[pt] Este trabalho apresenta em sua etapa inicial os conceitos básicos de polarização da luz descritos através da Esfera de Poincaré, Vetores de Jones, Parâmetros de Stokes, Matrizes de Mueller e Fórmula da Rotação de Rodrigues. Em seguida, as diversas técnicas utilizadas para as transformações dos SOPs (States of Polarization) são introduzidas. A partir destas etapas, é apresentada a seleção, o desenvolvimento e a realização prática de um sistema capaz de ativar o controle de polarização de sinais ópticos em uma fibra monomodo. Um segundo sistema capaz de controlar sinais ópticos multiplexados em frequencia é também realizado e apresentado. Ambos os sistemas são ativados através de uma ferramenta computacional dedicada baseada na linguagem de programação gráfica LabVIEW. / [en] This work presents initially a set of light polarization concepts using the Poincaré Sphere, Jone’s Vectors, Stoke’s Parameters, Mueller Matrices, Rodrigues’ Rotation Formula, and several SOPs (States of Polarization) transformations. Through these concepts and after a careful components selection, a SOP control system in monomode optical fiber is realized and presented. A second system able to implement the SOP control when multiplexed optical signals are employed is also realized and described. A dedicated computer tool using the software LabVIEW is developed to both systems.

Le sujet de cette thèse porte sur les phénomènes d’auto-organisations d’ondes optiques non-linéaires. Ce travail principalement théorique et numérique repose sur différents formalismes de turbulenced’ondes, les singularités Hamiltoniennes et diverses expériences.Une première partie de la thèse porte sur les processus irréversibles de thermalisation et de conden-sation d’ondes. Le phénomène de condensation se caractérise par la formation d’une structure cohérenteà grande échelle (condensat) qui reste immergée dans une mer de fluctuations aux petites échelles (parti-cules non condensées). En dépit des longueurs de propagation rédhibitoires pour atteindre l’état d’équilibrecondensé, nous avons mis en évidence expérimentalement et théoriquement un phénomène de pré-condensation qui a lieu loin de l’équilibre etqui joue un rôle précurseur pour l’état d’équilibre asymptotique. Par ailleurs, sur la base d’observations ex-périmentales récentes du phénomène de nettoyage de faisceau dans une fibre optique multimode, nousavons développé une approche cinétique de turbulence d’ondes prenant en compte le désordre structu-rel du matériau. La théorie révèle que le désordre entraîne une accélération significative du processus decondensation permettant d’expliquer l’effet de nettoyage de faisceau. Les expériences effectuées reportentl’observation d’une transition de la distribution thermique vers la condensation, avec une fraction macro-scopique de puissance condensée dans le mode fondamental. Nous avons aussi étudié l’impact d’une ré-ponse fortement non-locale (ou non-instantanée) sur la propagation d’un speckle, ce qui a permis d’iden-tifier un mécanisme d’émergence spontanée de cohérence de phase à longue portée.Une seconde partie des travaux est centrée sur le phénomène d’attraction de polarisation lors de l’in-jection d’ondes incohérentes aux deux extrémités d’une fibre optique. La dynamique spatio-temporelle desondes partiellement polarisées contra-propagatives relaxe vers un état stationnaire où se produit un phé-nomène d’auto-polarisation survenant au point milieu de la fibre. Ce phénomène est lié à la présence desingularités dans le système Hamiltonien associé à l’état stationnaire. / The subject of this thesis concerns the study of phenomena of self-organization of incoherentoptical waves. This work is essentially theoretical and numerical and relies on different formalisms of waveturbulence theory, the Hamiltonian singularities, and different experiments.The first part of the thesis deals with the irreversible processes of thermalization and condensation ofincoherent waves. The phenomenon of condensation is characterized by the formation of a large scale co-herent structure (condensate) that remains immersed in a sea of small scale fluctuations (uncondensedparticules). In spite of the large propagation lengths required to reach the condensed equilibrium state, wehave identified theoretically and experimentally in atomic vapors a phenomenon of pre-condensation thatoccurs far from thermal equilibrium and that plays the role of a precursor for the asymptotic equilibriumstate. On the other hand, on the basis of recent experimental observations of the effect of beam self-cleaningin multimode optical fibers, we have developed a kinetic wave turbulence approach that accounts for theimpact of a structural disorder of the material. The theory reveals that disorder leads to a significant ac-celeration of the condensation process, which can explain the beam self-cleaning effect. Our experimentsreport the observation of the transition from the thermal distribution toward condensation with a macro-scopic fraction of condensed power into the fundamental mode. We have studied the impact of a highlynonlocal (or non-instantaneous) response on the nonlinear propagation of a speckle beam, which allowedus to identify a mechanism of spontaneous emergence of long-range phase coherence.The second part of the manuscript is based on a phenomenon of polarization attraction when two in-coherent waves are injected at both ends of an optical fiber. The spatio-temporal dynamics of the counter-propagating partially polarized waves relax toward a quasi-stationary state characterized by a phenomenonof self-polarization that occurs just in the middle point of the optical fiber. This effect is related to the pre-sence of singularities in the Hamiltonian system associated to the stationary state.

L'intégration hybride d'éléments photoniques individuels offre la promesse de fournir des performances très élevées, de proposer de nouvelles fonctionnalités et produits optiques mais aussi pour exploiter de nouveaux modes de propagation des faisceaux lumineux. Cette approche repose sur la capacité d'un positionnement multi Degré-De-Liberté (DDL) précis des éléments photoniques individuels. Ainsi, la mesure multi-DDL imprécise et le contrôle inexact des robots sont les principaux verrous à surmonter, notamment à l'échelle micrométrique Pour cela, une approche photo-robotique originale a été proposée, s'appuyant sur les mouvements d'un robot à plusieurs DDL associé à l'utilisation de l'interférométrie Fabry-Perot 1-D pour réaliser une mesure de pose multi-DOF. Cette approche intègre notamment la question de l'étalonnage des robots 6-DDL qui a été étudiée à travers l'étalonnage des paramètres géométriques extrinsèques et/ou intrinsèques. Afin de trouver la stratégie d'étalonnage appropriée pour une grande précision de positionnement et adaptée au contexte du micro-positionnement de composants optiques, une quantification et une analyse de durabilité des performances optiques et robotiques ont été étudiées. Des études expérimentales ont démontré qu'une précision de positionnement en rotation et en translation de 0.004° et 27.6 nm ont été obtenues respectivement.Cette approche photo-robotique a été notament appliquée pour réaliser le positionnement 6-DDL d'une lamelle optique par rapport à une fibre optique avec une grande précision ce qui conduit également à des performances optiques maximales. L'approche a également été appliquée pour contrôler les états de polarisation à la sortie d'un système optique hybride en réalisant des rotations très précises d'une lamelle d'onde optique spécifique autour de son axe optique. Les résultats expérimentaux démontrent notamment que la grande précision du positionnement permet un contrôle précis de l'état de polarisation optique. / The hybrid integration of individual photonic elements appears as promising, because it may provide high performances, propose new optical functionalities and products and exploit new propagation modes of light beams. This approach requires an accurate multi Degree-Of-Freedom (DOF) positioning of the individual photonic elements. Hence, the inaccurate multi-DOF measurement and robots control are the main locks to overcome, notably at the micro-scale. For this sake, an original photo-robotic approach has been proposed, relying on multi-DOF robot motion associated with the use of 1-D Fabry-Perot interferometry measure to realize multi-DOF pose measure. This approach notably integrates the issue of 6-DOF robot calibration that has been studied through extrinsic and/or intrinsic geometric parameters calibration. In order to find the appropriate calibration strategy for high positioning accuracy and adapted to the context of micro-positioning of optical components, a quantification and durability analysis of optical and robotic performances have been investigated. Experimental investigations demonstrate that a rotational and translational positioning accuracy of 0.004° and 27.6 nm have been obtained respectively.This photo-robotic approach has especially been applied to achieve the 6-DOF positioning of an optical lamella relative to an optical fiber with high accuracy that also conduct to maximum optical performances. The approach has also been applied to control the optical polarization states at the output of an hybrid optical system through achieving high accurate rotations of a specific optical wave plate around the optical axis. The experimental results notably demonstrate that the high positioning accuracy enables to accurately control of the optical polarization state.

[pt] Este trabalho apresenta o estudo e a realização de experimentos a fim de investigar os efeitos da PMD (Polarization Mode Dispersion) no controle de polarização implementado em um enlace de fibra óptica monomodo. Esse estudo permitirá a otimização de controladores de polarização em sistemas de transmissão que venham a utilizar multiplexação em polarização (PolMux) combinado a técnicas de UDWDM (Ultra Dense Wavelength Division Multiplexing), possibilitando o aumento da taxa de transmissão em um canal. Para tanto, foram realizadas medidas experimentais que demonstrem o desvio angular da polarização devido à descorrelação entre canais, através da análise da evolução da polarização do sinal óptico em função da PMD, do comprimento de onda e do espaçamento espectral; foram analisadas duas propostas para se utilizar no controle de polarização; estatísticas referentes à atenuação dos canais utilizados foram realizadas e também o cálculo da correlação com intuito de analisar como esses canais se relacionam. / [en] This work presents the study and conducting experiments to investigate the PMD (Polarization Mode Dispersion) effects in polarization control implemented in a single-mode fiber optic link. This study will allow the optimization of polarization controllers in transmission systems that will use polarization multiplexing (PolMux) combined with techniques like UDWDM (Ultra Dense Wavelength Division Multiplexing), and thereby to increase the transmission rate in a channel. Therefore, we performed experimental measurements showing the angular displacement of the polarization due to decorrelation between channels by analyzing the evolution of the polarization of the optical signal as a function of PMD, wavelength and the spectral spacing, analyzed using two proposals for the control of polarization, statistics of the fading channels used and also performed the calculate the correlation with the aim to analyze how these channels are related.

[ES] La polarización es una propiedad fundamental de la luz que tiene muchas implicaciones tanto en la vida diaria como en los desarrollos tecnológicos más avanzados que emplean la luz. En consecuencia, controlar la polarización de la luz representa una tarea crítica que debe ejecutarse en la mayoría de los sistemas fotónicos. Este proceso se realiza en forma extendida mediante dispositivos pasivos como transformadores de onda que inducen una cantidad fija de birrefringencia o mediante controladores de polarización mecánicos, cuyas principales desventajas son su incapacidad para producir un tipo específico de birrefringencia (lineal pura, circular o elíptica) y sus diseños voluminosos, lo cual los hace inadecuados para la integración. Así, la investigación se centra en otro tipo de controladores de polarización, basados principalmente en metamateriales y fenómenos ópticos no lineales. Al estudiar diferentes interacciones no lineales luz-materia, el fenómeno de dispersión de Brillouin estimulado hacia atrás (SBS) surge como un candidato atractivo para realizar el control de la polarización de la luz. Su respuesta al estímulo de una onda de luz intensa (bombeo) tiene características dependientes de la polarización, y es el proceso no lineal requiere la menor potencia óptica para activarse. Más aún, se ha demostrado continuamente su flexibilidad para el ajuste de la frecuencia y del ancho de banda alterando la respuesta de frecuencia de la onda de bombeo. Esta Tesis Doctoral está dedicada al estudio de las propiedades dependientes de la polarización del SBS con el objetivo de lograr el control total de la polarización de la luz en términos del control de la birrefringencia, la frecuencia y el ancho de banda. Aquí se proporcionan los fundamentos teóricos necesarios para generar y controlar tanto el tipo como la magnitud de la birrefringencia, así como también el retardo de grupo diferencial (DGD) y la dispersión de DGD (DGDD) en fibras ópticas. Los experimentos muestran que estos parámetros se pueden cambiar dinámicamente con sólo una ligera variación de la ganancia del sistema inducida por SBS. A continuación, se muestra que la polarización se puede controlar en un ancho de banda más amplio que la respuesta natural de Brillouin y que también se puede adaptar para proporcionar un cierto perfil de retardancia. El ensanchamiento espectral del controlador de polarización basado en SBS se logra a través de la ingeniería de la respuesta en frecuencia de la fase de Brillouin mediante la regulación retroalimentada del bombeo, a diferencia de esquemas anteriores basados en el control de la amplitud y del retardo de tiempo. Se demuestra el ensanchamiento de la retardancia desde 51 MHz (interacción natural de SBS) hasta 0.9 GHz, en conjunto con el aplanamiento de su espectro. Finalmente, son analizados diferentes dispositivos que emplean como subsistema central el controlador de polarización basado en SBS. De este análisis se deriva una nueva técnica fotónica para implementar filtros de microondas tanto de banda suprimida como de banda pasante. El principio de funcionamiento se fundamenta en la rotación del estado de polarización de la banda de interés utilizando el controlador de polarización basado en SBS, en combinación con una fotodetección balanceada sensible a la polarización. Estos conceptos permiten la implementación de un filtro de una única etapa de fibra que se puede conmutar dinámicamente de una respuesta rechaza banda a una respuesta pasa banda, incrementando así su flexibilidad y potencial aplicación. Las pruebas llevadas a cabo con una sola etapa de una fibra con dispersión desplazada muestran que es posible implementar una banda de rechazo con un rechazo muy elevado de 67 dB. La atenuación fuera de banda en la configuración pasa banda, que es de 30 dB, tiene un desempeño similar a otros filtros de microondas fotónicos basados en SBS. / [CA] La polarització és una propietat fonamental de la llum que té moltes implicacions tant en la vida diària com en els desenvolupaments tecnològics més avançats que empren la llum. En conseq\"uència, controlar la polarització de la llum representa una tasca crítica que ha d¿executar-se en la majoria dels sistemes fotònics. Este procés es realitza en forma estesa mitjançant dispositius passius com a transformadors d'ona que induïxen una quantitat fixa de birefringència o mitjançant controladors de polarització mecànics, els principals desavantatges de la qual són la seua incapacitat per a produir un tipus específic de birefringència (lineal pura, circular o el líptica) i els seus dissenys voluminosos, la qual cosa els fa inadequats per a la integració. Així, la investigació se centra en un altre tipus de controladors de polarització, basats principalment en metamaterials i fenòmens òptics no lineals. En estudiar diferents interaccions no lineals llum-matèria, elfenomen de dispersió de Brillouin estimulat cap arrere (SBS) sorgix com un candidat atractiu per a realitzar el control de la polarització de la llum. La seua resposta a l'estímul d'una ona de llum intensa (bombament) té característiques dependents de la polarització, i és el procés no lineal requerix la menor potència òptica per a activar-se. Més encara, s'ha demostrat contínuament la seua flexibilitat per a l'ajust de la freqüència i de l'amplada de banda alterant la resposta de freqüència de l'ona de bombament. Esta Tesi Doctoral està dedicada a l'estudi de les propietats dependents de la polarització del SBS amb l'objectiu d'aconseguir el control total de la polarització de la llum en termes del control de la birefringència, la freqüència i l'amplada de banda. Ací es proporcionen els fonaments teòrics necessaris per a generar i controlar tant el tipus com la magnitud de la birefringència, així com també el retard de grup diferencial (DGD) i la dispersió de DGD (DGDD) en fibres òptiques. Els experiments mostren que estos paràmetres es poden canviar dinàmicament amb només una lleugera variació del guany del sistema induïda per SBS. A continuació, es mostra que la polarització es pot controlar en una amplada de banda més àmplia que la resposta natural de Brillouin i que també es pot adaptar per a proporcionar un cert perfil de retardancia. L'eixamplament espectral del controlador de polarització basat en SBS s'aconseguix a través de l'enginyeria de la resposta en freqüència de la fase de Brillouin mitjançant la regulació retroalimentada del bombament, a diferència d'esquemes anteriors basats en el control de l'amplitud i del retard de temps. Es demostra l'eixamplament de la retardancia des de 51 MHz (interacció natural de SBS) fins a 0.9 GHz, en conjunt amb l'aplanament del seu espectre. Finalment, són analitzats diferents dispositius que empren com a subsistema central el controlador de polarització basat en SBS. D'esta anàlisi es deriva una nova tècnica fotònica per a implementar filtres de microones tant de banda suprimida com de banda passant. El principi de funcionament es fonamenta en la rotació de l'estat de polarització de la banda d'interés utilitzant el controlador de polarització basat en SBS, en combinació amb una fotodetecció balancejada sensible a la polarització. Estos conceptes permeten la implementació d'un filtre d'una única etapa de fibra que es pot commutar dinàmicament d'una resposta rebutja banda a una resposta passa banda, incrementant així la seua flexibilitat i potencial aplicació. Les proves dutes a terme amb una sola etapa d'una fibra amb dispersió desplaçada mostren que és possible implementar una banda de rebuig amb un rebuig molt elevat de 67 dB. L'atenuació fora de banda en la configuració passa banda, que és de 30 dB, té un acompliment similar a altres filtres de microones fotònics basats en SBS. / [EN] Polarization is a fundamental property of light that has many implications in daily life as well as in the most advanced technological developments that employ light. Consequently, controlling the polarization of light represents a critical task that must be executed in most photonic systems. This process is extensively done by passive devices such as waveplates that induce a fixed amount of birefringence or by mechanical polarization controllers, whose main disadvantages are their inability to produce a specific type of birefringence (pure linear, circular, or elliptical) and their bulky designs, which make them unsuitable for integration. Consequently, research is focused on other types of polarization controllers, mainly based on metamaterials and nonlinear optic phenomena. When studying different nonlinear light-matter interactions, backward-stimulated Brillouin Scattering (SBS) emerges as an appealing candidate for performing polarization control of light. Its response to the stimulus of an intense light wave (pump) has polarization-dependent characteristics, and the nonlinear process requires the least optical power to be activated. Moreover, its frequency and bandwidth tuning flexibility have been continuously proven by altering the frequency response of the pumping wave. This PhD Thesis is devoted to studying the polarization-dependent properties of SBS to achieve full polarization control of light in terms of birefringence, frequency, and bandwidth. Here, the theoretical background required to generate and control both the type and magnitude of the birefringence is provided, as well as differential group delay (DGD) and DGD dispersion (DGDD) in optical fibers. Experiments show these parameters can be dynamically changed with only slightly variation of the system's SBS-induced gain. Next, it is shown that polarization can be controlled in a bandwidth wider than the natural Brillouin response and can also be tailored to provide a specific retardance profile. The spectral broadening of the SBS-based polarization controller is achieved through the engineering of Brillouin phase frequency response via feedback pump regulation, unlike previous schemes based on amplitude and time delay control. Retardance broadening from 51 MHz (natural SBS interaction) to 0.9 GHz, along with retardance spectrum flattening, is demonstrated. Finally, different devices that employ the SBS-based polarization controller as a core subsystem are analyzed. This analysis derives a new photonic technique to implement both stopband and passband microwave filters. The principle of operation relies on rotating the state of polarization of the band of interest using the SBS-based polarization controller in combination with polarization-sensitive balanced photodetection. These concepts permit implementing a single-fiber stage filter that can be dynamically switched from a stopband response to a passband response, thus enhancing its flexibility and application potential. Tests carried out with a single stage of a dispersion-shifted fiber show that a very high rejection of 67 dB can be implemented in the stopband. Out-of-band attenuation in the passband configuration, which is 30 dB, performs similarly to other SBS-based microwave photonic filters. / Zoireff Juárez, G. (2024). Brillouin-Based Full Polarization Control of Light and Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/205395

Ma thèse est consacrée aux nouveaux phénomènes nano-optiques et aux dispositifs basés sur l'interaction spin-orbite de la lumière (SOI). Tout d'abord, il a été démontré un SOI uniquement piloté par le champ magnétique de la lumière permettant de diriger avec précision les ondes de surface de Bloch, offrant ainsi une nouvelle manifestation du champ magnétique optique. Ensuite, nous avons proposé et démontré le concept de nano-antenne plasmonique hélicoïdale à ondes progressives (TW-HPA), c’est-à-dire un fil hélicoïdal en or étroit alimenté optiquement par une nano-antenne dipolaire dans une configuration « end-firing ». Une telle nano-antenne a été démontrée comme la première optique de polarisation sublongueur d’onde. L’agencement de TW-HPAs à l’échelle de quelques microns a permis de convertir « à la carte » un faisceau polarisé linéairement en une distribution de faisceaux directifs présentant des polarisations différentes définies de façon déterministe par la géométrie et les dimensions des nano-antennes. Par le biais d’un couplage en champ proche de quatre nano-antennes à hélicités opposées, nous avons obtenus une optique sublongueur d’onde permettant un degré de liberté dans le contrôle de la polarisation qui est interdit avec les composants et méthodes classiques basées sur l’exploitation de matériaux biréfringents ou dichroïques, ou de métamatériaux imitant ces propriétés. / My thesis is devoted to novel nano-optical phenomena and devices based on spin-orbit interaction (SOI) of light. First, magnetic spin-locking, i.e., an SOI solely driven by the magnetic field of light, is demonstrated with Bloch surface waves. It provides a new manifestation of the magnetic light field. Then, we propose and demonstrate the concept of traveling-wave plasmonic helical antenna (TW-HPA), consisting of a narrow helical gold-coated wire non-radiatively fed with a dipolar nano-antenna. By swirling surface plasmons, the TW-HPA combines subwavelength illumination and polarization transformation. The TW-HPA is demonstrated to radiate on the subwavelength scale almost perfectly circularly polarized optical waves upon illumination with linearly polarized light. With this subwavelength plasmonic antenna, we developed strongly integrated arrays of point-light emissions of opposite handedness and tunable intensities. Finally, by coupling two couples of TW-HPAs of opposite handedness, we obtained new polarization properties so far unattainable.