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Les fibres optiques légèrement multimodes (FMF) sont une classe de fibres optiques multimodes. Dans le domaine de la télécommunication, chaque mode d’une FMF peut être utilisé comme un canal indépendant de transmission, ainsi, des débits bien supérieurs aux fibres optiques conventionnelles pourrait être atteint. Cependant, l'un des problèmes à l'utilisation de ce type de fibre est le couplage de mode et la dispersion de mode qui dégradent les performances de transmission. Cette thèse entre dans le cadre de l’étude du couplage de mode de différents profils de fibre. Ce travail se décompose en deux axes : i) la modélisation du couplage de mode qui est effectué en considérant la fibre comme une concaténation de plusieurs segments courbés, dont chaque segment est associé à un rayon de courbure aléatoire. ii) La mesure du couplage localisée qui est basé sur la méthode expérimentale A-S2. A l’aide de ce modèle et de ces mesures, nous pouvons confirmer l’absence ou la présence de couplage d’une fibre exposée à des micro-courbures ou à une perturbation aléatoire. / Few multimode fiber (FMF) is a class of multimode fiber. Each mode of a FMF is considered as an independent transmission channel in telecommunication field. Thus, much higher rates than conventional optical fibers could be achieved. However, this fiber can present the mode coupling and mode dispersion that can degrade the transmission performance. The mode coupling over different fiber profiles is studied in this thesis. This work is divided into two parts: i) the modeling of the mode coupling considering the fiber as a concatenation of several curved segments, and each piece is associated with a random bending radius R. ii) The measurement of localized coupling which is based on the experimental method A-S2. Using this model and these measurements, we can demonstrate the absence or the presence of coupling of a fiber exposed to micro-curvatures or a random perturbation.

L’objectif de ce travail est d’étudier les différents types d’intégration à base de guides optiques sur InP permettant d’aboutir à une matrice de commutation optique 2x2. Pour cela, nous avons tout d’abord étudié l’intégration monolithique de guides InP et de guides diélectriques à très fort confinement. La partie active est composée de guides sur InP et la partie passive de guides diélectriques qui jouent le rôle d’adaptateur de mode tout en étant très compact. Malgré tous les efforts technologiques et théoriques développés pour aboutir à l’objet convoité, il apparaît que l’intégration monolithique ne nous permet pas pour le moment d’aboutir à des pertes compatibles avec les besoins industriels. Cependant, ces travaux nous ont permis d’aboutir à une nouvelle structure de guide sur InP qui se couple parfaitement avec les guides sur verre de la société Teem Photonics. C’est donc cette approche que nous avons retenu, qui permet d’aboutir à un dispositif complètement fibré à faibles pertes d’insertion. Il est cependant nécessaire de démontrer l’aptitude de ce nouveau guide à la commutation. Nous avons donc conçu et réalisé des commutateurs DOS utilisant ce nouveau guide. Leurs caractérisations montrent l’intérêt de ce guide pour la commutation optique. / The aim of this work is the study of different ways of integration based on InP optical waveguides to obtain 2x2 optical switching matrixes. For this purpose, we started with the monolithic integration of InP waveguides and highly confinement dielectrics waveguides. The active part is composed of InP waveguides and the passive part is constituted of dielectric waveguides which are tapered and very compact. In spite of strong theoretical and technological efforts developed to reach our target up to now monolithic integration doesn’t lead to low insertion losses fitting with industrial needs. Nevertheless, we designed and fabricated a new InP waveguide which allows a good coupling with glass waveguides of Teem Photonics company. Finally, we designed and fabricated a Digital Optical Switch with the new InP waveguide. Its characterizations proved the advantage of this waveguide for the optical switching.

Les cristaux liquides nématiques ancrés constituent un milieu propice à l'étude de la propagation non linéaire des faisceaux lumineux - que ce soit en termes d'études fondamentales ou plus appliquées comme le routage de l'information. Ce sont des milieux plus complexes que les systèmes "modèles" usuellement abordés (type équation de Schrödinger non linéaire) pour étudier les comportements non linéaires. En effet, la non-linéarité a une réponse non locale et est beaucoup plus lente que le temps d'évolution de l'onde. Enfin, le milieu est stochastique.Dans ce cadre, cette thèse étudie l'influence de la non-localité sur les singularités d'ondes obtenues lors de la propagation d'un paquet d'ondes optiques dans un cristal liquide nématique. C'est un travail expérimental et numérique. Nous montrons que le type de singularité obtenu est complètement régi par le taux de non-localité du système,- en régime fortement non local, une structure localisée, connue sous le nom de "nematicon", présente un profil d'intensité ultra-piqué (type "point de rebroussement") avec une trajectoire constamment fluctuante- en régime faiblement non local, le paquet d'ondes subit toujours un phénomène de type "effondrement d'ondes". Il est accompagné d'un auto-raidissement de l'enveloppe du paquet d'ondes et d'un profil en double exponentielle au point de compression.Enfin, nous mettons en évidence la présence d'ondes de chocs diffractives dans notre système en appliquant une condition initiale possédant une discontinuité (demi-faisceau Gaussien). C'est la première mise en évidence expérimentale de ce type d'ondes dans un milieu focalisant, stochastique et non local. / Anchored nematic liquid crystals is a suitable medium and an excellent playground for nonlinear beam propagation studies - for fundamental as well as for applied studies such as optical routing. They are more complex systems than the "ideal" ones that are usually referred to investigate nonlinear phenomena (such as the nonlinear Schrödinger equation). Indeed, our nonlinearity is characterized by a nonlocal response and its response time is much slower than that of the wave. At last, the medium is stochastic.In this context, this thesis deals with the effects of non locality on wave singularities that occur during the propagation of optical wave packets in nematic liquid crystals. The studies are experimental and numerical.We show that the type of singularity that emerges is completely driven by the amount of non locality,• for the highly nonlocal regime, a localized state, known as "nematicon" exhibits an ultra-sharp intensity profile (cusp like) with a continuously fluctuating trajectory.• for the weakly nonlocal regime, the wave packet is always subject to a collapse-like phenomenon. Its envelope self-steepens and its profile depicts an exponential shape where the beam is the most focused.Finally, we evidence diffractive shock waves thanks to an initial condition displaying a discontinuity (half Gaussian beam). This is the first experimental evidence of such phenomenon in a focusing non local and stochastic medium.

Cette thèse est consacrée à l’étude du comportement de propagation de solitons, ou d’impulsions s’apparentant à des solitons, dans des fibres optiques présentant un profil de dispersion variable. La première partie présente les propriétés générales de guidage d’une fibre optique et introduit les principaux processus linéaires et non-linéaires dans lesquels des solitons temporels sont mis en jeu. Dans la partie II, le contrôle spectral, puis spectro-temporel, de solitons est démontré grâce à l’utilisation de fibres optiques topographiques spécialement conçues à cet effet à l’aide d’un algorithme de résolution inverse. La partie III est, elle, dédiée à l’étude de la dynamique d’émission d’ondes dispersives multiples et de cascades d’ondes dispersives dans une fibre dont le zéro de dispersion varie sinusoïdalement. Enfin, la partie IV explore la stabilisation de breathers d’Akhmediev dans une fibre optique comportant un saut de dispersion. / This thesis concerns the study of the propagation of solitons, or assimilated ones, in optical fibers with tailored longitudinal profiles. The first part presents the general guiding properties of an optical fiber and introduces the main linear and non-linear process involved in solitons propagation. In Part II, spectral and then spectrotemporal solitons control is demonstrated through the use of specially designed topographic fibers. Part III explore the emission dynamics of cascaded resonant radiations and multiple resonant radiations in a fiber with an oscillating zero-dispersion wavelength. Finally, Part IV is devoted to the stabilization of Akhmediev breathers in an optical fiber including a dispersion step.

Les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit concernent la propagation non linéaire d’ondes partiellement cohérentes dans des fibres optiques. En particulier, nous focalisons notre attention sur le cas où le système d’ondes aléatoires est bien décrit par l’équation intégrable de Schrödinger non linéaire. Nous étudions expérimentalement et numériquement l’évolution de la statistique des fluctuations d’intensité en fonction des paramètres fondamentaux tels que le régime de dispersion. Afin de mesurer la statistique de puissances optiques fluctuant avec des échelles de temps de l’ordre de la picoseconde, nous avons développé un dispositif d’échantillonnage optique asynchrone. Nos expériences montrent que la propagation non linéaire influence nettement la statistique du système d’ondes aléatoires qui s’éloigne fortement de la distribution normale. La probabilité des évènements de grandes amplitudes augmente fortement en régime focalisant et diminue fortement en régime défocalisant. Nos simulations de l’équation de Schrödinger non linéaire à une dimension reproduisent quantitativement nos résultats et révèlent l’apparition de structures cohérentes au sein des fluctuations aléatoires. En particulier, en dispersion anormale, il est possible d’identifier des structures voisines de solutions de l’équation modèle utilisée tels que les solitons sur fond continu aujourd’hui considérés comme prototypes d’ondes scélérates. Nos travaux concernent principalement des phénomènes non linéaires stochastiques dans un système proche de l’intégrabilité et contribuent donc à l’étude expérimentale de la turbulence intégrable. / This thesis deals with nonlinear propagation of partially coherent waves in optical fibers. We focus our attention on systems of random waves that are well described by the integrable one dimensional nonlinear Schrödinger equation. We study both experimentally and numerically the statistical evolution of power fluctuations of random waves both in normal and in anomalous dispersion regimes. In order to measure statistics of the power fluctuations of partially coherent optical waves with typical time scales in the range of picosecond, we have performed an asynchronous optical sampling method. Our experiments show that nonlinear propagation strongly influences the statistics of wave systems by producing deviations from the normal distribution. The probability of occurrence of extreme events is significantly enhanced in the focusing regime whereas it is strongly reduced in the defocucing regime. Our numerical simulations of the one-dimensional nonlinear Schrödinger equation reproduce experimental results in a quantitative way. Moreover, our results provide evidence of the emergence of coherent structures embedded in the random fluctuations. In the focusing regime, we observe coherent structures similar to solitons on finite background that are now considered as prototypes of rogue waves. From our work about nonlinear propagation of random waves in systems described by nearly-integrable equations, we hope to contribute to the development of the field of integrable turbulence.

L’objectif de cette thèse est de concevoir et réaliser un amplificateur Raman fibré impulsionnel mono-fréquence à 1645 nm. Une telle source permettrait le développement futur d’un système LIDAR pour la caractérisation de panaches industriels de méthane. Cette application nécessite l’émission d’impulsions d’une durée de l’ordre de 100 ns et de plusieurs dizaines de µJ à haute cadence de répétition (10-100 kHz). Dans la fibre non linéaire utilisée pour l’amplification Raman, deux phénomènes principaux s’opposent à nos objectifs. D’une part, la diffusion Brillouin stimulée limite à la fois la puissance de la pompe et du signal amplifié. D’autre part, nous avons montré que l’amplification Raman s’accompagne d’un élargissement spectral non linéaire indésirable du signal. Pour mieux appréhender ces phénomènes, des expressions originales ont été établies pour la réflectivité Brillouin du signal et pour la phase non linéaire. Cette dernière a notamment permis de minimiser l’élargissement spectral du signal grâce à un choix pertinent de la forme des impulsions. Nous avons ensuite mis en œuvre plusieurs techniques d’augmentation du seuil Brillouin. Pour le signal, la solution retenue consiste à appliquer un profil longitudinal de contrainte mécanique à la fibre. Pour la pompe, nous avons procédé par élargissement spectral et comparé les résultats produits par une source multimode et par une source à dérive de fréquence. C’est cette deuxième solution que nous avons retenue dans la configuration finale. Le signal amplifié à 1645 nm atteint 27 µJ à 20 kHz pour une durée d’impulsion de 100 ns et une largeur spectrale de 10 MHz, répondant ainsi aux attentes pour le LIDAR envisagé. / The objective of this thesis work is to design and build a single-frequency Raman fiber amplifier at 1645 nm. Such an amplifier could form the basis of a future LIDAR system for industrial methane plume characterization. Emission of pulses about 100 ns long and a few tens of µJ at high repetition rate (10-100 kHz) is needed for this application. In the nonlinear fiber used for Raman amplification, two main phenomena oppose our objectives. On one hand stimulated Brillouin scattering limits the optical power of both the pump and the signal. On the other hand adverse spectral broadening of the signal due to Raman amplification has been demonstrated. To address these issues, original expressions have been derived for Brillouin reflectivity of the signal and for nonlinear phase. In particular, the latter has allowed minimization of the signal spectral broadening thanks to adapted pulse waveforms. Various Brillouin threshold increasing techniques have then been implemented. The signal threshold is increased by applying a longitudinal mechanical strain profile to the fiber. The pump threshold is increased through spectral broadening, using either a multimode source or a frequency-swept source. Our experimental study has shown that the latter was more suitable. In the final configuration, a 27 µJ source at 1645 nm with a 20 kHz repetition rate, a 100 ns pulse duration and a spectral width equal to 10 MHz has been achieved, meeting the requirements for the considered LIDAR system.

Les travaux de thèse portent sur la réalisation de capteurs à fibre optique protégés par un revêtement résistant aux hautes températures, supérieures à 350 °C. Une partie des travaux est réalisée sur tour de fibrage dans l’optique d’améliorer la fiabilité mécanique de ces capteurs compacts.Les premiers travaux présentés se focalisent sur l’étude microstructurale par microscopie électronique à transmission de réseaux de Bragg point par point inscrits par un laser femtoseconde. Les observations démontrent un gradient chimique du germanium au niveau des modifications périodiques. Ce gradient expliquerait en partie les évolutions spectrales de ces capteurs à 1000 °C.La deuxième étude montre le potentiel des fibres dopées en nanoparticules de zircone pour les mesures réparties à 800 °C par réflectométrie fréquentielle exploitant la rétrodiffusion Rayleigh. Ces fibres présentent une meilleure stabilité de mesure de température que les fibres classiquement employées pour la télécommunication optique.La troisième étude porte sur la protection mécanique des fibres optiques par un revêtement « hautes températures ». Pour la première fois, les silicones chargées sont étudiées comme revêtement pour fibre optique. Le comportement du revêtement est étudié jusqu’à 470 °C à l’aide de réseaux de Bragg protégés par dip-coating. Le revêtement est aussi déposé sur fibre lors de sa fabrication sur tour de fibrage. Plus de 100 mètres de fibre sont protégées en continu avec une épaisseur d’environ 13 µm. / The Ph.D. work focuses on the realisation of optical fibre sensors protected by a high-temperature resistant coating. The aim application temperature is above 350 °C. One part of the work is done on a fibre draw tower to improve the mechanical reliability of these compact sensors.The first part of the presented work focuses on the microstructural study of point-by-point fibre Bragg gratings. These gratings are inscribed in the optical fibre core with a femtosecond laser. The analysis by transmission electronic microscopy shows germanium chemical gradient near the periodic modifications. This gradient could partially explain the spectral evolutions of these sensors at 1000 °C.The second study shows the performances of zirconia nanoparticle-doped optical fibres for distributed sensing at 800 °C by Optical Frequency Domain Reflectometry. These fibres have a better stability of temperature measurement than conventional fibres for optical telecommunication.The third study is related to the mechanical protection of optical fibres by a high-temperature resistant coating. For the first time, a silicone coating with fillers is studied like a coating for optical fibre. The coating is applied on fibre Bragg gratings by dip-coating to study the behaviour of the coating on the fibre up to 470 °C. Then the coating is applied on an optical fibre by using a fibre draw tower. A 100 meter-length fibre is protected with a thickness of around 13 µm.

L'objectif de cette thèse était d'explorer la possibilité de fabriquer un nanophotointerrupteur avec optique intégrée permettant de répondre aux besoins en terme d'échantillonnage optique de signaux radars. Le photointerrupteur est une ligne coplanaire interrompue sur substrat GaAs semi-isolant (SI) ou basse température (BT). L'interruption peut être éclairée soit par le dessus avec une fibre optique ou à l'aide d'un guide optique intégré. Le conducteur central des premiers composants, sur GaAs-SI, dispose de deux adaptateurs modaux hyperfréquences triangulaires au centre desquels se trouve une interruption de taille pouvant être submicronique. Nous avons mesuré un rapport ON/OFF supérieur à 13 dB jusqu'à 20 GHz, avec un éclairage par le dessus.Nous avons ensuite travaillé sur la géométrie de la ligne coplanaire. Nous avons en particulier étudié des adaptateurs modaux à géométrie sinusoïdale et exponentielle ainsi que l'effet du resserrement des masses autour du conducteur central. Nous avons ainsi mesuré un rapport ON/OFF de 32 dB jusqu'à 20 GHz, et des pertes d'insertion hyperfréquence de 6.5 dB.Concernant la partie optique, nous avons étudié par la méthode des faisceaux propagés différents types de guides diélectriques. Pour le composant intégré, nous avons choisi des nanoguides avec un cœur de Si3N4 enterré dans une matrice de SiO2, pouvant être fabriqués sur un dépôt d'or. Nous avons mesuré un rapport ON/OFF supérieur à 25 dB jusqu'à 20 GHz. Des nanophotointerrupteurs sur GaAs-BT ont été intégrés dans un système d'échantillonnage comprenant un laser impulsionnel femtoseconde, et ont permis de sous-échantillonner un signal à 20 GHz avec 3,15 bits effectifs. / This thesis presents a nanophotoswitch with integrated optics for the optical sampling of radar signals. The photoswitch is a microwave coplanar waveguide fabricated on a semi-insulating GaAs substrate or a low temperature GaAs substrate, which has a gap that can be either top illuminated by an optical fiber or illuminated by an integrated optical waveguide. We started with semi-insulating GaAs devices.The center conductor of the first components has two triangular microwave tapers with a submicronic gap located at the center. We measured an ON/OFF ratio greater than 13 dB up to 20 GHz, by top illumination.We worked on the geometry of the coplanar waveguide. We particularly studied exponential and sinusoidal tapers and the effect of a decrease of the conductor spacing. We have measured a 32 dB ON/OFF ratio up to 20 GHz, and 6.5 dB of insertion losses.We studied by beam propagation method different types of dielectric guides. For the integrated device, we chose nanowaveguides with a Si3N4 core buried in a SiO2 matrix, which can be fabricated on a gold deposit. We measured an ON/OFF ratio greater than 25 dB up to 20 GHz.Nanophotoswitches built on a low temperature GaAs substrate have been put into a sampling system comprising a femtosecond pulsed laser, and we have subsampled a 20 GHz signal with a 3.15 effective number of bits.

La thèse est consacrée au développement de la théorie quantique de l’intrication et de la statistique non classique des champs optiques multimodaux dans les interactions paramétriques. Nous étudions également des applications de ce type de champs dans les schémas de l’information quantique. Nous considérons deux types d’interactions paramétriques, appelées concurrents et consécutifs, entre cinq modes du champ électromagnétique avec des fréquences différentes. Le premier type d’interaction est le processus de conversion de fréquence connu comme « parametric down-conversion » accompagné par « parametric up-conversion » : [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, 2[Oméga]p=[Oméga]2+[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3. Nous démontrons que ces deux processus concurrent produisent une intrication de trois modes du champ électromagnétique avec les trois fréquences différentes. Nous trouvons les conditions optimales pour la création de ce type d’intrication. Le deuxième processus considéré dans la thèse est celle du « parametric down-conversion » accompagné par deux « parametric up-conversion » : [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]2=[Oméga]4. Nous avons trouvé l’intrication entres les deux modes de basses fréquences [Oméga]1 et [Oméga]2 et les deux modes de hautes fréquences [Oméga]3 et [Oméga]4 . En appliquant le critère basé sur les valeurs symplectiques nous avons quantifié ce type d’intrication. Nous avons étudié des propriétés de champs avec plusieurs modes spatiaux dans les deux configurations de l’imagerie quantiques : le champ proche et le champ lointain. Dans les deux cas nous avons calculé le rapport signal à bruits et étudié son comportement en fonction des paramètres physiques. Nous avons également proposé et étudié un schéma pour téléportation des images optiques classiques et non classiques (intriquées). Nous avons évalué la fidélité de téléportation en fonction des paramètres de notre système tels que la taille de pixel dans la caméra de détection et la longueur de cohérence de l’émission paramétrique. / The main goal of the thesis is to elaborate the quantum properties, such as entanglement and quantum statistics, of multi-frequency fields, both spatial single-mode and multimode, generated in coupled parametric wave interactions and consider some applications of these fields in quantum information schemes. In the thesis two coupled (also named as concurrent or consecutive) parametric interactions involving modes of five frequencies are considered. The first interactions are two parametric down-conversion processes accompanied by the up-conversion process: [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, 2[Oméga]p=[Oméga]2+[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3. It has been shown that the resulting three-frequency optical field is in a three mode entangled state. We formulate the optimal conditions for creation of such type of entanglement. The other coupled interactions comprise one parametric down-conversion process with two up-conversion ones: [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]2=[Oméga]4. The entanglement analysis, carried out for these interactions, suggests that the modes with frequencies [Oméga]1 and [Oméga]2 low-frequency modes) along with modes with frequencies [Oméga]3 and [Oméga]4 (high-frequency modes) exhibit two-mode entanglement. Moreover, the symplectic eigenvalue criterion has shown the presence of block entanglement between low-frequency and high-frequency modes. The properties of the spatially multimode fields, generated in the second type of interaction, were investigated for two configurations of quantum imaging schemes: the near-field and the far-field. For both configurations the signal-to-noise ratio and entanglement properties of the generated images have been studied in detail. The schemes for teleportation of entangled spatial single-mode states and entangled images using auxiliary quantum states obtained in the second interactions are proposed and thoroughly analyzed. The teleportation quality in dependence on the amount of entanglement in auxiliary fields and the states to be teleported has been studied. For the images teleportation scheme the influence of the detectors pixel size on the quality of teleportation has been analyzed.