Cette thèse concerne l'étude de la dynamique des structures optiques dissipatives observées dans une cavité à gestion de dispersion utilisant l'évolution non linéaire de la polarisation comme technique de blocage de modes. Nous avons montré expérimentalement l'existence d'une transition graduelle entre le régime de fonctionnement continu et le régime de fonctionnement multi-impulsionnel. Nous nous sommes intéressés à l'état intermédiaire où il nous a été possible d'obtenir divers régimes inédits et d'étudier ainsi le comportement collectif des solitons dissipatifs en présence d'un fond continu. La dynamique de "la pluie de solitons" est une manifestation complexe et fascinante constituée de trois composantes de champ : le fond continu, les solitons de dérive et la phase condensée. Elle s'accompagne d'une circulation d'énergie à travers ces trois composantes. Le mouvement relatif des solitons de dérive ainsi que l'asymétrie temporelle présentent les caractéristiques majeures qui distinguent cette dynamique des autres. D'autres types d'auto-organisation ont été observés et étudiés, comme "le relargage des solitons de la phase condensée" ou bien encore "la vobulation du train de solitons". Nous nous sommes intéressés aussi à la propagation d'une seule impulsion dans la cavité. Pour la première fois, une importante dynamique de respiration spectrale a été prédite dans une cavité à gestion de la dispersion. Nous avons montré qu'une compression temporelle de l'impulsion est accompagnée d'un élargissement spectral d'une grande ampleur dans la partie passive de la cavité et que la largeur de l'impulsion peut dépasser la largeur de la bande passante du milieu amplificateur. Nous avons étudié la dynamique de la respiration spectrale, l'extraction et l'optimisation du signal laser en fonction des paramètres de la cavité et nous avons présenté les caractéristiques d'une cavité qui permet la génération d'une impulsion dont sa largeur spectrale est supérieure à la largeur de la bande passante de l'amplificateur d'un facteur de 2.4. Les dynamiques présentées dans cette thèse témoignent de la complexité et de la richesse de la dynamique dissipative des lasers à fibre fonctionnant en régime de blocage de modes passif par évolution non linéaire de la polarisation.

La gamme des ondes terahertz (THz) se situe à l'interface des domaines électronique et optique. Malgré un potentiel d'applications élevé, elle souffre d'un manque de dispositifs performants. Dans ce cadre, cette thèse se concentre sur l'étude fondamentale et la réalisation de nouvelles fonctionnalités associées à différentes sources THz, en utilisant la spectroscopie THz dans le domaine temporel (TDS). Cet outil puissant permet de mesurer le profil temporel d'un champ électrique THz et est utilisé pour explorer l'émission THz de lasers à cascade quantique (LCQ) et de graphène.Dans une première partie, la réponse ultrarapide de LCQs est étudiée. Un contrôle de la phase du champ électrique de LCQs THz via la technique "d'injection seeding" est réalisé puis optimisé. Il nous permet de mesurer le profil temporel de l'émission laser. A l'appui de cette expérience et de simulations, une description quantitative de la dynamique du gain est faite. Ces informations sont critiques pour la production d'impulsions courtes. Une modulation rapide du gain de LCQ est ensuite réalisée et conduit à la génération d'impulsions courtes (durée ~ 15 ps) en régime de blocage de modes. Ces études permettent notamment d'envisager les LCQs comme sources puissantes pour la TDS. Dans une seconde partie, nous montrons que le graphène peut émettre un rayonnement THz sous excitation optique par un effet non linéaire d'ordre 2. Cette émission résulte d'un transfert de quantité de mouvement des photons aux électrons du graphène ("photon drag"). Elle permet ainsi d'explorer des propriétés subtiles du graphène, telles que de très faibles différences de comportement entre les électrons et trous photogénérés. / The terahertz (THz) range is a region of the electromagnetic spectrum which lies at the limit between the electronic and optical domain. Currently, THz applications suffer from the lack of sources and detectors. In this context, this thesis focuses on the fundamental study and the development of new functionalities of different THz sources, usingTHz time-domain spectroscopy (TDS) as a base. This powerful tool enables to acquire the temporal profile of a THz electric field and is used to explore the THz emission properties of quantum cascade lasers (QCLs) and graphene.In the first part, the ultrafast response of QCLs is investigated. A phase control of the electric field of THz QCLs via injection seeding is realised and optimised. This enables the measurement of the amplitude and temporal profile of the laser emission. Throughthese experiments and simulations, a quantitative description of the gain dynamics can be accessed. This information is critical for modelocking. Finally, a fast modulation of the gain of QCLs is realized and leads to short pulses generation (15 ps) in a modelocked regime. These studies open the way for using QCLs as powerful sources in TDS.In the second part, THz radiation generation from graphene under optical excitation is demonstrated by a second order non-linear process. The THz emission results from themomentum transfer from the photons to the electrons of graphene (photon drag). As well as broadband THz generation, novel bandstructure properties of graphene can be explored such as the different dynamics between the photogenerated electrons and holes.

Les Structures localisées (SLs) apparaissent dans les milieux dissipatifs nonlinéaires ayant un grand rapport d'aspect et où plusieurs solutions coexistent pour la même gamme de paramètres. Elles ont des longueurs de corrélations bien plus courtes que la taille du système ce qui en fait des objets individuellement adressables. Les SLs ont été largement étudiées dans les résonateurs optiques pour leur potentiel dans le traitement tout-optique d'information. Nous focalisons nos recherches sur les structures localisées temporelles obtenues dans un laser à blocage de modes passif. Il s'agit, plus spécifiquement, d'un laser à Cavite Verticale Émettant par la Surface (VCSEL) monté dans une cavité externe délimitée par un Miroir Semiconducteur à Absorption Saturable (SESAM). Nous montrons que les pulses émis par ce système peuvent être individuellement allumés et éteints par le biais d'impulsions électriques dans le courant de pompage. Nous étudions la possibilité de déplacer ces pulses l'un par rapport à l'autre et/ou de reconfigurer leur disposition dans la cavité à l'aide d'une modulation du paramètre de pompage. Ceci nous a permis de découvrir un nouveau paradigme pour la dynamique pour les SLs, jusqu'ici étudiées seulement dans les systèmes à symétrie de parité (systèmes spatiaux et résonateurs à Fibre de (type Kerr). En effet, dans notre système, le temps de réponse fini du milieu semiconducteur introduit la causalité dans la cavité, brisant ainsi la symétrie de parité du système. Ceci a des conséquences très importantes sur la vitesse de propagation des SLs, sur leurs formes et sur leurs interactions. Dans la partie finale de ma thèse, inspiré par le résultat obtenu dans ce système, je m'intéresser à l'implémentationdes SLs spatio-temporelle, aussi appelées Balles de Lumière (BLs). En effet, une version similaire de ce système a servi pour implémenter des SLs dans la section transverse du résonateur, ce qui en fait un bon candidat pour générer des BLs. Nous étudions donc les modifications à apporter pour atteindre ces structures. Les indications obtenues ont suggéré de remplacer le VCSEL par un dispositif similaire mais incapable de laser sans un miroir externe. Ce dispositif, appelé demi-VCSEL ou VECSEL et son SESAM compatible ont été fabriqués par l'Institut d'Electronique et des Systèmes de Montpellier. L'optimisation des caractéristiques de ces dispositifs permet d'atteindre le régime de localisation temporelle, ce qui est un résultat prometteur vers les Balles de Lumière. / Localized Structures (LS) appear in non-linear dissipative mediums with a large aspect ratio and where several solutions coexist for the same range of parameters. They have a correlation length much shorter than the size of the system which makes them individually addressable objects. LS have been widely studied in optical resonators for their potential in all-optic informations processing. We focus our study on Temporal Localized Structures in a Passive Mode-Locked Laser. More specifically, we study a Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser (VCSEL) coupled in an external cavity with a Semiconductor Saturable Absorber Mirror (SESAM). We show that pulses emitted by this system can be individually turned on and off using electrical pulses in the bias current. We study the possibility to move those pulses and/or to reconfigure their positions in the cavity thanks to a modulation of the bias current. We were able to discover a new paradigm for the dynamics of LS, studied until now only in system with parity symmetry (spatial system et Kerr fiber resonator). Indeed, in our system, the finite response time of the semiconductor medium brings causality in the cavity, and so breaks the parity symmetry of the system. This fact has important consequences on the LS drifting speed, on their shapes and their interactions. In the last part of my thesis, inspired by the results we obtain in this system, we focus on the implementation of spatio-temporal LS, also called Light Bullet (LB). Indeed, a similar system was used to implement LS in the transverse section of the resonator, so it can be a good candidate to generate LB. So we study the modification needed to obtain those structures. The results suggested to replace the VCESL by a similar device but that can't lase without external mirror. This device, called half-VCSEL or VECSEL, and its compatible SESAM, were design the Institut d'Electronique et des Systèmes of Montpellier. The optimization of the characteristic of those devices allows to get a regime of temporal localization, which is a promising towards the Light Bullets.

Cette thèse est basée sur l'étude des propriétés d'un laser fibré à blocage de modes actif opérant à un taux de répétition supérieur à 10 Gb/s. Par laser fibré nous entendons que la fibre optique fait partie intégrante de la cavité optique de notre laser. Elle joue le rôle de milieu de propagation du signal optique reliant chaque composant de la cavité laser. Ce laser comporte aussi un amplificateur optique à semiconducteurs (SOA) comme milieu amplificateur, dont le gain est modulé par un signal optique externe. L'objectif de ces travaux consiste à proposer une méthode élégante, simple et bas coût, de génération tout-optique d'impulsions "propres" dédiées à la télécommunication optique. Par impulsions "propres", nous entendons une impulsion se rapprochant au mieux d'une forme mathématique reconnue intéressante à la propagation dans une fibre comme la fonction soliton ou la gaussienne limitées par la diffraction. L'hypothèse qu'une forte dispersion négative de la cavité laser, produite par l'insertion d'une fibre à dispersion négative, pouvant largement contribuer à améliorer les propriétés de fonctionnement du laser et des impulsions générées, a constitué la motivation majeure à l'élaboration de ce projet de thèse. Cette étude propose une approche à la fois théorique et expérimentale.

Ce travail de thèse porte sur l'étude expérimentale de l'auto-organisation optique transverse dans des lasers à grand nombre de Fresnel contenant un absorbant saturable. En présence de bistabilité et d'instabilité de modulation, des structures localisées apparaissent, appelées solitons de cavité. Elles résultent d'un équilibre entre diffraction et auto-focalisation dans un milieu non-linéaire. En régime laser, les systèmes évoqués plus haut peuvent ainsi émettre plusieurs faisceaux d'une dizaine de microns de diamètre seulement. Chaque faisceau constitue une structure localisée dans le plan transverse, qui peut être allumée, éteinte et déplacée à volonté. Ces travaux de thèse se divisent en deux parties principales : l'étude du régime continu et celle des régimes impulsionnels. Dans ce deuxième cas, le laser peut émettre des balles de lumière en cavité localisées à la fois dans l'espace et dans le temps. Les travaux effectués se sont axés sur la recherche et l'étude des différentes propriétés nécessaires à l'apparition de structures localisées bistables et impulsionnelles afin de les réunir. Les résultats présentés dans ce manuscrit montrent pour la première fois, dans une structure monolithique VCSEL avec absorbant saturable intégré, un processus d'écriture-effacement d'une structure localisée en régime continu. De plus, ils montrent les étapes réalisées afin de se rapprocher du même résultat dans le régime impulsionnel : un agrégat de structures localisées impulsionnelles a ainsi pu être écrit et effacé. De par la compacité des systèmes VCSEL et la reconfigurabilité des solitons de cavité, ces résultats constituent une étape supplémentaire vers la réalisation d'un traitement tout-optique de l'information.

Cette thèse concerne l'étude de la dynamique des structures optiques dissipatives observées dans une cavité à gestion de dispersion utilisant l'évolution non linéaire de la polarisation comme technique de blocage de modes. Nous avons montré expérimentalement l'existence d'une transition graduelle entre le régime de fonctionnement continu et le régime de fonctionnement multi-impulsionnel. Nous nous sommes intéressés à l'état intermédiaire où il nous a été possible d'obtenir divers régimes inédits et d'étudier ainsi le comportement collectif des solitons dissipatifs en présence d'un fond continu. La dynamique de "la pluie de solitons" est une manifestation complexe et fascinante constituée de trois composantes de champ : le fond continu, les solitons de dérive et la phase condensée. Elle s'accompagne d'une circulation d'énergie à travers ces trois composantes. Le mouvement relatif des solitons de dérive ainsi que l'asymétrie temporelle présentent les caractéristiques majeures qui distinguent cette dynamique des autres. D'autres types d'auto-organisation ont été observés et étudiés, comme "le relargage des solitons de la phase condensée" ou bien encore "la vobulation du train de solitons". Nous nous sommes intéressés aussi à la propagation d'une seule impulsion dans la cavité. Pour la première fois, une importante dynamique de respiration spectrale a été prédite dans une cavité à gestion de la dispersion. Nous avons montré qu'une compression temporelle de l'impulsion est accompagnée d'un élargissement spectral d'une grande ampleur dans la partie passive de la cavité et que la largeur de l'impulsion peut dépasser la largeur de la bande passante du milieu amplificateur. Nous avons étudié la dynamique de la respiration spectrale, l'extraction et l'optimisation du signal laser en fonction des paramètres de la cavité et nous avons présenté les caractéristiques d'une cavité qui permet la génération d'une impulsion dont sa largeur spectrale est supérieure à la largeur de la bande passante de l'amplificateur d'un facteur de 2.4. Les dynamiques présentées dans cette thèse témoignent de la complexité et de la richesse de la dynamique dissipative des lasers à fibre fonctionnant en régime de blocage de modes passif par évolution non linéaire de la polarisation. / This thesis presents a study of the nonlinear dissipative dynamics of localized of self organized structures in passively mode-locked fiber laser through nonlinear polarization evolution. We reveal the existence of a gradual transition from the quasi-cw to mode locked dynamics in the multi-pulsing regime. We emphasize on the intermediate state, where various new dynamics are observed. We study collective behaviors of dissipative solitons in the presence of a continuous background. One of the complex and attractive dynamics presented is the "soliton rain", which composed of three field components : continuous modes of background, drifting of solitons and condensed phase solitons. This dynamic appears when the energy flows through the three components. The relative motion of the drifting solitons and the temporal asymmetry present the major characteristics that distinguish this dynamic. Other types of self-organizations of solitons were observed and studied as the "release of the solitons from the condensed phase" and the "chirped trains with condensed soliton phase". We were also interested in the single pulse propagation. For the first time, an important dynamics of spectral breathing was predicted in a dispersion-managed cavity. We showed that pulse compression dynamics in the passive anomalous fiber can be accompanied by a significant enhancement of the spectral width and that the width of the pulse can exceed the amplifier bandwidth. We studied, the extraction and the optimization of the signal laser according to the parameters of the cavity and we presented the characteristics of a cavity delivering ultra short pulses with a spectral width exceeding the amplifier bandwidth by a factor of 2.4. The dynamics presented in this thesis show the complexity and variety of the dissipative dispersion-managed dynamics in fiber laser mode locked through nonlinear polarization evolution.

Pour des applications médicales ou en histoire de l'art, un système compact de production de rayonnement X monochromatique à haut flux par effet Compton nécessite de disposer d’une source laser impulsionnelle de forte puissance moyenne avec des durées de quelques picosecondes. Pour atteindre un haut flux de rayonnement X, le laser devra être injecté dans une cavité Fabry-Perot de haute finesse afin d’atteindre les puissances laser moyennes requises. Par conséquent, le laser devra avoir une bonne qualité de mode et de faibles bruits. Afin d’atteindre ces objectifs, nous avons étudié la réalisation d’oscillateurs à blocage de modes passif délivrant des puissances moyennes de plus de 10 W avec des impulsions d’une durée entre 10 et 20 ps. Au cours de ce travail, deux oscillateurs de haute puissance moyenne ont été conçus et réalisés : l’un à pompage radial avec Nd:YAG comme milieu de gain et l’autre à pompage longitudinal avec comme milieu de gain Nd:YVO4. Le développement du second oscillateur a donné lieu à une étude expérimentale de la réduction de la durée des impulsions qui nous permet d’ajuster la durée entre 46 ps et 12 ps en régime de blocage de modes passif. Les résultats expérimentaux ont été expliqués à l’aide d’une simulation numérique et une solution analytique a été trouvée pour prédire la durée des impulsions. Enfin, une étude des caractéristiques des bruits de l’oscillateur Nd:YVO4 a été réalisée. Ces mesures ont permis de mettre en évidence qu’un oscillateur de forte puissance moyenne a les capacités pour être aussi peu bruyant que des oscillateurs de faible puissance et à faibles bruits. En résumé nous avons développé un oscillateur puissant (20W), à une longueur d’onde de 1064 nm, avec des durées d’impulsions courtes (15 ps), une bonne qualité de faisceau (M2<1,2) et de faibles bruits (gigue temporelle <1,2 ps RMS 100Hz-1MHz non asservi). Par conséquent, notre oscillateur puissant est un excellent candidat pour faire partie de la machine compacte de rayonnement X monochromatique et à haut flux. / For medical or cultural heritage applications, a compact, monochromatic, Compton x-ray source system needs a powerful, few picosecond laser source. To obtain high-x-ray-flux, the laser should be coupled to a high-finesse Fabry-Perot cavity to reach the required laser power. Therefore, the laser should have a good beam quality and low noises. In order to reach theses requirements, we have studied passive mode-locking oscillators delivering more than 10 W average power and between 10 and 20 ps pulse duration.Two high-power oscillators have been designed and implemented: a side-pumped Nd:YAG and an end-pumped Nd:YVO4 oscillator. With the second oscillator, we have studied the experimental reduction of pulse duration. We obtained a decrease from 46 ps to 12 ps in the continuous-wave mode-locked regime. Those experimental results have been explained by a numerical simulation and furthermore, we have developed an analytical solution to predict the pulse duration of such oscillator. Finally, we studied the noise characteristics of the Nd:YVO4 oscillator. Our measurements have shown that a high-power oscillator might be as low-noise as other low-power, low-noise oscillators. In conclusion, we have developed a powerful (20W), 1064nm-wavelength, short-pulses (15ps), good-beam-quality (M2<1.2) and low-noise free-running oscillator (timing jitter <1.2 ps RMS 100Hz-1MHz). Therefore, our high-power oscillator is an excellent candidate to be part of a compact, high-flux, monochromatic x-ray source.

Les peignes de fréquences optiques, issus de diodes à blocage de modes, font partie des candidats potentiels pour les réseaux de transmission à multiplexage en longueurs d’onde (WDM). Cependant, les modes composant leur peigne, exhibent généralement des largeurs de raie optiques relativement élevées ( 1-100 MHz), rendant ainsi incompatible leur utilisation sur un réseau WDM employant des formats de modulation avancés d’ordre supérieur. Cette thèse étudie, une solution pour palier à cette limitation. La technique utilisée, dite d’asservissement à correction aval hétérodyne, effectue un traitement du flux lumineux en sortie du laser sans agir sur ce dernier, permettant de réduire le bruit de fréquence présent sur chacune des raies et par conséquent leur largeur de raie optique. Dans une première approche, la technique est appliquée à un laser mono-fréquence. Cela a permis d’une part de valider son fonctionnement et d’autre part d’identifier les limites intrinsèques du dispositif expérimental mis en place. Ainsi, nous démontrons que le niveau de bruit de fréquence minimum permis par notre système, correspond à un spectre optique de largeur de raie optique instantanée de 50 Hz et une largeur de raie de 1,6 kHz pour un temps d’observation de 10 ms. La technique est par la suite appliquée à une diode à blocage de modes actif. Le peigne de fréquences optiques ainsi généré, est composé de 21 modes, ayant tous une largeur de raie optique intrinsèque inférieure à 7 kHz, dont 9 modes sont sub-kHz. Pour un temps d’observation du spectre optique de 10 ms, ces modes exhibent tous une largeur de raie d’environ 37 kHz. Nous démontrons ainsi l’impact de la gigue d’impulsions sur les performances de la technique et nous soulignons l’intérêt d’une telle cohérence, pour le domaine des télécommunications optiques cohérentes (transmissions WDM cohérentes de type m-QAM avec des constellations d’ordre élevé, compatibles avec des débits multi-Tbit/s par raie). En dernier lieu, nous abordons une seconde technique consistant à pré-stabiliser la fréquence d’un laser par asservissement en boucle fermée. Elle repose sur l’utilisation d’un interféromètre à fibre déséquilibré comme référence pour réduire le bruit de fréquence d’un laser, situé particulièrement en basses fréquences. Appliquée à un laser mono-fréquence, elle a permis de réduire son bruit de fréquence technique conduisant ainsi à une nette amélioration de sa largeur de raie intégrée sur 3 ms, de 224 kHz à 37 kHz. Ce premier résultat représente un bon support vers l’exploration du potentiel des diodes à blocage de modes pour des applications métrologiques. / Optical frequency combs obtained from mode-locked laser diodes are potential candidates for WDM networks. However, their lines exhibit usually a broad optical linewidth ( 1-100 MHz). Thus their use is incompatible for high order modulation formats WDM based systems. This thesis investigates one solution to overcome this limitation. It consists of using a feed-forward heterodyne technique to reduce the frequency noise of each comb-line and consequently their optical linewidths. In a first approach, the technique is applied to a single-mode laser. This allowed us to validate its proper working and to identify the intrinsic limits of the experimental device set up. The latter analysis enabled us to reveal that the minimum achievable frequency noise level by our system, corresponds to a 50 Hz intrinsic optical linewidth spectrum and a 1,6 kHz optical linewidth based on 10 ms observation time. This technique is then applied to an actively mode-locked laser diode demonstrating, at our system output, a 21-line optical frequency comb with intrinsic optical linewidths reduced to below 7 kHz. It is worth noting that 9 among them, exhibit sub-kHz linewidths. For an observation time of 10 ms, all lines share the same optical linewidth, almost equal to 37 kHz. We thus show that the timing jitter impacts the technique performances. We also highlight the relevance of such coherence level for coherent optical communication. Lastly, we study a laser frequency pre-stabilization technique based on a locking to an unbalanced fiber interferometer. When applied to a single-mode laser, the technique showed a reduction of its technical frequency noise, thus leading to a clear improvement of its integrated optical linewidth from 224 kHz to 37 kHz for 3 ms observation time. This first result provides a good support towards the exploration of mode-locked laser diodes potential for metrological applications.