Technologies avancées pour les communications

Professeur :Badr-Eddine Benkelfat, Catherine Lepers (depuis le 1/1/2009), Nel Samama (depuis le 1/1/2011) ; Maitres de conférence : Qin Zou (HDR), Yann Frignac (depuis le 1/1/2011), Yaneck Gottesman, Alexandre Vervish-Picois (depuis le 1/1/2013) ;

– Réseaux d’accès optiques passifs PON-OCDMA

Les opérateurs investissent massivement dans les réseaux d’accès pour amener la fibre optique toujours plus près des utilisateurs finaux. Dans ces nouveaux réseaux d’accès, il est nécessaire d’optimiser les technologies d’accès et de partage de ressources et de gérer la diversité des ressources et la qualité de service inhérente aux différentes applications supportées. L’objet de la technologie d’accès CDMA (Code Division Multiple Access) consiste à affecter à chaque utilisateur d’un réseau un code d’étalement propriétaire (ou signature) qui permet de l’identifier. Dans ce cas, les différents utilisateurs se partagent un même canal de transmission sans gestion de temps ni de fréquence. Le transfert de cette technique d’étalement de spectre bien connue dans le domaine radio-fréquence aux réseaux d’accès optiques à haut débit présente plusieurs avantages en termes de flexibilité, d’efficacité spectrale et de sécurisation.

Dans ce contexte, R3S a considéré deux architectures de réseaux PON-OCDMA. La première est une archi-tecture système hybride WDM/OCDMA à encodage temporel dans laquelle nous avons découpé le spectre d’une source large bande, afin de multiplier le nombre d’utilisateurs multiplexés OCDMA par le nombre de canaux WDM générés [988]. La seconde est une architecture système OCDMA à encodage spectral en phase qui a permis d’implémenter des codes bipolaires. Pour se prémunir des interférences d’accès multiple (MAI : Multiple Access Interference) rencontrées dans ces systèmes PON-OCDMA, R3S a proposé un récepteur OCDMA intégrant un module de remise en forme non linéaire des impulsions reçues [763].

De plus, R3S a étudié de nouveaux concepts pour l’accès optique. Dans la perspective où des réseaux d’accès

optiques basés sur la technologie WDM seront peut-être installés très prochainement, il a également semblé opportun de réfléchir à des architectures de réseaux locaux (ou privés) optiques transparents et multiservices chez l’abonné reposant sur la technologie WDM et/ou celle plus prospective du CDMA optique [764].

Ces travaux s’inscrivent dans le projet ANR SUPERCODE.

– Augmentation de la capacité de transmission sur fibre optique

Deux axes de recherche ont été investigués pour augmenter la capacité de transmission sur fibre optique.

Le premier s’intéresse au multiplexage de signaux sur deux états de polarisation orthogonaux de la lumière guidée dans la fibre. Ce type de multiplexage apporte un facteur deux sur le débit total de transmission, néanmoins des effets non-linéaires entre états de polarisation lors de la propagation dans la fibre limite la portée des transmissions multiplexées en polarisation. R3S a axé ses travaux sur les effets non-linéaires d’interaction entre les signaux sur différents états de polarisation et portés éventuellement par différentes sources de lumière à longueurs d’onde centrales différentes. Elle a intégré la génération et la réception des signaux à multiplexage de polarisation dans les codes des outils numériques de simulation et a quantifié les variances de la performance des signaux selon les conditions de multiplexage ainsi que l’influence des effets de dispersion du mode de polarisation et de gestion de dispersion chromatique sur ces variabilités. En outre, elle a indiqué les meilleures configurations de multiplexages et analysé l’intérêt de formats de modulation du type i-RZ PDM-QPSK (interleave Return to Zero-Polarization Division Multiplexed-Quadrature Phase Shift Keying) et PS-QPSK (Polarization-Switched QPSK) [881]. Pour ces formats, elle a également adapté les blocs de traitement du signal après détection cohérente, notamment pour l’estimation de la phase moyenne des signaux [865].

Le second axe de recherche porte sur la propagation multimode dans les fibres. R3S a adapté dans un outil de simulation le coeur du modèle de propagation utilisé pour les transmissions monomodes aux transmissions multimodes. De la sorte, elle a pu procéder à une simulation en parallèle, prenant en compte des paramètres spécifiques à chaque mode puis des possibilité de couplages ponctuels répartis durant la propagation et pour lesquels les signaux subissent des mélanges linéaires ou non linéaires. Cet outil a permis de faire une analyse préliminaire des principaux effets de la propagation multimodale à N modes sur des transmissions longues distances [951], en considérant le traitement des signaux par MIMO 2Nx2N ou par sous-groupe de mode. Une étude du multiplexage et démultiplexage de mode a été conduite en partenariat avec Alcatel-Lucent suivie d’une étude du couplage de mode lors de connexions entre fibre à faible nombre de modes. Les résultats indiquent que, sans traitement MIMO en fin de liaison, le signal est très dégradé par cross-talk entre mode si la différence de vitesse de groupe des modes est faible. Sous cette condition, l’écart de phase des ondes sur les deux modes a un rôle dans l’ampleur de la dégradation des signaux. Dans le cas où les modes ont une différence de vitesse de groupe importante, un lissage des couplages entre les données a lieu par glissement important des signaux QPSK entre les deux modes. Les états des constellations sur l’un ou l’autre des modes sont par conséquent moins entachés d’un bruit d’interférence de données.

Ces travaux s’inscrivent dans les projets ANR STRADE, ANR ULTRAWIDE et FUI 100GRIA.

– Elaboration de fonctions de traitement tout-optique du signal

R3S a mis au point une architecture optique originale, basée sur l’empilement de blocs d’éléments biréfringents, permettant la réalisation de fonctions de filtrage dynamique (bande-passante, mode de résonnance) à très fort contraste et d’égalisation de canaux. Les résultats obtenus, qui se situent au niveau de l’état de l’art, sont marquants sur deux points :

– la conformité des caractéristiques des filtres à ondes polarisées aux normes de la grille ITU (International Telecommunication Union) en termes de bande-passante et d’espacement entre canaux [744, 779] ;

– le contraste de la fonction de filtrage basée sur les interférences en ondes polarisées [759, 1045].

Une étude système a permis de quantifier l’impact du filtre sur un canal de transmission à 112 Gb/s utilisant le format de modulation PDM-QPSK. Celle-ci a montré les limitations de la solution proposée lors de la cascadabilité des ROADM (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer). Afin de lever ce verrou, lié au gabarit de la fonction de filtrage, des approches de synthèse des filtres ont été proposées.

Ces travaux s’inscrivent dans le projet CARRIOCAS du pôle System@tic.

– Développement de méthodes d’analyse des composants photoniques ou de lecture de biocap-teurs

Ces travaux visent à analyser les composants photoniques dans les différentes étapes de leur élaboration, afin d’identifier leurs limitations ou encore de fournir de nouveaux outils d’observations de processus bio-chimiques (les capteurs biophotoniques). Ils nécessitent de comprendre les phénomènes physiques exploités pour générer la fonctionnalité désirée au sein de composants dont la taille micrométrique ou nanométrique complexifie la tâche puisque ces dimensions sont proches voire inférieures aux longueurs d’onde employées et s’accompagnent d’une sensibilité accrue à toute imperfection.

Dans ce contexte, R3S développe un ensemble de méthodes permettant d’étudier les différentes interactions que subit la lumière avec son environnement immédiat lors de sa propagation dans le composant (en régime de guidage). Ces méthodes comprennent une partie métrologique, une partie modélisation électromagnétique de la réponse impulsionnelle des composants et enfin une partie caractérisation. Plus précisément, ces méthodes s’organisent autour des techniques de mesures développées à R3S : la réflectométrie optique à faible cohérence sensible à la phase [782].

Elle permet d’enregistrer une information très riche. Elle est même théoriquement complète au sens de l’op-tique linéaire (intensité et phase vectorielle du champ électromagnél’op-tique sur l’ensemble du domaine spectrale de la source). Pour autant, la qualification de la précision de la phase reste une question ouverte en l’absence d’étalon de phase (précisément du fait que la phase n’est pas une grandeur mesurable). Nos études ont permis de mettre en évidence différentes origines du bruit de phase et de proposer une architecture simple et opti-misée [1441, 1442]. Cet instrument offre des perspectives intéressantes pour la caractérisation de composants du fait de ses performances dans le domaine temporel (dynamique 80dB, sensibilité -120dB, résolution 50 fs) et dans le domaine spectral (résolution 20pm).

R3S cherche également à proposer cette approche instrumentale comme un système de lecture des biocapteurs.

Ses travaux sur le réflectomètre lui permettent d’étendre les capacités d’observations des molécules au sein des biocapteurs en étendant le domaine spectral aux longueur d’ondes 30-100nm. R3S a commencé à mener de telles études sur deux capteurs prometteurs : les cavités en cristaux photoniques et les capteurs en anneaux. Les premières méthodes d’exploitation des signaux ont été développées [772, 781] et validées expérimentalement (sur des capteurs pour le moment sans molécule).

Un second secteur d’utilisation de ce type de mesure est également en cours. Il concerne la sécurisation des capteurs biométrique et est mené en collaboration avec l’équipe TIPIC. A travers une image tomographique 3D sous cutanée obtenue par réflectométrie, R3S cherche à détecter les tentatives d’usurpation d’identité (sur couche, doigt mort) mais aussi permettre la reconnaissance biométrique avec un unique capteur.

De plus, ces travaux ont été valorisés par un brevet et nominés au prix Fibre de l’Innovation 2013. Ils s’inscrivent dans les projets ANR DIQDOT et FUI RLDO.

– Sources lasers innovantes destinées aux futurs systèmes de télécommunications par fibres op-tiques

R3S travaille à rendre plus performantes et moins coûteuses les sources lasers à la fois pour les réseaux de transmission haut-débit, le réseau optique métropolitain ainsi que le réseau optique de distribution. Deux types de lasers sont étudiés selon les matériaux utilisés ainsi que le régime de pompage : lasers à semi-conducteurs III-V classiques et lasers guide d’onde à base de niobate de lithium dopé à l’erbium.

R3S évalue la tolérance des lasers à bâtonnets quantiques à la rétroaction optique en déterminant le seuil d’effondrement de la cohérence, c’est-à-dire le taux de retour optique à partir duquel le laser entre dans le régime d’effondrement de la cohérence, critique pour les transmissions optiques. Dans le cadre de cette étude, des mesures systématiques ont été réalisées sur des lasers Fabry-Pérot de 600 µm sur différentes structures à bâtonnets quantiques. Des tolérances supérieures aux -18 dB (limite du montage expérimental) ont été obtenues avec des structures optimisées. Il a été démontré que le seuil d’effondrement de la cohérence augmente linéairement par rapport au courant pour les lasers testés. Cette étude a de plus mis en évidence que le paramètre le plus pertinent dans la tolérance à la rétroaction optique est le gain différentiel de la structure. Il suffit alors d’extraire la valeur du gain différentiel pour pouvoir estimer la tolérance des lasers à bâtonnets quantiques. Les valeurs expérimentales du seuil d’effondrement de la cohérence ont été ensuite comparées aux valeurs théoriques. Nous obtenons alors une tolérance expérimentale supérieure de∼10 dB à celle attendue théoriquement pour l’ensemble des structures étudiées. Cette différence pourrait provenir du caractère multimodal des lasers testés (lasers Fabry-Pérot). Des mesures similaires ont été faites sur les lasers à boîtes quantiques émettant à 1,3 µm. Nous observons un comportement totalement distinct de celui des lasers à bâtonnets quantiques.

En ce qui concerne les lasers DFB à couplage par le gain, la technologie de fabrication a été optimisée afin de réduire le retrait du réseau DFB par rapport aux pieds du laser « ridge ». Pour cela, une gravure combinée (sèche/humide) a été adoptée et des structures avec une épaisseur de gaine réduite ont été utilisées. A la suite de ces optimisations, R3S a obtenu des lasers DFB avec des taux de suppression de modes (SMSR) allant jusqu’à 50 dB et avec de très faibles pénalités sur le courant de seuil (seulement ∼5-10 mA de plus qu’un laser Fabry-Pérot) malgré les pertes additionnelles dues au réseau de chrome. Il a été démontré théoriquement dans ce travail que le coefficient de couplage optimum attendu est de 17 cm^-1et que cette technologie permet d’obtenir des coefficients de couplage normalisés |κ-L| supérieurs à 1 pour des cavités d’au moins 600 µm [770, 780, 787, 818].

Concernant le développement de sources lasers en optique intégrée sur niobate de lithium (LiNbO3) dopé à l’erbium (Er), il s’agit d’une étude de faisabilité d’un laser guide d’onde à pompage optique (à 980 nm), à base de niobate de lithium dopé à l’erbium (Er :Ti :LiNbO3) pour une émission à 1,53 µm. La cavité de ce laser est constituée de deux nanostructures à bande interdite photonique couplées (un cristal photonique 2D sous forme de trous d’air cylindriques et une corrugation latérale en configuration de réseau de Bragg), en vue d’un renforcement de l’émission spontanée à cette longueur d’onde (effet Purcell). Ce type de composant trouverait son intérêt surtout pour les applications en WDM (intégration dans une même cellule de plusieurs lasers partageant la même pompe optique). Une cellule a été réalisée par usinage FIB (Focused Ion Beam) dans un guide Er :Ti :LiNbO3 de coupe X et propagation Z et a permis d’obtenir un gain optique de 8 dB grâce à une diminution (de∼14%) de la durée de vie totale du niveau⁴I_13/2des ions erbium dans le LiNbO3 (Facteur de Purcell F évalué à ∼2.6) [784, 760, 745, 769].

Ces travaux bénéficient du soutien technologique de l’Institut FEMTO-ST, UMR 6174, CNRS.

– Positionnement en intérieur et continuité de la fonction « localisation » dans tous les environ-nements

R3S a développé une approche originale dans la communauté GNSS (Global Navigation Satellite Systems, ces systèmes de navigation par satellites), basée sur la retransmission de signaux de type GNSS dans les milieux intérieurs, où les signaux issus des satellites ne sont pas disponibles car de trop faibles amplitudes.

Ces transmissions en intérieur sont réalisées par l’intermédiaire de « répélites » (contraction de « répéteurs » [927] et de « pseudolites » [928], ces derniers étant des transmetteurs de signaux de type GNSS destinés à

« enrichir »les constellations en termes de couverture ou de précision) [1332, 798].

Les travaux menés dans ce cadre général portent sur la modélisation de la propagation dans les milieux intérieurs, sur la réduction des effets liés aux trajets multiples par l’intermédiaire du développement d’un nouveau discriminateur, de l’élaboration d’une technique de transmission dédiée à la réduction de l’effet d’éblouissement nuisible dans le cas des signaux CDMA utilisés [1447, 1448], ainsi que de la conception de l’ensemble des traitements nécessaires à la détermination de la position du terminal mobile en intérieur, ce dernier point réclamant en effet quelques traitements spécifiques. Ces travaux ont fait l’objet de simulations [750] et d’expérimentations [882, 948]. En particulier, il a été démontré que le positionnement relatif d’un mobile donne une précision de quelques dizaines de centimètres.

R3S a également mené des travaux [949] sur des codes plus efficaces que les codes GPS dédiés (PRN 33 à 36), l’idée étant de réduire les interférences avec le milieu extérieur et les signaux reçus directement des satellites. Ceci a deux objectifs : réduire bien sûr ces interférences, mais également permettre d’augmenter la puissance autorisée de transmission afin, par la suite, d’augmenter la portée des émetteurs intérieur et ainsi de réduire la complexité de l’infrastructure. Des résultats très intéressants ont été obtenus avec de nouveaux codes, appelés IMBOC pour Indoor Modified BOC (Binary offset carrier), permettant une amélioration de près de 20dB en puissance d’émission.

Ces travaux ont été valorisés par deux brevets et s’inscrivent dans un partenariat avec le CEA.

4.4 Collaborations, transfert et rayonnement

Les thèmes de recherche de l’équipe R3S couvrent l’ensemble du domaine réseau : les technologies sans fil et mobiles, les réseaux très haut débit optiques, la sécurité des réseaux et des systèmes, les réseaux et services virtuels et les services de localisation. Elle est ainsi en mesure d’étudier et concevoir l’essentiel des mécanismes, protocoles (accès au medium, handover, routage), systèmes, et architectures de réseaux et de services. Ses collaborations scientifiques avec les équipes METHODES (13 publications en commun), ACMES (1 publication commune) et TIPIC (1 publication commune), lui permettent de répondre avec pertinence et efficacité aux nouveaux défis scientifiques des réseaux au sens large.

Soutenue par l’Institut Mines-Télécom et le CNRS dans ses activités de recherche et d’innovations, l’équipe R3S conduit de nombreuses collaborations nationales et internationales qui lui permettent de produire des résultats scientifiques reconnus par la communauté scientifique, d’innover et participer au développement économique du pays, de maintenir ses connaissances scientifiques et techniques à la pointe garant d’un enseignement de qualité, et de participer au rayonnement scientifique du laboratoire.

4.4.1 Collaborations nationales

L’équipe collabore au niveau national avec des laboratoires de recherche académiques, des laboratoires publics ou privés de recherche et des industriels. Elle travaille régulièrement avec le LIP6, le CEA, le CNAM, l’INRIA, le LPN, l’Institut FEMTO-ST, l’Université de Rennes, et les autres écoles de l’Institut Mines-Télécom. Parmi ses industriels partenaires, elle compte de grands groupes comme Orange Labs, Cassidian Cybersécurité, Thalès, Alcatel Lucent Bell Labs, Technicolor, Draka Prysmian Group, et Legrand, mais aussi des PMEs (Ifotec, IDIL Fibres optiques), des entreprises de taille intermédiaire (UbiStorage, Radiall) et des startups (Traxens, 6cure).

Ces collaborations s’inscrivent dans des projets de recherche nationaux soutenus financièrement par l’ANR, à savoir : SEAMLESS, RESCUEIT, MobiSEND, 3MING, SARAH, DIQDOT, COHDEC, STRADE, et ULTRA-WIDE.

Elles s’inscrivent également dans les pôles de compétitivité. Citons le projet CompatibleOne du pôle DGCIS et plusieurs projets du pôle system@tic : FC², ODISEA, Wonderville, RLDO, QoS-WiFi, CARRIOCAS, 100GRIA, Exoticus, E compagnon et Smartmesh.

L’équipe bénéficie de dispositifs complémentaires en soutien à ses recherches collaboratives, à savoir : Grand Emprunt pour les projets XLCloud et FIT, Région IDF pour le projet Marguerite et ASTRE pour le projet

"Plateforme RadiO sur Fibre multistandard", et ADEME pour le projet VELCRI (Véhicule Electrique à Charge Rapide Intégrée). Enfin, elle travaille de façon plus étroite avec certains industriels ou laboratoires au travers d’un laboratoire commun avec Cassidian Cybersécurité, de contrats de recherche bilatéraux, de cession de licence ou de bourses CIFRE (Orange Labs, Alcatel Lucent Bell Labs, ANSSI et CEA).

4.4.2 Collaborations internationales

L’équipe a développé un réseau de chercheurs à l’international qui lui a permis de monter des projets collaboratifs ou des partenariats bilatéraux. Elle entretient des relations privilégiées avec SupCom en Tunisie, NTHU à Taiwan, le NTU à Singapour, KAIST en Corée du sud, l’ETRI en Corée du sud, l’HUFS de Corée du sud, le NIST aux USA, l’Université de l’Iowa aux USA, le laboratoire CONACYT CICESE au MExique, Telecom Italia, University College en Irlande, et l’Université de Bejaia en Algérie. Cette activité scientifique internationale est attestée par les 20 publications de revues classées cosignées avec au moins un partenaire international.

L’équipe collabore avec des équipes internationales dans plusieurs projets européens ICT du FP7 : SAIL, MASSIF, DEMONS, eCousin, 4WARD, Mobesens, VIS-SENSE, PANOPTESEC et NECOMA. Elle est aussi partie prenante dans les projets ITEA2 EASI-CLOUDS, SEAS, PREDYKOT, ADAX, WoO, TWIRL, ICARE, SITAC, DiYSE et CAM4Home et les projets Celtic SASER, SERVERY et ITN- PROPHET. Notons qu’au sein de ces projets européens, l’équipe prend aussi des responsabilités en assurant la coordination des projets FP7 NECOMA, FP7 PANOPTESEC, Celtic SERVERY et ITEA2 DIYSE.

Les échanges scientifiques avec l’Asie se sont renforcés ces dernières années grâce au soutien du ministère des Affaires Etrangères, du CNRS et de l’Institut Mines-Télécom. Le 1^er laboratoire commun entre l’Institut Mines-Télécom et la Corée du Sud a été créé en 2013 sous le nom "International Laboratory on Future Media and Services"

(ILLUMINE). Il est codirigé par N. Crespi et I. Chong (HUFS), et réunit les forces de recherche des instituts sud

coréens KAIST, ETRI et HUFS sur le thème des médias et services du futur. Par ailleurs, le Master of Science

"Communications Networks and Services" a été monté en partenariat avec l’Asian Institute of Technology (AIT) de Bankok. De plus, le projet FP7 NECOMA est issu d’un appel coordonné Europe-Japon et réunit 5 partenaires Européens (France, Espagne, Pologne, Grèce) et 5 partenaires japonais (NAIST, NII, IIJ, UT, KEIO) pour des travaux communs sur la cybersécurité. Le programme Xu Guangqi a permis d’entamer une collaboration avec l’Université Tsinghua en Chine. La bourse d’échange Merlion (2010-2012) renforcée par la bourse d’échange PICS du CNRS (2013-2016) permettent à l’équipe de collaborer étroitement avec le NTU de Singapour. Enfin le projet STIC ASIE VANET (2010-) a permis de coopérer autour des réseaux véhiculaires avec l’Université de Jinnah au Pakistan et l’Université de Technologie Petronas en Malaisie.

L’équipe contribue aussi activement au groupe européen "Hermes Partnership" de réflexion et prospective

L’équipe contribue aussi activement au groupe européen "Hermes Partnership" de réflexion et prospective