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The CubeSat standard has inspired a lot of engineers, researchers and space industries because of its simplicity and its previous success stories. There are various applications of CubeSats such as remote sensing, telecommunications, earth observations as well as interplanetary science missions. In recent times, newer telecommunication technologies are developed and they are needed to be tested in space conditions. Since it is a difficult task to simulate the space environment, CubeSats are used as a test bed for the newer technologies. In order to use the Microwave photonic technology in larger satellites, the degradation of these components due to radiation are needed to be studied. Inspired by the simplicity of CubeSat's, Thales Alenia Space proposed a project CubeSat NIMPH (Nanosatellite to Investigate Microwave Photonics) in collaboration with the CNES, ISAE-SUPAERO and other French Universities. This research presents the process of developing a physical solution to the critical aspects of radiation in the CubeSat NIMPH. This work also shows the accumulated radiation dose through computational methods like Sector analysis and Monte-Carlo methods using TRAD FASTRAD software. Results of the analysis provide the maximum dose level and the need for radiation shield for the platform. Based on the detailed review of results, the overall configuration is chosen and the Erbium Doped Fiber Amplier (EDFA) is made sure that it reaches a cumulative dose of 20 Krad.

International audience; For future satellite-to-ground communications link, very high throughput might be achievable at a reasonable cost assuming the use of existing single mode components developed for fiber technologies (optical detectors and amplifiers, MUX/DEMUX...). The influence of atmospheric turbulence degrades the injection efficiency of the incoming wave into single mode components. This leads to signal fading and channel impairments. Several mitigation strategies are considered to prevent them. The use of adaptive optics (AO) should contribute to reduce substantially the criticality of the fading at the expense of potentially complex and expensive systems if very high stability of the injection is requested. The use of appropriate numerical mitigation techniques (coding+interleaving) can help to relax the specifications and cost of AO systems but could lead among others to unmanageable buffer size. Thus the specification of AO correction and interleavers/forward error codes should be addressed jointly. A model to evaluate the channel capacity in terms of outage probability and packet error rate has been developed that jointly takes into account partial correction by AO and channel interleaving. It includes the capability to evaluate coded transmission performance over the correlated FSO channel in satellite-to-ground scenarios. This model is presented here and confronted to numerical simulations for several distinct correction cases. The interdependence of AO correction with numerical mitigation techniques is investigated.

International audience; NIMPH (Nanosatellite to Investigate Microwave Photonic Hardware) is a 3U Cube-Sat 1 project devoted to accomplish a qualification process of Microwave-Photonics (MWP) technology operating in space. With an advanced concept of MWP payload including an Erbium-doped fiber amplifier (EDFA), the nanosatellite will be launched in 2019 to measure at Low Earth Orbit(LEO) the effects of space radiation over the fiber, monitoring their critical performance parameters: gain, output power and noise figure (NF). Standing on a well verified model for the gain of an EDFA in radiative constraints, here we present a pre-study of the radiation effects in the amplifier within the context of NIMPH mission, when the fiber is operated in space at temperatures between 20 and 73 • C within a set of predefined orbits of 355-1447 km altitude, and pumped in copropagating configuration at 980 nm. Also, a simple model is proposed to estimate the NF growth of an EDFA in an ionizing environment, determining the possible variation of noise at typical space dose rates.

National audience; Le nanosatellite NIMPH a pour objectif le test en conditions réelles de fonctionnement dans l'espace de différents composants de l'optoélectronique haute fréquence, et en particulier la mesure in-situ de fibres optiques dopées (amplificateurs optiques) soumises aux radiations.

In this present work, we propose a new method to remove the parasitics contribution to the VCSEL chip response,in order to obtain the intrinsic transmission behavior. It has been observed that the S11 reflection coefficient of the chip is only due to the electrical access to the chip composed by the transmission line and cavity contacts. This allows us to decompose the chip into two cascaded subsystems representing the electrical access and the optical cavity respectively. An equivalent electrical circuit is developed for the electrical access behavior and, combined with the transfer matrix formalism, it becomes possible to remove the parasitics contribution from the measured S21 response. In this way, the intrinsic 3-dB bandwidth of the VCSEL can be determined.

Face au développement des communications haut débit, la génération optique de signaux hyperfréquences, devenue incontournable, doit faire face aux besoins d’intégration. C’est dans ce contexte que le groupe MOSE mène des recherches sur l’application des VCSEL dans les systèmes opto-microondes pour des applications embarquées. L’étude et la réalisation d’un oscillateur opto-microonde à base de VCSEL (VBO) a fourni des résultats permettant d’envisager la conception d’un système générant des signaux hyperfréquences par voie optique très intégré et de faible coût. Un signal à 2.49GHz a été généré par un VBO utilisant un VCSEL émettant à 1550nm. Un bruit de phase de -107dBc/Hz à 10kHz de la porteuse pour 1000m de fibre a été mesuré. Compte tenu des avancées technologiques des VCSELs à grande longueur d’onde et de la possibilité d’optimiser le dispositif en vue d’une intégration, le bruit de phase pourra être considérablement diminué. Dans le cadre d’un projet transnational franco-suisse (en partenariat avec D-lightsys, BeamExpress, l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne), le laboratoire développe des modèles optoélectroniques et caractérise de nouvelles générations de VCSELs afin d’améliorer les performances du composant et d’optimiser son intégration. La modélisation basée sur la confrontation des éléments d’un schéma électrique équivalent et des équations d’évolution en accord avec l’expérience a permis d’extraire des valeurs de paramètres intrinsèques du VCSEL utiles au fabriquant (BeamExpress). Cette étude porte également sur les accès électriques du VCSEL et leurs effets sur les paramètres S11 et S21, ce qui permet d’adapter au mieux le composant dans des modules optoélectroniques intégrés. Le verrouillage optique de deux VCSELs en configuration maître-suiveur a également été réalisé afin de repousser la fréquence de coupure du VCSEL. Grâce à la constante progression des performances des VCSELs, de nouvelles applications dans les systèmes opto-hyperfréquences sont en perspectives.

Microwave performance of 1.3μm optically injection-locked single-mode VCSELs functioning at room temperature is presented. The experiment has been performed using two identical unpackaged VCSELs on two separate probe-stations. Three-fold increase in the 3-dB cut-off frequency of S21 spectra have been observed under VCSEL-by-VCSEL optical injection-locking.

Copper-based networks have been extensively employed on aircraft to ensure the avionics data-communications. Since the Airbus A380 development, Avionic Data Communication Network (ADCN) has been implemented to ensure transmissions between avionic equipment. This system is based on the Avionic Full Duplex Ethernet (AFDX), and transfers data at rates up to 100 Mb/s. The need of faster communications systems, up to 1Gb/s, has led to great interest in fiber optic based networks. Beyond higher data rates capabilities, the fiber optics have additional benefits, compared to electrical cables, in terms of weight saving and electromagnetic interference immunity which is strongly needed at gigahertz bandwidths. Multimode fibers (MMF) are becoming increasingly attractive for short-haul (

We present here a 1.55 μm single mode Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) based low phase-noise ring optoelectronic (OEO) oscillator operating at 2.49 GHz for aerospace, avionics and embedded systems applications. Experiments using optical fibers of different lengths have been carried out to obtain optimal results. A phase-noise measurement of - 107 dBc/Hz at an offset of 10 kHz from the carrier is obtained.A 3-dB linewidth of 16 Hz for this oscillator signal has been measured. An analysis of lateral mode spacing or Free Spectral Range (FSR) as a function of fiber length has been carried out. A parametric comparison with DFB Laser-based and multimode VCSEL-based opto-electronic oscillators is also presented.

Cet article présente la modélisation et simulation du profil d'intensité d'un VCSEL à diaphragme d'oxyde émettant à 850nm. Le modèle est validé par la confrontation des simulation et des mesures de profil d'intensité de VCSELs à différents diamètre de diaphragme d'oxyde.

Nous présentons les résultats de simulations et caractérisations de diodes lasers VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) montées en barrettes selon 2 technologies distinctes: l'une de type microruban développée par Avalon Photonics, et l'autre de type coplanaire fournie par Ulm Photonics.

Ce travail a consisté à étudier le comportement de VCSELs en régime statique et dynamique. Après avoir présenté la structure du VCSEL, nous avons établi un système d’équations d’évolution du nombre de porteurs et de photons incluant la contribution de l’émission verticale et des puits quantiques. Ces équations ont été résolues pour obtenir le nombre de photons et de porteurs en fonction d’un minimum de paramètres intrinsèques. La première étape expérimentale a porté sur la caractérisation statique de la diode laser afin de déterminer sa zone de fonctionnement. Nous nous sommes ensuite intéressés à la modélisation dynamique du VCSEL. Inspirés du schéma électrique équivalent petit signal d’une diode laser conventionnelle, nous avons établi celui d’un VCSEL en représentant ses particularités telles que la contribution des miroirs de Bragg et des puits quantiques sous forme de cellules RC parallèles. Le modèle a été élaboré en comparant les équations du circuit électrique équivalent et les équations d'évolution linéarisées. Les éléments parasites dus à la connectique et au support de test ont été ajoutés à ce modèle intrinsèque de puce laser. Finalement, la validation a été effectuée grâce aux mesures du paramètre S11 et du paramètre S21. Après avoir cherché à valider le modèle sur des VCSELs en boîtier, des résultats concluants ont été obtenus grâce a des mesures sous pointes sur des barrettes de VCSELs en structure implantée ou à diaphragme d’oxyde, ce qui nous a permis d’extraire des valeurs convenables pour les paramètres intrinsèques. This thesis describes the investigation of the static and dynamic VCSEL behaviour. After having described the VCSEL structure, the VCSEL rate equations of the photon and carrier numbers are developed by adapting the rate equations of an edge emitter to a quantum well and vertical emitting laser. These equations are solved to obtain the photon and carrier number according to a minimum of intrinsic parameters. Our first experimental study is related to the VCSEL, static characteristics to determine the ideal region of this component. We are then interested in the dynamic modeling of the VCSEL by adapting the small signal rate equations of an edge emitter to the VCSEL. The specificity of this model is the representation of Bragg reflector and quantum Well contribution by RC-parallel elements. The equations of the active region circuit are identified with the linearized rate equations, so that the small signal equivalent circuit parameters are determined versus the intrinsic parameters. Parasitic elements due to-the package or the test fixture are added to this model. Finally, the different stages of the model validation are developed. After having measured S11 and S21 parameters of several TO packaged VCSELs, good results are obtained by the test with RF probes of oxideconfined VCSEL arrays allowing us to extract realistic values of intrinsic parameters.

Dans le contexte des systèmes de télécommunication, la technologie photonique est apparue pour répondre à la demande de bande passante. Elle a depuis fait l'objet de recherches croissantes et a été incorporée dans des systèmes destinés au spatial. Grâce à cette technologie, il est possible d'ajouter de nouvelles fonctionnalités aux équipements traditionnels de communication par radiofréquence ou de les utiliser dans des terminaux laser pour la communication optique en espace libre. Ce travail de recherche porte sur l'utilisation de la technologie photonique dans le sous-système de communication par satellite. Il se concentre donc sur un sous-système utilisant les communications par radiofréquence (RF) et un autre utilisant les communications optiques en espace libre (FSO) pour un satellite fonctionnant sur une orbite terrestre basse (LEO). Le modulateur vectoriel micro-ondes basé sur la technologie photonique a été présenté et discuté pour le sous-système utilisant les communications RF afin de remplacer l'étage de modulation traditionnel d'une charge utile de transmission. Ce modulateur photonique utilise un arrangement de modulateur électro-optique Mach-Zehnder (MZM) pour mettre en œuvre la modulation numérique de la porteuse micro-onde. La dérive dans le temps de la polarisation en tension continue du MZM, entraînant une dégradation de la qualité du signal modulé, une solution innovante pour un contrôle automatique de la polarisation (ABC) a été proposée. Contrairement aux méthodes rapportées jusqu'à présent dans la littérature, ce contrôle automatique de la polarisation est basé sur l'analyse des signaux I/Q afin de générer des étapes de tension pour la polarisation du modulateur photonique. En tenant compte du fait que la liaison satellite fonctionne généralement dans les bandes S et X pour la transmission (TT&C) et la transmission d'images avec des schémas de modulation QPSK, 8PSK et 16QAM, l'ABC a été évalué par une technique de co-simulation. En conséquence, l'ABC a corrigé les trois schémas en quelques étapes. Pour le système FSO, une boucle à verrouillage de phase optique (OPLL) a été étudiée pour récupérer les données d'un signal optique modulé numériquement dans un récepteur à détection cohérente. Contrairement aux OPLL analogiques traditionnelles, une OPLL entièrement numérique a été mise en œuvre et soutenue par une technique de co-simulation. La motivation première était la possibilité d'utiliser un détecteur de phase numérique à la place du détecteur analogique pour fournir une erreur de phase. De plus, la caractéristique de gain du détecteur de phase numérique, indépendante du niveau du signal d'entrée, lui permet d'être utilisé dans des régimes d'évanouissement. L'OPLL numérique a été évaluée à l'aide de taux d'échantillonnage doubles sous un bruit gaussien additif et trois scénarios de turbulence atmosphérique qui induit un évanouissement de puissance sur le signal optique transmis. De plus, la propagation d'un signal optique modulé numériquement dans une trajectoire oblique de satellite LEO a été considérée avec un débit binaire de 20 Gbits/s et un schéma de modulation QPSK. Il a été démontré que les détecteurs de phase analogiques traditionnels ne sont pas adaptés aux systèmes en régime d'évanouissement. Par conséquent, le détecteur de phase numérique s'est avéré être une alternative à la mise en œuvre d'OPLL pour le récepteur de systèmes FSO utilisant la détection cohérente. Ansi, la technologie photonique a été analysée pour améliorer les charges utiles de satellites et augmenter la bande passante de futurs liens optiques de communications. In the telecommunication systems context, photonic technology has emerged to meet the bandwidth demand and has since been increasingly researched and incorporated into systems for space use. This technology makes it possible to add new functionalities to traditional radio-frequency communication equipment and use it on laser terminals for optical communication in free space.This research work focuses on the use of photonic technology in a satellite communication subsystem. Hence, the focus was on one subsystem using radio-frequency (RF) communications and another using optical communication in free space (FSO) for a satellite operating in a low Earth orbit (LEO).The microwave vector modulator based on photonic technology was presented and discussed for the subsystem using RF communications to replace the traditional modulation stage of a transmitter payload. This photonic modulator uses an arrangement of Mach-Zehnder electro-optic modulator (MZM) to implement the digital modulation of the microwave carrier. As the MZM presents a dc bias drift over time, resulting in a poor quality of the modulated signal, a novel automatic bias control (ABC) was proposed. Unlike previous methods reported so far in the literature, this ABC is based on analyzing the I/Q signals to generate voltage steps for the photonic modulator bias. Considering that satellite link usually operates in S and X bands for (TT&C) and image transmission with QPSK, 8PSK, and 16QAM modulation schemes, the ABC was evaluated using a co-simulation technique. As a result, the ABC corrected these schemes in a few steps.For the FSO system, an optical phase-locked loop (OPLL) was discussed to retrieve the data for an optical digitally modulated signal in a coherent detection receiver. Unlike traditional analog OPLLs, an all-digital OPLL was implemented and supported through a co-simulation technique. The primary motivation was the possibility of using a digital phase detector in place of the analog one to provide phase error. Additionally, the gain characteristic of the digital phase detector, independent of the signal level input, enabled it to be used in fading regimes. The digital OPLL was evaluated using two-sample rates under additive Gaussian noise and three scenarios of turbulence atmospheric since it induces power fading on the transmitted optical signal. Moreover, the optical digitally modulated signal propagation in a LEO satellite slant path was considered with a bit rate of 20 Gbits/s and a QPSK modulation scheme. It was shown that the traditional analog phase detectors are unsuitable for systems under fading regimes. Hence, the digital phase detector proved to be an alternative to OPLL implementation for the receiver of FSO systems employing coherent detection.Therefore, the photonics technology is analyzed to improve satellite payloads and increase the bandwidth for future optical communication links.

La croissance des services de télécommunications et l’augmentation du trafic de données à l’échelle mondiale favorise le développement et l’intégration de différents réseaux de transmission de données. Un exemple de ce développement est constitué par les réseaux de fibres optiques, qui sont actuellement chargés d’interconnecter les continents par des liaisons longues avec des taux de transfert importants. Les réseaux optiques, ainsi que les réseaux supportés par d’autres moyens de transmission, utilisent des signaux électriques à certaines fréquences pour la synchronisation des éléments du réseau. La qualité de ces signaux est un facteur décisif dans la performance globale du système, c’est pourquoi leur bruit de phase doit être aussi faible que possible.Ce document décrit la conception et la mise en œuvre d’un système optoélectronique pour la génération de signaux micro-ondes à l’aide de diodes laser à cavité verticale (VCSEL) et son intégration dans un système de transmission optique de données. Compte tenu du fait que le système proposé intègre un laser VCSEL directement modulé, une caractérisation théorique et expérimentale a été élaborée sur la base des équations d’évolution du laser, de mesures dynamiques et statiques, et d’un modèle électrique équivalent de la région active. Cette méthode a permis l’extraction de certains paramètres intrinsèques du VCSEL, ainsi que la validation et la simulation de ses performances dans différentes conditions de modulation.Le VCSEL utilisé émet en bande C et a été sélectionné en considérant que cette bande est couramment utilisée dans les liaisons à longue distance.Le système proposé est constitué d’une boucle fermée qui déclenche l’oscillation grâce aux sources de bruit des composants et module le VCSEL en fort signal pour générer des impulsions optiques (gain switching). Ces impulsions optiques, qui dans le domaine des fréquences correspondent à un peigne de fréquences optiques, sont détectées pour générer simultanément une fréquence fondamentale (déterminée par un filtre passe-bande) et plusieurs harmoniques.Le bruit de phase mesuré à10 kHz de la porteuse à1,25 GHz est de -127,8 dBc/Hz, et constitue la valeur la plus faible signalée dans la littérature pour cette fréquence et cette architecture.La gigue et la largeur d’impulsion optique ont été déterminées lorsque différentes cavités résonantes et différents courants de polarisation étaient utilisés. The massive growth of telecommunication services and the increasing global data traffic boost the development, implementation, and integration of different networks for data transmission.An example of this development is the optical fiber networks, responsible today for the inter-continental connection through long-distance links and high transfer rates. The optical networks, as well as the networks supported by other transmission media, use electrical signals at specific frequencies for the synchronization of the network elements. The quality of these signals is usually determined in terms of phase noise. Due to the major impact ofthe phase noise over the system performance, its value should be minimized.The research work presented in this document describes the design and implementation of an optoelectronic system for the microwave signal generation using a vertical-cavity surface emitting laser (VCSEL) and its integration into an optical data transmission system. Considering that the proposed system incorporates a directly modulated VCSEL, a theoretical and experimental characterization was developed based on the laser rate equations, dynamic and static measurements, and an equivalent electrical model of the active region. This procedure made possible the extraction of some VCSEL intrinsic parameters, as well as the validation and simulation of the VCSEL performance under specific modulation conditions.The VCSEL emits in C-band, this wave length was selected because it is used in long-haul links. The proposed system is a self-initiated oscillation system caused by internal noise sources,which includes a VCSEL modulated in large signal to generate optical pulses (gain switching).The optical pulses, and the optical frequency comb associated, generate in electrical domain simultaneously a fundamental frequency (determined by a band-pass filter) and several harmonics. The phase noise measured at 10 kHz from the carrier at 1.25 GHz was -127.8dBc/Hz, and it is the lowest value reported in the literature for this frequency and architecture.Both the jitter and optical pulse width were determined when different resonant cavities and polarization currents were employed. The lowest pulse duration was 85 ps and was achieved when the fundamental frequency was 2.5 GHz. As for the optical frequency comb, it was demonstrated that its flatness depends on the electrical modulation conditions.The flattest profiles are obtained when the fundamental frequency is higher than the VCSELrelaxation frequency. Both the electrical and the optical output of the system were integrated into an optical transmitter.The electrical signal provides the synchronization of the data generating equipment,whereas the optical pulses are employed as an optical carrier. Data transmissions at 155.52Mb/s, 622.08 Mb/s and 1.25 Gb/s were experimentally validated. It was demonstrated that the fundamental frequency and harmonics could be extracted from the optical data signal transmitted by a band-pass filter.

Les transmissions optiques en espace libre pour des liaisons satellite-satellite ou satellite-sol sont en plein essor. Les systèmes les plus performants aujourd’hui reposent sur l’utilisation de laser à état solide ou d’émetteurs en configuration Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) comprenant une source laser, un modulateur externe et un amplificateur fibré type Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA). Ces deux types de sources laser présentent plusieurs inconvénients qui peuvent être rédhibitoires dans le cadre d’applications spatiales : poids et taille élevés, sensibilité aux radiations, forte consommation de puissance. C’est sur ce constat que s’appuie ce travail de thèse qui consiste en le développement de MOPA de haute puissance à 1,5μm intégrés monolithiquement sur InP. La thèse a vu la conception de deux types de MOPAs, l’un avec des guides en arête (shallow ridge) et l’autre avec des guides enterrés (Semi-Insulating Buried Heterostructure ou SIBH). Des simulations de propagation et de mode optique ont pu valider les dessins des guides. Ces MOPAs incluent un laser DFB, un modulateur à électro-absorption et un amplificateur évasé. Plusieurs angles d’évasement ont été testés. La fabrication en salle blanche des composants a permis plusieurs développements technologiques, notamment les étapes de fabrication de MOPA et de SOA évasés en SIBH. Les MOPA shallow ridge réalisés démontrent une puissance de 380 mW en CW et un fonctionnement monomode spectral. Des mesures de S21 ont ensuite été réalisées sur des MOPA et des SOA SIBH de puissance de structure similaire aux MOPA SIBH. Ces mesures ont permis le développement d’un modèle de fonction de transfert de SOA. Le modèle basé sur des paramètres mesurables donne une excellente concordance avec les mesures et permet de trouver le temps de vie des porteurs. Des mesures de diagramme de l’oeil sur des SOA modulés directement ont été effectuées. Bien que le taux d’extinction soit faible (

Due to expected capacity bottlenecks of exploited microwave technologies, feeder links for data relay or broadband access systems will require the implementation of high capacity optical communication links between space and the ground. In this context, it is necessary to detail the investigation of the optical technologies and techniques that could enable the transmission of high data rates at optical frequencies through the Earth’s atmosphere, with regard to all kinds of the atmospheric phenomena. In particular, the adverse effects of atmospheric turbulence fading are of special relevance to optical communication systems for ground-to-space uplink applications. Although previous studies and experiments have demonstrated the feasibility of such optical links at low data rate, research is still needed to identify technical solutions and strategies adapted to the specific constraints imposed to these high-speed links in order to ensure the required level of performance. Against this background, various test benches have been developed to characterize different modulations and detection techniques for optical communication systems prior to be incorporated in the conceptual design of future 1-Tb/s ground-space optical links. The expected performances of such experimental demonstration are derived based on simulation models taking into account the atmospheric turbulence effects, in order to prove the feasibility of reliable ground-to-space high date rate optical communication links. The main objective of this thesis is the investigation of the free space optical communication through the atmosphere under different turbulence regimes. Both simulation and experimental demonstrations of such communications are considered and the associated results are detailed. Les télécommunications optiques en espace libre pour les applications satellites deviennent une alternative aux communications radiofréquences pour les liens feeder (segment Satellite-Gateway) qui commencent à présenter une saturation en termes de bande passante avec une faible capacité des liaisons. Ces liaisons optiques présentent des avantages majeurs notamment une large bande passante disponible, l’insensibilité aux interférences ou encore l’absence de régulation (pas de coût lié à l’utilisation de telle ou telle bande de longueur d’onde a contrario de la RF). Elles sont envisagées pour les futurs systèmes satellitaires utilisant des satellites en orbites géostationnaires (GEO : Geostaionary Orbit) ou des orbites terrestres basses (LEO : Low Earth Orbit) afin d’augmenter la capacité des données transmises. L’architecture des terminaux (OGS et satellites) et la modulation optique utilisée sont déterminantes pour la robustesse d’une telle liaison aux effets induits par les couches de l’atmosphère. Bien que des expérimentations aient démontré la faisabilité de ce type de solution pour les télécommunications par satellites à des débits de l’ordre du Gb/s, des travaux de recherche sont encore nécessaires pour identifier les solutions techniques adaptées à ce nouveau médium de transmission et développer des émetteurs et récepteurs pouvant supporter des débits allant jusqu’à 1Tb/s. Les travaux menés au cours de cette thèse ont pour objectif de développer des architectures des liaisons optiques utilisant différents formats de modulation afin de maitriser le comportement des récepteurs après propagation atmosphérique (lien montant et lien descendant). Après avoir simulé la liaison avec un logiciel dédié à l’optique, un banc expérimental émulant le lien laser atmosphérique a été développé. Dans les deux cas, l’impact des effets atmosphériques a été pris en compte. La traversée des couches de l’atmosphère présente des variations brusques d’atténuation dues aux turbulences atmosphériques qui agissent directement sur l’indice de réfraction affectant l’amplitude et la phase du signal optique (on parle aussi des effets de scintillation). Il en résulte potentiellement des pertes de paquets d’informations. Différents scénarii de perturbations atmosphériques (Faible turbulences, Beam Wander, Fortes turbulences) ont été appliqués pour simuler numériquement chaque modèle de canal de communication. Le développement du banc ELLA (Emulateur Lien Laser Atmosphérique) a été réalisé pour émuler la traversée des couches atmosphériques et pour valider expérimentalement en laboratoire les différents scénarii simulés numériquement. Le taux d’erreur binaire (BER, Bit Error Rate) a été estimé avec et sans effet de fading induit par l’atmosphère dans différentes conditions de turbulences atmosphériques afin de déterminer les caractéristiques des liaisons optiques les plus robustes.

Optical wavelengths are an alternative to radio-frequency for future satellite-ground data transmissions. They are envisaged for future satellite telemetry systems (downlink optical links from LEO satellites) or communication (bidirectional optical links with GEO satellites). While going through the atmosphere the optical wave is affected by atmospheric turbulence. This may result in fading and surges when the incident flux is coupled to a single-mode optical fiber. To mitigate this potential source of information losses, several levers can be actuated: opto-mechanical correction methods such as adaptive optics, and numerical methods based on error correction coding and / or interleaving.This thesis has been devoted to the joint optimization of adaptive optics and numerical methods. An analytical model of fades and surge statistics of the adaptive optics-corrected signal has been proposed and validated by numerical modeling. A transmission performance model incorporating the effect of adaptive optics correction, and a distributed coding interleaving scheme on the physical layer (corrector coding and symbol interleaving) and the high layers (erase code and packet interleaving) has been developed. The joint optimization carried out thanks to these developments makes it possible to quantify the contribution of a correction by partial adaptive optics.The results obtained demonstrate that in cases of favorable signal-to-noise ratio, interleaving carried out exclusively on the high layer could be envisaged. These software oriented mechanisms make it possible to limit the use of dedicated memories, opening new perspectives for the realization of future optical communications payloads.; Les longueurs d’onde optiques sont une alternative aux liens radio-fréquences pour les transmissions satellite-sol du futur. Elles sont envisagées pour les futurs systèmes de télémesure satellitaires (liens optiques descendants en provenance de satellites LEO) ou de communication (liens optiques bidirectionnels avec des satellites GEO). A sa traversée de l’atmosphère l’onde optique est affectée par la turbulence atmosphérique. Des pertes peuvent en découler lors du couplage du flux incident à un détecteur optronique ou à une fibre optique monomode. Ces pertes se traduisent par des atténuations du signal reçu et donc par une potentielle perte d’informations. Pour s’en abstraire plusieurs leviers peuvent être exploités : des méthodes de correction opto-mécaniques comme l’optique adaptative, et des méthodes numériques s’appuyant sur du codage correcteur d’erreur et/ou de l’entrelacement.Cette thèse a été consacrée à l’optimisation conjointe de l’optique adaptative et des méthodes numériques. Un modèle analytique des durées d’atténuation et des durées entre atténuation du signal corrigé par optique adaptative a été proposé et validé par modélisation numérique (voir illustration, évaluation des durées moyenne entre atténuation en fonction du seuil appliqué sur le flux incident pour un cas de lien descendant GEO-sol). Un modèle de performance de transmission intégrant l’effet d’une correction par optique adaptative, et un schéma d’entrelacement codage réparti sur la couche physique (codage correcteur et entrelacement symbole) et les couches hautes (code à effacement et entrelacement paquets) a été élaboré. L’optimisation conjointe menée grâce à ces développements permet de quantifier l’apport d’une correction par optique adaptative partielle.Les résultats obtenus démontrent que dans les cas de rapport signal à bruit favorables un entrelacement réalisé exclusivement sur la couche haute pourrait être envisagé. Ces mécanismes logiciels permettent de limiter l’emploi de mémoires dédiées, ouvrant des perspectives nouvelles pour la réalisation de futures charges utiles de communications optiques.

Les oscillateurs sont présents dans tous les systèmes de communications que nous utilisons. Ils nous permettent de faire la synchronisation entre l’émetteur et le récepteur d’un message. La qualité de cette synchronisation dépend de la stabilité de l’oscillateur. Afin de caractériser cette stabilité dans le domaine fréquentiel, le bruit de phase est utilisé comme paramètre de référence. Un oscillateur qui délivre un signal avec une faible valeur de bruit de phase est un oscillateur de grande pureté spectrale. Les oscillateurs électroniques ont une bonne performance à basse fréquence. En mesure de la demande des systèmes de très haut débit, les oscillateurs électroniques ne sont pas capables de produire signaux qu’avec l’utilisation de multiplicateurs de fréquence qui ajoutent plusieurs éléments à la chaine de communication. Les systèmes hybrides permettent de prendre d’avantage la bonne performance de composants optiques en haute fréquence afin de les intégrer dans les systèmes électroniques et surmonter de cette façon-là les limitations fréquentielles des systèmes électroniques. Ce travail vise l’utilisation de la technique de verrouillage optique par injection du faisceau d’un laser maître vers la cavité d’un VCSEL sous modulation directe dans la boucle d’oscillation. La technique du verrouillage optique du VCSEL permets d’élargir la bande passante de modulation directe du VCSEL et réduire son bruit d’intensité (Relative Intensity Noise - RIN). La réduction du RIN a comme effet secondaire la réduction de la contribution du bruit additif dans l’oscillateur et, en conséquence, la réduction du bruit de phase de l’oscillateur. Oscillators are present in all telecommunication systems. They synchronize the emitter and receiver of a message. The quality of the synchronization depends on the oscillator stability. To characterize the frequency domain oscillator stability, the phase noise of the carrier is used as figure of merit. An oscillator delivering a low phase noise carrier is a high spectral purity oscillator. Electronic oscillators are high performing at low frequencies. As communications systems require high data rate transmission, the electronic oscillators uses frequency multipliers that degrades the spectral purity of the carrier. The hybrid systems take advantage of the good performance of optical components at high frequency with the goal to be integrated in the electronic systems to overcome frequency limitation issues. This work use the optical injection locking technique by injecting the laser beam of a master laser inside the cavity of a VCSEL under direct modulation. The optical injection locking technique enlarges the direct modulation bandwidth of the VCSEL and reduces the Relative Intensity noise of the laser (RIN). The RIN reduction has as side effect the reduction of the additive noise inside the oscillator and, in consequence, reducing the oscillator phase noise.

Oscillators are present in all telecommunication systems. They synchronize the emitter and receiver of a message. The quality of the synchronization depends on the oscillator stability. To characterize the frequency domain oscillator stability, the phase noise of the carrier is used as figure of merit. An oscillator delivering a low phase noise carrier is a high spectral purity oscillator. Electronic oscillators are high performing at low frequencies. As communications systems require high data rate transmission, the electronic oscillators uses frequency multipliers that degrades the spectral purity of the carrier. The hybrid systems take advantage of the good performance of optical components at high frequency with the goal to be integrated in the electronic systems to overcome frequency limitation issues. This work use the optical injection locking technique by injecting the laser beam of a master laser inside the cavity of a VCSEL under direct modulation. The optical injection locking technique enlarges the direct modulation bandwidth of the VCSEL and reduces the Relative Intensity noise of the laser (RIN). The RIN reduction has as side effect the reduction of the additive noise inside the oscillator and, in consequence, reducing the oscillator phase noise. Los osciladores están presentes en todos los sistemas de comunicaciones que utilizamos a diario. Estos permiten hacer la sincronización entre el emisor y receptor de un mensaje. La calidad de esta sincronización depende de la estabilidad del oscilador. Con el fin de caracterizar la estabilidad del oscilador en el dominio de la frecuencia, el ruido de fase es utilizado como parámetro de referencia. Un oscilador que entrega una señal con un bajo ruido de fase es un oscilador de alta pureza espectral. Los osciladores electrónicos presentan un buen desempeño a baja frecuencia. A medida que la demanda de tasa de transmisión de los sistemas de comunicaciones aumenta, los osciladores electrónicos logran la generación de señales en alta frecuencia utilizando multiplicadores de frecuencia, los cuales adjuntan elementos adicionales a la cadena de comunicaciones. Los sistemas híbridos permiten tomar ventaja del buen desempeño de los componentes ópticos en alta frecuencia con el fin de integrarlos en los sistemas electrónicos y de esta maneja mejorar su desempeño. Este trabajo utiliza la técnica optical injection locking que consiste en la inyección de un haz láser de un láser maestro hacia un láser esclavo. Esta técnica permite mejorar el ancho de banda en modulación directa del láser bajo modulación. El ruido de intensidad relativa del láser bajo optical injection locking es mejorado, teniendo en cuenta las medidas realizadas. Al utilizar el láser bajo condición de optical injection locking en el oscilador optoelectrónico, es posible implementar osciladores basados optoelectrónicos basados en VCSEL a más alta frecuencia y menor ruido de fase. Doctorado

sans objet sans objet

L'objectif de ce travail de thèse a été de caractériser et de modéliser le comportement de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSELs) à 1,3µm et 1,55µm. Ces sources laser constituent en effet un enjeu majeur dans les transmissions d'information à haut débit. La modélisation est basée sur l'analogie entre les équations d'évolution monomodés linéarisées et les équations de Kirchhoff du circuit électrique équivalent de la cavité optique. Il est donc possible d'exprimer chaque élément de ce circuit en fonction des paramètres intrinsèques du VCSEL. Cependant, bien que les VCSELs utilisés soient en puce, le modèle électrique complet doit prendre en compte des effets parasites liés à l'accès électrique. Une méthode originale, basée sur la mesure du «Turn-On Delay» et des paramètres S, a donc été développée afin de pouvoir s'affranchir de ces effets parasites et ainsi d'obtenir la valeur de chaque élément du circuit sans procédure d'optimisation. Grâce à cette méthode, il est alors possible d'extraire les paramètres intrinsèques du VCSEL. Le modèle est ensuite confronté aux résultats de simulation des équations d'évolution linéarisées en fonction des paramètres extraits. Le comportement en bruit des VCSELs est également analysé afin de compléter le circuit électrique par des sources équivalentes de bruit en tension et en courant. Cela permet d'élaborer un schéma électrique équivalent complet validé expérimentalement. Enfin la mesure du spectre des VCSELs permet d'en déduire l'évolution de la largeur de raie en fonction du courant de polarisation et d'en extraire le facteur de Henry, source de dégradation des télécommunications optiques. The objective of this thesis was to characterize and model the behavior of vertical-cavity surface-emitting laser diodes (VCSELs) at both 1,3µm et 1,55µm wavelengths. These laser sources are indeed key components in high bit rate transmission. Modeling is based on the analogy between the linearized singlemode rate equations and Kirchhoff current law representing the equivalent electrical circuit of the optical cavity. It is therefore possible to express each element of this circuit using the intrinsic parameters of the VCSEL. However, although on chip VCSELs are used, the electrical model has to take into account the parasitic effects related to electrical access. An original method, based on the "Turn-On-Delay" and S-parameters measurements, was developed in order to overcome parasitic effects and to obtain the value of each element of the circuit without optimization process. With this method, it is possible to extract the intrinsic parameters of the VCSEL. The model is then compared with simulation results of linearized rate equations with extracted parameters. The noise behavior of VCSELs is also analyzed to complete the electrical circuit with voltage and current equivalent noise sources. This helps to develop a complete equivalent electrical circuit validated experimentally. Finally we can infer, from the VCSELs spectrum, the evolution of the linewidth in terms of bias current and extract the Henry factor, a spectral degradation source in optical telecommunications.