MAJEURE PHOTONIQUE

MINEURES (< PHOTONIQUE)
version : 17 mai 2010
RÉSEAUX (VIDÉO, VOIX, DONNÉES)
18h C / 6h BE / 1EE/ XX crédits ECTS / XX
Joanna Tomasik (6hC), Alain Helstroffer (3hC, 3hBE), Paul Wanner (3hC, 3hBE), Emmanuel Helbert (6hC)
Ce cours permettra aux étudiants d’acquérir les notions fondamentales des réseaux sous leurs différentes formes
et applications (voix, vidéo, données). La matière enseignée et les applications envisagées seront utiles pour tout
étudiant désireux de poursuivre une carrière dans le domaine du multimédia et des télécommunications
(notamment optiques).
1. Réseaux de données. Ce cours permettra aux étudiants d’acquérir les notions fondamentales des algorithmes
utilisés dans les réseaux (routage, politique d’accès). Les sujets étudiés seront ensuite appliqués aux problèmes
de qualités de service. La matière enseignée est utile pour le dimensionnement et l’évaluation de performances
des réseaux de télécommunication
2. Réseaux HFC (Hybrid Fiber Coax). Les réseaux HFC sont déployés depuis plusieurs décennies.
Originellement dédiés à la distribution de programmes TV sur câbles coaxiaux, ils se sont développés et
améliorés pour s’adapter à la demande croissante de nouveaux services (interactivité, VOD, VoIP, Internet). Le
cours permettra aux élèves de se familiariser avec la structure particulière de ces réseaux (fibre optique +
câbles coaxiaux), d’en connaître les composants, la conception et l’évolution.
3. Réseaux mobiles. Ce cours permettra aux étudiants d’acquérir les notions fondamentales en réseau mobile de
télécommunication. La matière enseignée est utile pour appréhender l’environnement télécom et sa composante
mobile. Ce cours permettra d’acquérir une vision de l’application de technologies fondamentales étudiées par
ailleurs pour la mise en place de réseaux mobiles à très haut débit.
4. Convergence des réseaux. Ce cours permettra d’appréhender la notion de convergence dans un contexte
d’applications multimédias. La première partie est une introduction aux technologies mises en œuvre dans les
applications ToIP (Telephony over IP). La seconde présente la problématique du déploiement de ces
applications dans un contexte de réseau convergé (fixe-mobile).
Partie 1 – Joanna Tomasik (Réseaux de données)
Théorie de files d’attente
Lois principales d’évaluation de performances, méthodes d’approximation, méthode de valeurs moyennes, MVA
(Mean Value Analysis). Lois de distribution « sans mémoire » (de Poisson, géométrique) et leurs généralisations
(Erlang, Cox). Analyse du système M/M/1 et des mesures de performance.
Problématique QoS
Classes de service, paradigmes IntServ,/DiffServ, politiques d’accès à un réseau (WRR, QRR, FQ, RED, token
bucket), lissage te trafic. Allocation de ressources. Services de réseaux (cloud computing).
Principes de routage
Commutation de paquets et commutation de circuits. Réseaux à circuits virtuels, label switching (MPLS).
Spécificité du routage inter-domaine (BGP).
Partie 2 – Alain Helstroffer (Réseau HFC)
Structure d’un réseau HFC
- Structure optique, coaxiale, types de signaux transmis
Les composants utilisés
- Emetteurs, récepteurs, amplificateurs optiques, composants passifs
- Amplificateurs RF, composants passifs
Conception
- Bruit, intermodulation

- Voie directe
- Voie retour
Evolution
Partie 3 – Paul Wanner (Réseau mobile)
Partie Cours : 3h
1. Introduction aux communications mobile 45’
2. GSM 45’
3. UMTS 45’
4. LTE 45’
Partie BE : 3 h
Sur la base de thématiques choisie dans l’actualité télécom mobile, approfondissement par groupe de 5 étudiants
du sujet choisi durant la séquence BE, élaboration d’une présentation PowerPoint de 30’ en travail de groupe
hors cours, synthétisant le domaine d’étude et présentée en plénière lors de l’examen oral
Partie 4 – Emmanuel Helbert (Convergence des réseaux)
I) Première partie : Introduction à la ToIP (2H)
- Généralités, protocoles
- Protocole SIP
- Codage de la voix
- Qualité de Service
- VoIP et mobilité
II) Deuxième partie : Convergence et mobilité dans les réseaux (4H)
- Convergence des applications : Un exemple d’application de « Communication Unifiée »
- Convergence des réseaux : Des réseaux à commutation de circuits aux réseaux à commutation de paquets.
QoS.
- Convergence des réseaux mobiles : Femtocell, UMA, IMS
- Convergence des accès : Mobilité et contraintes
Bibliographie :
L. Kleinrock, “Queueing Systems”, --Volume 1: Theory, Wiley, New York, 1975, ISBN: 978-0471491101
P. Van Mieghem, “Performance Analysis of Communications Networks and Systems”, Cambridge University Press, 2009, ISBN: 978-
0521108737
Xavier Lagrange, Philippe Godlewski et Sami Tabbane, “Réseaux GSM”, éd. Hermes, 2000, ISBN: 978-2746201538
Javier Sanchez, Mamadou Thioune, “UMTS” 3ème édition, Wiley, 2007, ISBN : 978-1905209712
Pierre Lescuyer, Lucidarme Thierry, “Evolved Packet System (EPS) : the LTE and SAE evolution of 3G UMTS”, Wiley, 2008, ISBN: 978-
0470059760
APPROCHE MULTIDISCIPLINAIRE DES SYSTEMES NON-LINEAIRES
18h C / 6h BE / 1EE/ XX crédits ECTS / XX
Marc Sciamanna (9hC, 6hBE), Thomas Erneux (9hC)
Réseaux de neurones, oscillateurs électroniques, réactions chimiques, vibrations d’un pont, émission laser sont
autant d’exemples de systèmes où les variables interagissent de façon non-linéaire. La non linéarité de ces
systèmes est à l’origine d’une grande richesse de leur comportement dynamique et permet l’observation de
phénomènes nouveaux qui intéressent le scientifique et l’ingénieur. Ce cours donne à l’étudiant les éléments de
base, illustrés par des cas concrets de travaux de recherche, pour comprendre des phénomènes non-linéaires et
développer des outils pour les étudier.
Chapitre 1 : De l’importance d’être non linéaire : applications en physique, chimie, biologie, mécanique, etc.
(1.5h)
Chapitre 2 : Eléments fondamentaux de la théorie des systèmes non-linéaires (4.5h)
- oscillateurs linéaires et non-linéaires
- points fixes, cycles limites, quasi périodicité
- bifurcations et diagramme de bifurcations
- chaos

Chapitre 3 : Synchronisation d’oscillateurs non-linéaires et comportements collectifs (3h)
- définition de la synchronisation
- exemples de synchronisation en biologie et physique
- modèles simples
Chapitre 4 : Mathématiques appliquées à la résolution des équations dynamiques : approche
asymptotique (4.5h)
- Construction de solutions asymptotiques
- Systèmes lents/rapides
- La méthode des échelles multiples
- La méthode des développements composites
- Applications: combustion (explosion thermique et flammes), biologie (excitabilité et pulses solitaires de
conduction), optique (oscillations de relaxation du laser)
Chapitre 5 : Systèmes non-linéaires à retard (4.5h)
- Applications: systèmes familiers, dans l'industrie, en biologie, etc.
- Equations à retard
- Phénomènes typiques
- Stabilisation par un feedback retardé
- Approches asymptotiques (grand retard, feedback fort, échelles multiples). Illustration avec les oscillateurs
optoélectroniques
BE1 - BE2 : simulation numérique d’un système dynamique non-linéaire (6h)
Bibliographie :
S. H. Strogatz, « Nonlinear Dynamics and Chaos : with Applications in Physics, Biology, Chemistry, and Engineering », Westview Press
(2001), ISBN 978-0738204536
A. Pikovsky, M. Rosenblum, J. Kurths, « Synchronization: a Universal Concept in Nonlinear Sciences», Cambridge University Press, 2003,
ISBN 978-0521533522
Th. Erneux, « Applied Delay Differential Equations », Springer (2009), ISBN: 978-0387743714
COMMUNICATION NUMERIQUE : RECEPTION
18C / 6h BE / 1EE/ XX crédits ECTS / XX
Jean-Louis Gutzwiller
Ce cours a pour objectif de faire découvrir les problématiques liées à la réception d'un signal numérique dans
un environnement plus réaliste que la chaîne de transmission idéale vue en deuxième année. Dans ces
environnements plus réalistes, le canal de transmission induit des déformations du signal qui donnent lieu à
apparition d'interférences entre symboles. Le récepteur optimal devra alors appliquer des techniques
spécifiques, en particulier lorsque les caractéristiques du canal sont inconnues ou varient au cours du temps.
Ce cours est donné sous forme d'exercices de simulation abordant les différents thèmes du programme ci-
dessous.
Structure du récepteur
Récepteur optimal à corrélation, à filtre adapté. Récepteur à maximum de vraisemblance. Cas des signaux à
formant, récepteur à filtre adapté, récepteur à filtre adapté blanchissant.
Algorithme de Viterbi. Performances du récepteur à maximum de vraisemblance.
Récepteurs sous-optimaux : récepteur linéaire minimisant l'erreur quadratique moyenne avec ou sans élimination
de l'IES (ZF, MMSE), récepteur non-linéaire récursif (DFE), récepteurs à sur-échantillonnage.
Égalisation
Égaliseurs linéaire et non-linéaire récursif à dispositif de décision inséré dans la boucle (ZF.LE, MMSE.LE,
DFE). Critère de l'erreur quadratique moyenne minimale, équation de Wiener-Hopf. Égaliseur à maximum de
vraisemblance avec estimation du canal et algorithme de Viterbi tronqué (DFSE). Égaliseurs adaptatifs en phase
d'apprentissage : algorithmes du gradient et des moindres carrés. Égaliseurs adaptatifs en phase de poursuite.
Comparaison des différentes structures et algorithmes en termes de performance et de complexité. Critères de
choix en fonction du canal de transmission, de la séquence d'apprentissage et de la modulation.
Synchronisation
Approche globale de la synchronisation. Boucles à verrouillage de phase analogiques et numériques.
Récupération du rythme. Récupération de la porteuse. Oscillateurs locaux

Bibliographie :
J.G. PROAKIS, “Digital Communications”, Mac Graw Hill, 2001, ISBN 0-07-118183-0
J-C BIC, D DUPONTEIL, J-C IMBEAUX, ”Éléments de communications numériques”, Dunod, collection CNET-ENST, 1986, tome 1 : ISBN
2-04-016405-7, tome 2 : ISBN 2-04-016409-X.
F.M. GARDNER, “Phaselock techniques”, J. Wiley, 1979, ISBN 0-471-04294-3
VERS DES RADIO-COMMUNICATIONS INTELLIGENTES
24hC / 0h BE / 1EE/ XX crédits ECTS / XX
Jacques Palicot (12hC), Yves Louet (12hC)
Les radio-communications actuelles utilisent des principes de fonctionnement très élaborés afin de toujours
pouvoir transmettre un maximum d’information dans des conditions de propagation de plus en plus sévères.
L’explosion des standards de télécommunications en est l’illustration, de la téléphonie mobile aux réseaux hauts
débits en passant par la diffusion numérique. Cette révolution technologique a commencé en 1948 grâce aux
travaux de C. Shannon qui posa les bases de la Théorie de l’Information, alimentée ensuite depuis 60 ans par
des techniques de plus en plus performantes. Mais depuis peu se dessine une nouvelle révolution, initiée par Joe
Mitola en 1995. Il s’agit de la Radio Intelligente qui a pour but de rendre les radio-communications plus
autonomes en modifiant leurs paramètres d’émission grâce à une interaction permanente avec l’environnement.
C’est alors toute la chaîne de traitement de l’information qu’il faut repenser. Cette mineure abordera dans une
première partie les fondements des communications numériques actuelles : les bases des modulations et du
codage, les contraintes liées au canal de propagation, les standards actuels de télécommunications, la
réalisation des émetteurs et des récepteurs. La deuxième partie de cette mineure abordera le concept de la radio
intelligente en présentant celui de la radio logicielle. Le dernier volet sera consacré à la radio verte, concept
très en vogue aujourd’hui qui a pour but de réduire la consommation des équipements de télécommunications.
Le programme de cette mineure est le suivant :
Partie 1 : Les communications numériques classiques (6h.)
Principes de base des modulations numériques et du codage de canal
Partie 2 : Les systèmes de radio-communications (6h.)
Les radio communications, les canaux de propagation et les standards
Partie 3 : Structure émetteur/récepteur (6h.)
Les convertisseurs, la synchronisation, l’égalisation, l’amplification de puissance
Partie 4 : La radio intelligente (6h.)
La radio logicielle, la radio intelligente, la radio verte
Bibliography :
J. Proakis, “Digital Communications”, McGrawHill (2000), ISBN: 978-0072321111
J. Palicot, “De la Radio Logicielle à la Radio Intelligente”, Hermes (2010), to appear
METHODES NUMERIQUES POUR LA PHYSIQUE
3h C / 21h BE / 1EE/ XX crédits ECTS / XX
Marc Sciamanna (1.5hC, 3hBE), Delphine Wolfersberger (1.5hC, 3hBE), Joël Jacquet (9hBE), Frédéric Genty
(9hBE)
Les méthodes numériques sont des compléments indispensables pour tout ingénieur travaillant à la modélisation
et simulation de systèmes complexes. La physique est un des domaines où ces méthodes sont le plus utilisées,
parce que regroupant la plus grande complexité de modèles (équations intégro-différentielles, aux dérivées
partielles, bruit, nonlinéarité, délai). Ce cours permettra aux étudiants d’acquérir les notions fondamentales
pour l’application de ces méthodes numériques. Les méthodes étudiées seront ensuite appliquées à des systèmes
physiques complexes : les composants et guides d’onde optiques. La pédagogie utilisée est centrée sur les
applications, donc sous forme de bureaux d’études.
Partie 1 – Marc Sciamanna (intégration numérique d’équations dynamiques et application à la simulation
d’un système laser)

Cours (1h30) : complexité des modèles dynamiques, méthodes d’intégration numérique à pas fixe et à pas
variable, analyse de stabilité asymptotique
BE (3h00) : écriture d’un programme d’intégration numérique sous Matlab et application à l’analyse de stabilité
dynamique d’un système laser.
Partie 2 – Delphine Wolfersberger (simulation d’équations aux dérivées partielles et application à la
propagation nonlinéaire de la lumière)
Cours (1h30) : étude de la propagation d’un faisceau laser dans un matériau non linéaire : méthodes numériques
- de résolution d’équations aux dérivées partielles non linéaires – de simulation de propagation de la lumière (
type BPM - Beam Propagation Method)
BE (3h00) : écriture d’un programme de simulation d’équations aux dérivées partielles et application à la
propagation de la lumière dans un matériau photoréfractif
Partie 3 – Joël Jacquet (outils de design de composants opto-électroniques)
BE 1 : Optique intégrée (3h00) : Calcul des caractéristiques d’un guide en optique intégrée. Indice effectif,
facteur de confinement, taille du mode, guide monomode, guide multimode, fréquence ou largeur de coupure,
divergence, Polarisation du mode TE ou TM, méthode de l’indice effectif, sensibilité à la polarisation, couplage
entre guide, pertes de couplages. Application au couplage à une fibre. Logiciel utilisé : InDeff.
BE 2 : Réflecteur de Bragg (3h00) : Théorie des modes couplés, méthodes des matrices de transfert. Application
à la modélisation de miroirs de Bragg. Réflectivités, stop band, effet de la dispersion. Application au filtre en
transmission. Application à la compensation de dispersion.
BE 3 : Modélisation des caractéristiques de lasers par Excel (3h00). Maitrise d’excel pour des calculs y compris
complexes. Maitrise d’excel pour la création, et modification de graphes de différentes natures. Application au
calcul de caractéristiques de laser : courant de seuil, puissance, fréquence de résonance, bande passante, …
Application aux lasers DFB standards, aux lasers de puissance, au laser VCSEL, aux amplificateurs optiques.
Partie 4 – Frédéric Genty (méthode aux éléments finis pour la simulation de composants photoniques)
Cette série de 2 BE propose de découvrir et utiliser les fonctionnalités du logiciel SILVACO pour simuler le
design, la fabrication et le fonctionnement de composants électroniques et/ou photoniques. SILVACO est un
logiciel de simulation numérique par éléments finis qui comprend plusieurs modules permettant notamment de
vérifier s’il est possible ou non de fabriquer un composant avec un design donné (ATHENA) puis de simuler les
propriétés électriques (et thermiques) de ce composant en fonction de son design (ATLAS)
BE 1 : Design et fabrication d’un composant (3h) : Définition d’un design de composant à base de semi-
conducteurs en fonction d’un cahier des charges prédéfinis (dimensions, dopage, énergie de gap des matériaux
utilisés, contacts, …) puis simulation de sa fabrication en utilisant les techniques appropriés (épitaxie, dépôt,
implantation, diffusion, oxydation, etc…). Il sera notamment possible de se rendre compte qu’il est nécessaire
d’utiliser un processus de fabrication très précis pour obtenir certains designs. Logiciel utilisé : SILVACO,
module ATHENA
BE 2 : Propriétés électro-thermo-optiques d’un composant (3h) : Le fonctionnement du ou des composants
obtenus lors de la séance BE1 seront testés en utilisant les différents modèles disponibles dans le module
ATLAS de SILVACO. On pourra notamment illustrer les effets du maillage sur la modélisation ainsi que ceux
de la prise en compte ou non des recombinaisons non-radiatives ou de certains modèles de transport. Logiciel
utilisé : SILVACO, module ATLAS
Bibliographie :
T. E. Sale, “Vertical Cavity Surface Emitting Lasers”, Research Studies Press Inc.,1995.
K. Petermann, “Laser diode modulation and noise”, Kluwer Academic Publishers, 1988.
Cathey, “Optical information processing and holography”, John Wiley & sons, 1974, ISBN 0-471-14078-3