilement de ces faces pour augmenter la compacité du mécanisme. Une articulation spécialisée est conçue afin de permettre le dépliage des faces puis leur déploiement successivement. Le déploiement de grandes surfaces ne se fait pas sans influencer lourdement l’orientation et potentiellement la trajectoire de l’engin spatial, aussi, différentes stratégies de contrôle de l’orientation novatrices sont proposées. Afin de tirer profit d’une grande surface, l’actionnement par masses ponctuelles en périphérie du mécanisme est présentée, ses équations dynamiques sont dérivées et simulées pour en observer les performances. Celles-ci démontrent le potentiel de cette stratégie de réorientation, sans obstruction de l’espace central du satellite de base, mais les performances restent en deçà de l’effet d’une roue d’inertie de masse équivalente. Une stratégie d’actionnement redondant par roue d’inertie est alors présentée pour différents niveaux de complexité de mécanismes dont toutes les articulations sont passives, c’est-à-dire non actionnées. Un mécanisme à quatre barres plan est simulé en boucle fermée avec un contrôleur simple pour valider le contrôle d’un mécanisme ciseau commun. Ces résultats sont étendus à la dérivation des équations dynamiques d’un mécanisme sphérique à quatre barres, qui démontre le potentiel de l’actionnement par roue d’inertie pour le contrôle de la configuration et de l’orientation spatiale d’un tel mécanisme. Un prototype à deux corps ayant chacun une roue d’inertie et une seule articulation passive les reliant est réalisé et contrôlé grâce à un suivi par caméra des modules. Le banc d’essai est détaillé, ainsi que les défis que l’élimination des forces externes ont représenté dans sa conception. Les résultats montrent que le système est contrôlable en orientation et en configuration. La thèse se termine par une étude de cas pour l’application des principaux systèmes développés dans cette recherche. La collecte de débris orbitaux de petite et moyenne taille est présentée comme un problème n’ayant pas encore eu de solution adéquate et posant un réel danger aux missions spatiales à venir. L’unité déployable triangulaire entraînée par courroies est dupliquée de manière à former une coupole de plusieurs centaines de mètres de diamètre et est proposée comme solution pour capturer et ralentir ces catégories de débris. Les paramètres d’une mission à cette fin sont détaillés, ainsi que le potentiel de réorientation que les roues d’inertie permettent en plus du contrôle de son déploiement. Près de 2000 débris pourraient être retirés en moins d’un an en orbite basse à 819 km d’altitude.