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With the demand for higher data rates, optical communication systems are seeking to meet certains specifications in terms of data rate, transmission range, and flexibility. With the recent technological advances, the question of digital signal processing possibilities arises for access and metropolitain networks. This thesis focuses, on the hand, on transmissions using semiconductor optical amplifiers, and on the other hand, on multi-carrier modulations. These amplifiers make it possible to increase the usable optical bandwidth while limiting the cost of the architecture. This type of modulation, here OFDM modulation, gives the operator a certain flexibility while increasing the spectral efficiency . The combinaison of these amplifiers and the OFDM modulation generates non-linaerities that will negatively affect the transmission system. Trough numerical, experimental, and stochastic analyses, this thesis helps to establish the feasibility and advantages of digital predistorsion and post-distorsion in terms of improving overall transmission quality , increasing transmission range, and robustness to system variability., Avec la montée des demandes en débit, les systèmes de communications optiques cherchent à répondre à un certain cahier des charges en terme de débit , de portée de transmissions, et de flexibilité. Grâce aux avancées technologiques récentes, la question des possibilités de traitement numérique se pose pour les réseaux d'accès et métropolitains. Ce travail de thèse se penche, d'une part, sur le cas de transmissions utilisant les amplificateurs optiques à semi-conducteurs, et d'autre part, le cas des modulateurs multi-porteuses. Ces amplificateurs permettent d'augmenter la bande optique utilisable en limitant le coût de l'architecture. Ce type de modulation , ici la modulation OFDM, donne à l'opérateur une certaine flexibilité tout en augmentant l'efficacité spectrale. La combinaison de ces amplificateurs et de la modulation OFDM engendre des non-linéarités qui affecteront négativement le système de transmission. A travers des analyses numériques, expérimentales, et stochastiques, ce travail de thèse aide à établir la faisabilité et l'apport de la pré-distorsion et de la post-distorsion numérique en termes d'amélioration de la qualité globale de transmission, d'augmentation de portée de transmission, et de robustesse à la variabilité du système.

The increase in bandwidth and access flexibility are major challenges for future telecommunication networks. In this context, optical fiber is an essential transmission medium that nowadays allows symmetrical data rates in the Gb/s range. The coherent detection and use of multi-carrier modulation formats has recently had a profound impact in the field of optical communications. One of the most notable implementations is the coherent optical OFDM (CO-OFDM). However, OFDM has a significant peak factor due to the various non-linearities of the channel, which is a downside limiting its performance.The objective of this thesis was to optimize the performance of the CO-OFDM transmission system by exploring the pre-distortion of digital baseband signals for linearization of the transmitter, and mainly of the semiconductor optical amplifier (SOA). Various pre-distortion algorithms were evaluated and have shown their impact on the trade-off between performance and low parametric complexity.As the pre-distortion system is non-adaptive, its robustness with respect to variations in transmitter characteristics and amplifier operating point was evaluated. The optimization of a particular pre-distortion structure has also been proposed.; La montée en débit et la flexibilité d’accès sont des enjeux majeurs pour les futurs réseaux de télécommunication. Dans cette perspective, la fibre optique constitue un support de transmission incontournable permettant à ce jour des débits symétriques de l’ordre du Gb/s. La détection cohérente et l’emploi de formats de modulation multi-porteuse ont récemment eu un impact profond dans le domaine des communications optiques et l’une des implémentations les plus remarquables concerne l’OFDM optique cohérent (CO-OFDM). Cependant, l’OFDM présente un facteur de crête important, ce qui constitue un inconvénient notable limitant ses performances, en raison des non-linéarités diverses du canal. Cette thèse a eu pour objectif d'optimiser les performances d'un système de transmission CO-OFDM, en explorant la piste de la pré-distorsion des signaux numériques en bande de base en vue d’une linéarisation de l’émetteur, et principalement de l’amplificateur optique à semi-conducteurs (SOA). Divers algorithmes de pré-distorsion ont été comparés et ont montré leur intérêt au regard du compromis performance - faible complexité paramétrique. Le système de pré-distorsion étant non adaptatif, sa robustesse aux variations de caractéristiques de l’émetteur et du point de fonctionnement de l’amplificateur a été évaluée. L’optimisation d’une structure particulière de pré-distorsion a également été proposée.

The increase in bandwidth and access flexibility are major challenges for future telecommunication networks. In this context, optical fiber is an essential transmission medium that nowadays allows symmetrical data rates in the Gb/s range. The coherent detection and use of multi-carrier modulation formats has recently had a profound impact in the field of optical communications. One of the most notable implementations is the coherent optical OFDM (CO-OFDM). However, OFDM has a significant peak factor due to the various non-linearities of the channel, which is a downside limiting its performance.The objective of this thesis was to optimize the performance of the CO-OFDM transmission system by exploring the pre-distortion of digital baseband signals for linearization of the transmitter, and mainly of the semiconductor optical amplifier (SOA). Various pre-distortion algorithms were evaluated and have shown their impact on the trade-off between performance and low parametric complexity.As the pre-distortion system is non-adaptive, its robustness with respect to variations in transmitter characteristics and amplifier operating point was evaluated. The optimization of a particular pre-distortion structure has also been proposed.; La montée en débit et la flexibilité d’accès sont des enjeux majeurs pour les futurs réseaux de télécommunication. Dans cette perspective, la fibre optique constitue un support de transmission incontournable permettant à ce jour des débits symétriques de l’ordre du Gb/s. La détection cohérente et l’emploi de formats de modulation multi-porteuse ont récemment eu un impact profond dans le domaine des communications optiques et l’une des implémentations les plus remarquables concerne l’OFDM optique cohérent (CO-OFDM). Cependant, l’OFDM présente un facteur de crête important, ce qui constitue un inconvénient notable limitant ses performances, en raison des non-linéarités diverses du canal. Cette thèse a eu pour objectif d'optimiser les performances d'un système de transmission CO-OFDM, en explorant la piste de la pré-distorsion des signaux numériques en bande de base en vue d’une linéarisation de l’émetteur, et principalement de l’amplificateur optique à semi-conducteurs (SOA). Divers algorithmes de pré-distorsion ont été comparés et ont montré leur intérêt au regard du compromis performance - faible complexité paramétrique. Le système de pré-distorsion étant non adaptatif, sa robustesse aux variations de caractéristiques de l’émetteur et du point de fonctionnement de l’amplificateur a été évaluée. L’optimisation d’une structure particulière de pré-distorsion a également été proposée.

We report in this thesis the first studies aimed at permitting the realization of a silica based fibre thulium doped optical amplifier working in the S band of the telecommunication window (near 1470nm) in order to increase the usable bandwith for wavelength division multiplexing of the standard silica fibre network. To be able to amplify an optical signal with thulium ions in a high phonon energy silica glass based fibre we have adapted the fabrication process of the preforms made by MCVD technique in order to change the glass composition of less than 10 mol %. Thus an addition of Al2O3 allow to decrease the non radiative multiphononic decay between the 3H4 and 3H5 level, because of the rare earth environment modification. The liftetime of the 3H4 level goes from 14us in pur silica to 50us with addition of only 8.7 mol % of al2O3 giving a rise of the quantum efficiency from 2% to 8%. With the material upgrade and optogeometrical parameters optimisation with numerical simulations we measured small S band signal amplification on one of our silica based sample. This result is an important measurement for silica. In addition a predicted 20dB gain with 1W of pump power is predicted by the numerical simulations for a more efficent pump scheme end the material we did.; Cette thèse rapporte les premières études exploratoires menées en vue de réaliser un amplificateur optique fonctionnant dans la bande S des télécommunications (autour de 1470 nm) dans une fibre en silice dopée au thulium dans le but d'augmenter la bande passante utilisable par le procédé de multiplexage en longueur d'onde (WDM) des réseaux optiques en silice standard. Pour permettre d'amplifier un signal optique à l'aide des ions de thulium dans une fibre composé d'un verre à haute énergie de phonon comme la silice, nous avons adapté les processus de fabrication des préforme par MCVD de manière à modifier de moins de 10% mol la composition du cœur de silice de la fibre. Ainsi, l'apport d'Al2O3 permet, en modifiant l'environnement des terres rares, de réduire les désexcitations non radiatives entre les niveaux 3H4 et 3H5 des ions de thulium. Le temps de vie du niveau 3H4 est ainsi multiplié par 3, de 14us pour la silice pure à 50us pour 8,7 %mol d'al2O3. L'efficacité quantique passe alors de 2% à plus de 8%. Grâce à cette amélioration du matériau et à l'optimisation des paramètres optogéométriques de la fibre optique à l'aide d'un modèle numérique, nous avons pu mesurer l'amplification en bande S d'un signal lumineux sur un échantillon majoritairement composé de silice fabriqué au laboratoire. Ce gain, de plus de 1dB pour 1400mW de puissance de pompe optique, est un résultat de premier ordre pour ce type de dispositif, validant l'approche de la modification de l'environnement du thulium dans la silice. De plus les simulations numériques prédisent un gain supérieur à 20 dB pour 1W de puissance de pompe pour le matériau élaboré, avec un schéma de pompage plus efficace.

Nous étudions le spectre, la durée de vie et le rendement de la fluorescence spontanée d'une fibre en verre fluoré dopé au néodyme. Une étude théorique de l'amplification optique et de la fluorescence spontanée dans une fibre multimode est développée de manière à relier la section efficace d'amplification stimulée, σ, aux données expérimentales. Nous suggérons d'utiliser ce résultat pour caractériser les fibres dopées aux terres rares. Pour une fibre en verre fluoré dopé au néodyme, nous obtenons σ = 4,99 × 10-20 cm2 à la longueur d'onde 1,048 μm de la bande principale de fluorescence.

Une onde optique de forte intensite se propageant dans une fibre optique unimodale, peut generer un grand nombre d'effets non lineaires. Cet article analyse l'amplification optique directe fondee sur le developpement de l'effet Raman stimule, avec la perspective d'emploi dans les systemes de communication par fibres optiques. Par ailleurs, la generation de nouvelles frequences par melange de frequences optiques dans les fibres est presentee. Les applications potentielles liees a ces effets non lineaires sont egalement mentionnees.