[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.

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.