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.

Techniques en appui des formats de modulation avancés pour les futurs réseaux optiques

Les systèmes de communication optique avec des formats de modulation avancés sont actuellement l’un des sujets de recherche les plus importants dans le domaine de communication optique. Cette recherche est stimulée par les exigences pour des débits de transmission de donnée plus élevés. Dans cette thèse, on examinera les techniques efficaces pour la modulation avancée avec une détection cohérente, et multiplexage par répartition en fréquence orthogonale (OFDM) et multiples tonalités discrètes (DMT) pour la détection directe et la détection cohérente afin d’améliorer la performance de réseaux optiques. Dans la première partie, nous examinons la rétropropagation avec filtre numérique (DFBP) comme une simple technique d’atténuation de nonlinéarité d’amplificateur optique semiconducteur (SOA) dans le système de détection cohérente. Pour la première fois, nous démontrons expérimentalement l’efficacité de DFBP pour compenser les nonlinéarités générées par SOA dans un système de détection cohérente porteur unique 16-QAM. Nous comparons la performance de DFBP avec la méthode de Runge-Kutta quatrième ordre. Nous examinons la sensibilité de performance de DFBP par rapport à ses paramètres. Par la suite, nous proposons une nouvelle méthode d’estimation de paramètre pour DFBP. Finalement, nous démontrons la transmission de signaux de 16-QAM aux taux de 22 Gbaud sur 80km de fibre optique avec la technique d’estimation de paramètre proposée pour DFBP. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur les techniques afin d’améliorer la performance des systèmes OFDM optiques en examinent OFDM optiques cohérente (CO-OFDM) ainsi que OFDM optiques détection directe (DDO-OFDM). Premièrement, nous proposons une combinaison de coupure et prédistorsion pour compenser les distorsions nonlinéaires d’émetteur de CO-OFDM. Nous utilisons une interpolation linéaire par morceaux (PLI) pour charactériser la nonlinéarité d’émetteur. Dans l’émetteur nous utilisons l’inverse de l’estimation de PLI pour compenser les nonlinéarités induites à l’émetteur de CO-OFDM. Deuxièmement, nous concevons des constellations irrégulières optimisées pour les systèmes DDO-OFDM courte distance en considérant deux modèles de bruit de canal. Nous démontrons expérimentalement 100Gb/s+ OFDM/DMT avec la détection directe en utilisant les constellations QAM optimisées. Dans la troisième partie, nous proposons une architecture réseaux optiques passifs (PON) avec DDO-OFDM pour la liaison descendante et CO-OFDM pour la liaison montante. Nous examinons deux scénarios pour l’allocations de fréquence et le format de modulation des signaux. Nous identifions la détérioration limitante principale du PON bidirectionnelle et offrons des solutions pour minimiser ses effets.

Spatially integrated erbium-doped fiber amplifiers enabling space-division multiplexing

L’augmentation exponentielle de la demande de bande passante pour les communications laisse présager une saturation prochaine de la capacité des réseaux de télécommunications qui devrait se matérialiser au cours de la prochaine décennie. En effet, la théorie de l’information prédit que les effets non linéaires dans les fibres monomodes limite la capacité de transmission de celles-ci et peu de gain à ce niveau peut être espéré des techniques traditionnelles de multiplexage développées et utilisées jusqu’à présent dans les systèmes à haut débit. La dimension spatiale du canal optique est proposée comme un nouveau degré de liberté qui peut être utilisé pour augmenter le nombre de canaux de transmission et, par conséquent, résoudre cette menace de «crise de capacité». Ainsi, inspirée par les techniques micro-ondes, la technique émergente appelée multiplexage spatial (SDM) est une technologie prometteuse pour la création de réseaux optiques de prochaine génération. Pour réaliser le SDM dans les liens de fibres optiques, il faut réexaminer tous les dispositifs intégrés, les équipements et les sous-systèmes. Parmi ces éléments, l’amplificateur optique SDM est critique, en particulier pour les systèmes de transmission pour les longues distances. En raison des excellentes caractéristiques de l’amplificateur à fibre dopée à l’erbium (EDFA) utilisé dans les systèmes actuels de pointe, l’EDFA est à nouveau un candidat de choix pour la mise en œuvre des amplificateurs SDM pratiques. Toutefois, étant donné que le SDM introduit une variation spatiale du champ dans le plan transversal de la fibre, les amplificateurs à fibre dopée à l’erbium spatialement intégrés (SIEDFA) nécessitent une conception soignée. Dans cette thèse, nous examinons tout d’abord les progrès récents du SDM, en particulier les amplificateurs optiques SDM. Ensuite, nous identifions et discutons les principaux enjeux des SIEDFA qui exigent un examen scientifique. Suite à cela, la théorie des EDFA est brièvement présentée et une modélisation numérique pouvant être utilisée pour simuler les SIEDFA est proposée. Sur la base d’un outil de simulation fait maison, nous proposons une nouvelle conception des profils de dopage annulaire des fibres à quelques-modes dopées à l’erbium (ED-FMF) et nous évaluons numériquement la performance d’un amplificateur à un étage, avec fibre à dopage annulaire, à ainsi qu’un amplificateur à double étage pour les communications sur des fibres ne comportant que quelques modes. Par la suite, nous concevons des fibres dopées à l’erbium avec une gaine annulaire et multi-cœurs (ED-MCF). Nous avons évalué numériquement le recouvrement de la pompe avec les multiples cœurs de ces amplificateurs. En plus de la conception, nous fabriquons et caractérisons une fibre multi-cœurs à quelques modes dopées à l’erbium. Nous réalisons la première démonstration des amplificateurs à fibre optique spatialement intégrés incorporant de telles fibres dopées. Enfin, nous présentons les conclusions ainsi que les perspectives de cette recherche. La recherche et le développement des SIEDFA offriront d’énormes avantages non seulement pour les systèmes de transmission future SDM, mais aussi pour les systèmes de transmission monomode sur des fibres standards à un cœur car ils permettent de remplacer plusieurs amplificateurs par un amplificateur intégré.

Integrating functional connectivity and climate change in the design of protected area networks

Le rapide déclin actuel de la biodiversité est inquiétant et les activités humaines en sont la cause directe. De nombreuses aires protégées ont été mises en place pour contrer cette perte de biodiversité. Afin de maximiser leur efficacité, l’amélioration de la connectivité fonctionnelle entre elles est requise. Les changements climatiques perturbent actuellement les conditions environnementales de façon globale. C’est une menace pour la biodiversité qui n’a pas souvent été intégrée lors de la mise en place des aires protégées, jusqu’à récemment. Le mouvement des espèces, et donc la connectivité fonctionnelle du paysage, est impacté par les changements climatiques et des études ont montré qu’améliorer la connectivité fonctionnelle entre les aires protégées aiderait les espèces à faire face aux impacts des changements climatiques. Ma thèse présente une méthode pour concevoir des réseaux d’aires protégées tout en tenant compte des changements climatiques et de la connectivité fonctionnelle. Mon aire d’étude est la région de la Gaspésie au Québec (Canada). La population en voie de disparition de caribou de la Gaspésie-Atlantique (Rangifer tarandus caribou) a été utilisée comme espèce focale pour définir la connectivité fonctionnelle. Cette petite population subit un déclin continu dû à la prédation et la modification de son habitat, et les changements climatiques pourraient devenir une menace supplémentaire. J’ai d’abord construit un modèle individu-centré spatialement explicite pour expliquer et simuler le mouvement du caribou. J’ai utilisé les données VHF éparses de la population de caribou et une stratégie de modélisation patron-orienté pour paramétrer et sélectionner la meilleure hypothèse de mouvement. Mon meilleur modèle a reproduit la plupart des patrons de mouvement définis avec les données observées. Ce modèle fournit une meilleure compréhension des moteurs du mouvement du caribou de la Gaspésie-Atlantique, ainsi qu’une estimation spatiale de son utilisation du paysage dans la région. J’ai conclu que les données éparses étaient suffisantes pour ajuster un modèle individu-centré lorsqu’utilisé avec une modélisation patron-orienté. Ensuite, j’ai estimé l’impact des changements climatiques et de différentes actions de conservation sur le potentiel de mouvement du caribou. J’ai utilisé le modèle individu-centré pour simuler le mouvement du caribou dans des paysages hypothétiques représentant différents scénarios de changements climatiques et d’actions de conservation. Les actions de conservation représentaient la mise en place de nouvelles aires protégées en Gaspésie, comme définies par le scénario proposé par le gouvernement du Québec, ainsi que la restauration de routes secondaires à l’intérieur des aires protégées. Les impacts des changements climatiques sur la végétation, comme définis dans mes scénarios, ont réduit le potentiel de mouvement du caribou. La restauration des routes était capable d’atténuer ces effets négatifs, contrairement à la mise en place des nouvelles aires protégées. Enfin, j’ai présenté une méthode pour concevoir des réseaux d’aires protégées efficaces et j’ai proposé des nouvelles aires protégées à mettre en place en Gaspésie afin de protéger la biodiversité sur le long terme. J’ai créé de nombreux scénarios de réseaux d’aires protégées en étendant le réseau actuel pour protéger 12% du territoire. J’ai calculé la représentativité écologique et deux mesures de connectivité fonctionnelle sur le long terme pour chaque réseau. Les mesures de connectivité fonctionnelle représentaient l’accès général aux aires protégées pour le caribou de la Gaspésie-Atlantique ainsi que son potentiel de mouvement à l’intérieur. J’ai utilisé les estimations de potentiel de mouvement pour la période de temps actuelle ainsi que pour le futur sous différents scénarios de changements climatiques pour représenter la connectivité fonctionnelle sur le long terme. Le réseau d’aires protégées que j’ai proposé était le scénario qui maximisait le compromis entre les trois caractéristiques de réseau calculées. Dans cette thèse, j’ai expliqué et prédit le mouvement du caribou de la Gaspésie-Atlantique sous différentes conditions environnementales, notamment des paysages impactés par les changements climatiques. Ces résultats m’ont aidée à définir un réseau d’aires protégées à mettre en place en Gaspésie pour protéger le caribou au cours du temps. Je crois que cette thèse apporte de nouvelles connaissances sur le comportement de mouvement du caribou de la Gaspésie-Atlantique, ainsi que sur les actions de conservation qui peuvent être prises en Gaspésie afin d’améliorer la protection du caribou et de celle d’autres espèces. Je crois que la méthode présentée peut être applicable à d’autres écosystèmes aux caractéristiques et besoins similaires.