L’utilisation de capteurs à fibres optiques pour le génie civil n’est pas une idée nouvelle. Leur intérêt repose principalement sur les propriétés intrinsèques des fibres optiques: neutralité électromagnétique, capacité de multiplexage importante et accès à de longues distances de mesure. Ces capteurs sont susceptibles de couvrir de nombreuses fonctions des capteurs traditionnels : détection, localisation et surveillance. Grâce à des interactions entre la lumière et la fibre optique, telle que la diffusion Brillouin, la fibre optique peut constituer, sur toute sa longueur, un capteur continûment distribué. Le phénomène de diffusion Brillouin est très étudié de part sa grande efficacité de diffusion, sa dépendance vis-à-vis de la température et de la déformation et sa portée pluri-kilométrique. Cependant, la sensibilité de la fréquence de décalage Brillouin à la fois à la température et à la déformation rend problématique la mesure simultanée de ces deux paramètres. Nous présenterons une possibilité de discrimination de la température et de la déformation correspondant aux précisions souhaitées en terme de surveillance d'ouvrage de génie civil. / Optical fibers sensors for civil engineering are not a new idea. Their interest is based mainly on the intrinsic properties of optical fibers: electromagnetic neutrality, important capacity of multiplexing and access to long distances of measure. These sensors may cover numerous functions of the traditional sensors: detection, localization and surveillance. Thanks to interactions between the light and the optical fiber, such Brillouin scattering, the optical fiber can be on all its length, a continuously distributed sensor.The phenomenon of Brillouin scattering is well studied due to its big efficiency of scattering, its dependence towards temperature and strain and its pluri-kilometric reach. However, the double sensibility of the Brillouin frequency in temperature and strain is problematic for the simultaneous measurement of these two parameters. We shall present a possibility of discrimination of temperature and strain corresponding to the precisions wished for surveillance health monitoring.

L'évolution de la transmission des données par fibre optique s'est accélérée ces dernières années. Le besoin de transmettre des débits plus élevés (aujourd'hui supérieurs ou égaux à 40 Gb/s) sur des longueurs de transmission de plus en plus grandes ne cesse de croître. Malheureusement la sensibilité aux défauts de propagation augmente avec le débit, que ce soit pour les effets linéaires dus à la dispersion chromatique (CD) et à la dispersion de mode de polarisation (PMD - polarization- mode dispersion) de la fibre, ou les effets non linéaires essentiellement induits par l'effet Kerr (variation de l'indice de réfraction en fonction de l'intensité lumineuse). Dans ce contexte, ce travail de thèse rapporte l'étude des effets de la CD et de la PMD sur les transmissions hauts débits. En outre, la PMD est identifiée aujourd'hui comme la principale source de limitation de la bande passante et de la capacité de transmission autorisées sur une fibre. Par ailleurs, la biréfringence dans les fibres optiques représente la cause principale de la dispersion de mode de polarisation (PMD).Dans ce travail, nous nous sommes focalisés plus particulièrement sur l'étude des effets de la température sur la PMD dans les fibres monomodes standards (SMF) correspondant à la spécification ITU-G.652 utilisées dans les réseaux de transmission longues distances. En tenant compte de l'ellipticité du cœur de la fibre, la variation de la PMD en fonction de la température est étudiée à travers l'évolution de la biréfringence en fonction du paramètre V de la fibre pour différentes températures. Ce travail de thèse ouvre la voie pour développer une architecture permettant de compenser la PMD par traitement numérique du signal. L'idée sous jacente est de remplacer une technologie coûteuse (composants optiques) par une architecture numérique à faible coût, et plus universelle. Les travaux en cours sur la compensation de la PMD par voie électronique sont encourageants et semblent très prometteurs à court terme / The evolution of optical fibre transmissions accelerated these last years. The need to transmit high bit rates (today equal to or higher than 40 Gb/s) over increasingly large lengths of transmission is constantly growing. Unfortunately, the sensitivity of propagation to defects increases with the bit rate. These effects are related to chromatic dispersion CD, polarization mode dispersion PMD, or to nonlinear effects primarily induced by the effect Kerr (dependence of the index of refraction of fibre of the light intensity). In this context, this work focuses on the study of the effects of CD and the PMD on the optical transmissions. Moreover, the PMD is identified today as the principal source of limitation in high bit rate transmissions. In addition to that, birefringence in optical fibres represents the principal cause of PMD. In this work, we particularly focused on the study of the effects of the temperature on the PMD in monomode standards fibres (SMF) corresponding to specification ITU-G.652 used in the optical networks. By taking into account of the ellipticity of the fibre, the variation of the PMD according to the temperature is studied through the evolution of birefringence according to the parameter V of fibre for various temperatures. This work of thesis opens the way to develop an architecture making it possible to compensate for the PMD by digital signal processing. The main idea is to replace an expensive technology (optical components) by a numerical architecture at low cost, and more universal. The works in progress on the compensation of the PMD by electronic way are encouraging and seem very promising at short-term

Experimental observation of the 1D Kerr-Type cavity soliton Temporal cavity solitons constitute a remarkable family of light pulses. They don’t spread nor suffer losses and circulate indefinitely, round-trips after round-trips, along the closed path of a nonlinear cavity. To maintain their shape and power, they simply draw some energy from a continuous-wave external beam. Being robust attracting states, they can be easily written by an external pulse and naturally provide reshaping and wavelength conversion functionalities. We experimentally demonstrated the generation of such solitons. We were able to provide precise temporal and spectral characterization along with long-term observation. We also wrote the solitons in pairs and in data streams, showing that our fiber cavity could potentially be used as an all- optical buffer capable of storing 45,000 bits at 25G bits/s. These results have been recently published in Nature Photonics High repetition-rate pulse train generation through dissipative modulation instability in a passive fiber resonator In the early 90’s, a cavity configuration which allows for the generation of stable pulse trains through dis- sipative modulational instability was proposed. The experimental implementation of the so-called MI laser was demonstrated a few years later. Although the ideal parameters for the generation of a pulse train with a repetition rate in the THz range are easily deduced from the theory, no realization in that frequency range has been reported due to practical issues. Thanks to the tuning of the overall cavity dispersion based on the use of special fibers, we recently demonstrated the generation of a 1.6 THz repetition-rate optical pulse-train. Theoretical and experimental study of nonlinear symmetry breaking induced by the order dispersion in a passive fiber resonator In the regime of dissipative modulational instability, the repetition-rates of the generated pulse train can be tuned by changing the group-velocity dispersion (GVD) of the fiber. To reach the THz range, one has to drastically reduced the total GVD in the cavity. In that case, the next order of dispersion has to be included in the theoretical model describing the evolution of the intracavity field (here the mean field model). The third-order dispersion induces a drift of the pattern and an asymmetry in the spectrum. Both these effects can be precisely calculated by a multi-scale model describing the field evolution above threshold. This theoretical work has been confirmed by experimental measurements of the spectral asymmetry.

Th. doct.-ing.--Besançon, 1983. N°: 129.

Ces travaux concernent le développement d’un amplificateur à fibre optique souple, microstructurée, double-gaine, dopée ytterbium (Yb), et monomode à large coeur, dans la gamme d’impulsion nanoseconde, multi-kiloHertz et milliJoule, pour l’injection de chaînes lasers de puissance. L’architecture amplificatrice est mise en oeuvre dans une configuration MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) à plusieurs étages. Un modèle numérique de l’amplification sur fibre double-gaine dopée Yb, incluant l’émission spontanée amplifiée, a été développé pour étudier le comportement de ce type d’amplificateur fibré et procéder au dimensionnement du dispositif expérimental. Afin de s’affranchir du processus de saturation par le gain, un algorithme de contre-réaction permettant de déterminer numériquement la forme temporelle optimale a été associé au modèle. Nous avons obtenu des résultats expérimentaux en bon accord avec les simulations numériques, et avec les performances suivantes : une énergie de 0.5 mJ par impulsion à une fréquence de répétition dans la gamme de 1 kHz à 10 kHz, sur des impulsions à spectre étroit centré à la longueur d’onde 1053 nm, à profil temporel super-gaussien d’ordre 20 de durée 10 ns, avec un rapport signal-sur-bruit optique supérieur à 50 dB et un taux de maintien de la polarisation à 20 dB. Le profil spatial en sortie de système est monomode (M²=1.1). Ce dispositif peut également délivrer des énergies jusqu’à 1.5 mJ. Nous avons ensuite mis à profit ces performances pour l’amplification d’impulsions à dérive de fréquence, et avons obtenu une énergie par impulsion de 0.7 mJ sur une durée de 570 fs, à une fréquence de répétition de 10 kHz. / This work concerns the development of a double-clad ytterbium-doped single-mode microstructured flexible fiber-based amplifier, in the nanosecond, multi-kiloHertz and milliJoule regime, for large-scale laser facilities seeding. We have used a multi-stage master oscillator power amplifier fibered architecture. A numerical model of ytterbium-doped double-clad fiber-based amplification, including amplified spontaneous emission, was developed in order to study the behaviour of such amplifier and to correctly design the experimental set-up. This model was completed by a feed-back algorithm to numerically predict the optimal temporal shape to compensate the gain saturation process. We demonstrated experimental results in good agreement with numerical simulations, with the following performances: 0.5 mJ pulse energy, at a frequency repetition from 1 kHz to 10 kHz, with a narrow bandwidth spectrum centred at 1053 nm wavelength, with 10 ns pulse duration on a perfect super-Gaussian temporal profile, an optical signal-to-noise ratio better than 50 dB and a polarization extinction ratio of 20 dB. We checked that the beam quality was diffraction limited, with an M² measurement of 1.1. Moreover, the system can deliver energies up to 1.5 mJ. Then, we took the advantage of such results to amplify chirped pulses. We demonstrated 0.7 mJ pulse energy, with 570 fs duration at 10 kHz repetition frequency.

Ce mémoire de thèse s'inscrit dans le contexte du projet FUTUR financé par l'ANR et concernant le développement de Fonctions optiqUes pour les Transmissions à très haUt débit dans le Réseau coeur et porte sur la génération de sources optiques fibrées très hautes cadences et la caractérisation de fibres optiques microstructurées en verre de Chalcogénure. A cet effet, nous étudions les caractéristiques linéaires et non-linéaires au sein de fibres microstructurées en verre de chalcogénures conçue et réaliser via différentes collaborations dans le cadre du projet de l'ANR FUTUR. Pour cela un grand nombre de méthodes de caractérisations ont été mises au point donnant une comparaison entre une fibre SMF standard et ces fibres microstructurées chalcogénures. Par exemple, un montage interférométrique pour la mesure de la dispersion chromatique pour échantillon court, ou encore de nombreux banc expérimentaux permettant la caractérisations des propriétés non-linéaires des ces fibres (diffusion Raman, diffusion Brillouin, Coefficient non linéaire Kerr...). La seconde partie de ce mémoire présente la mise au point de méthode de conversion d'un battement sinusoïdal en un train d'impulsions hautement cadencé. Il est montré dans ce manuscrit que cette technique a été exploitée au plus prêt de ses limites, par l'obtention d'impulsions extrêmement courtes et par des débits très élevés. Les trains d'impulsions à très hautes cadences ont été caractérisés par un dispositif expérimental SHG-FROG. Une démonstration de la multiplication du débit par deux a été démontrée par l'effet Talbot.

Ces dernières années, le nombre de circuits intégrés micro-ondes utilisés dans les systèmes de télécommunications a fortement augmenté suite à l'utilisation de fréquences porteuses de plus en plus élevées. Ce type de circuits intégrés est très fréquemment utilisé dans les équipements pour la téléphonie mobile et pour les communications satellitaires. Le développement, la mise au point et l'optimisation des circuits intégrés nécessitent l'usage d'outils de mesure et de simulation performants. Ces outils permettent par exemple de localiser les points critiques de la conception. Considérant le nombre limité d'entrées et de sorties d'un circuit intégré, l'information sur les signaux électriques à l'intérieur même du circuit intégré est difficilement accessible. Plusieurs techniques de mesure permettant d'accéder à une mesure des champs électromagnétiques à l'intérieur des circuits ont donc été proposées ou sont en développement. Cette thèse est centrée sur le sondage des circuits micro-onde monolithiques intégrés (MMIC) à base d'Arséniure de Gallium. L'idée sous-jacente est d'exploiter les propriétés électro-optiques du substrat semi-conducteur. Un faisceau laser est focalisé sur le circuit à tester. Considérant que l'Arséniure de Gallium est "transparent" pour la longueur d'onde choisie, le faisceau entre dans le composant et il se réfléchit sur la face arrière. Le faisceau réfléchi est modulé par le signal micro-onde en vertu de l'effet Pockels qui impose une modification de l'indice de réfraction optique du matériau sous l'effet d'un champ électrique. Cette modulation, qui peut être mesurée, permet de déduire l'intensité du champ électrique le long du parcours de l'onde optique dans le circuit intégré. L'objectif de cette thèse est la construction d'un prototype à partir de travaux préliminaires réalisés dans le laboratoire du groupe de télécommunications optiques de Télécom Paris. Le but recherché est une conception simple, permettant une utilisation aisée de l'outil à des coûts de matériel réduits. Par conséquent, les composants utilisés sont tous des composants standards du commerce. La réalisation majeure de ce travail correspond à la mise au point d'un instrument entièrement automatisé amenant des mesures très fiables grâce l'utilisation d'équipements nouveaux nettement plus performants. En particulier avec l'utilisation de fibres à maintien de polarisation, toutes les manipulations du faisceau laser en espace libre sont évitées. Les logiciels d'acquisition de donnée ont été intégralement renouvelés et adaptés au produit. Un certain nombre de problèmes théoriques négligés dans les travaux précédents sont de plus réglés comme par exemple celui concernant la validité des résultats de sondage si la direction du champ électrique n'est pas connue exactement. Le problème de l'adéquation de la focalisation du faisceau laser sur le circuit intégré et de la résolution spatiale qui en découle a été analysé. Dans cette thèse, nous décrivons le développement de l'outil et les résultats correspondants. Nous démontrons que les résultats mesurés correspondent à la description théorique. Une sensibilité d'environ 2[mV/

L'explosion actuelle de l'utilisation des applications en temps réel, telles que la téléphonie et la vidéo haute définition, fait en sorte qu'une demande croissante en bande passante existe. Or, la fibre optique offre un très grand potentiel en termes de bande passante allant physiquement jusqu'à 50 terabits par seconde par fibre optique en utilisant un multiplexage en longueurs d'onde. La commutation de rafales en optique est une nouvelle technique de commutation permettant de tirer profit des avantages de la commutation de paquets et de la commutation de circuits. Une problématique majeure est le taux de perte élevé à cause du problème de la contention. Plusieurs techniques de résolution de la contention existent, notamment la déflexion et la retransmission. Dans la première partie de ce travail, on s'intéresse à combiner dynamiquement la déflexion et la retransmission d'une manière adaptative en tenant compte de l'état du réseau. L'algorithme proposé permet d'effectuer le plus de déflexions possibles tant que celles-ci ne déstabilisent pas le réseau. Les résultats démontrent également, avec des topologies fortement connectées telles que COST239, que l'algorithme proposé permet de diminuer radicalement les pertes en utilisant un ratio de déflexion très grand. La deuxième partie de ce travail porte sur la prévention de la contention en utilisant des tables de routage optimisées. Ces tables de routage sont optimisées en utilisant un modèle graphique probabiliste utilisé en intelligence artificielle, soit un réseau bayésien. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Fibre optique, WDM, Commutation de rafales, Contention, Déflexion, Retransmission.

Fondées sur des concepts théoriques plus complexes que les fibres optiques conventionnelles et d’une fabrication plus difficile, les fibres de Bragg en sont, plus de quarante ans après leur première proposition théorique, encore à leurs débuts. Le potentiel que leur confère leur mécanisme de guidage (dit « par bandes interdites photoniques ») reste, en grande partie, inexploré.Cette étude porte sur l’examen des performances des fibres de Bragg destinées au transport de fortes puissances. Pour cette application, la problématique est de concevoir une fibre permettant d’atteindre la plus grande Aire Effective possible pour son mode fondamental, tout en assurant une composition unimodale du faisceau de sortie. L’étude a été réalisée aussi bien d’un point de vue théorique, analytique, numérique qu’expérimental. Un modèle analytique permettant la modélisation des fibres de Bragg à grande Aire Effective et faibles contrastes d’indice lorsqu’elles sont exemptes de toute perturbation a tout d’abord été mis au point. Puis, le cas de l’application de macro-courbures sur les fibres de Bragg a été numériquement étudié. Enfin, le comportement des fibres de Bragg en la présence de micro-courbures a été expérimentalement analysé. Les performances des fibres de Bragg sont comparées à celles du profil de fibre le plus simple qui puisse exister : le profil saut d’indice. Les résultats numériques indiquent de meilleures performances pour les fibres de Bragg par rapport à cette solution lorsqu’elles sont exemptes de toute perturbation ou sujettes à des macro-courbures. Les premiers résultats indiquent que les sensibilités aux micro-courbures des deux types de fibre sont comparables. / Forty years after their first theoretical proposal, Bragg fibers are still in their infancy. Indeed, Bragg fibers are based on more complex theoretical concepts than conventional optical fibers and are more difficult to realize. Their potential due to their particular guiding mechanism (known as photonic bandgap) remains still largely unexplored. This study analyzes the performances of Bragg fibers for high-power delivery. For this application, the target is to design a fiber that reaches the largest possible Effective Area for the fundamental core-mode, while ensuring a single-moded output beam. The study was performed theoretically, analytically, numerically as well as experimentally. An analytical model for predicting the properties of Bragg fibers with large Effective Area and low-index contrast when they are no subjected to any perturbations has been first developed. Then, the case of the application of macro-bendings on the Bragg fiber has been studied numerically. Finally, the behavior of Bragg fiber in the presence of micro-bending has been experimentally investigated. Bragg fibers are compared to the simplest fiber profile that may exist: step index profile. The numerical results show better performances in the case of Bragg fibers when they are free from any perturbations or subjected to macro-bending. First results indicate that the sensitivities to micro-bending of the two types of fiber are comparable.

Les verres de chalcogénures combinent plusieurs propriétés : une transparence étendue dans l’infrarouge, un indice de réfraction élevé (n>2) et de fortes propriétés non-linéaires. La réalisation de fibres optiques microstructurées (FOMs) permet d’exacerber les effets non-linéaires et notamment en faisant varier les paramètres optogéométriques des fibres (d et Λ). Ainsi, des fibres à propagation monomode peuvent être obtenues ou encore des fibres dont les applications potentielles concernent l’optique active avec la génération d’effets non-linéaires. La réalisation de telles fibres passent par la synthèse de verres de chalcogénures de haute pureté. Par conséquent, les bandes d’absorption limitant la transparence des fibres doivent être identifiées et limitées au maximum. Pour cela, le suivi et la qualification des éléments utilisés lors de la synthèse des verres doivent être entrepris. Un protocole de synthèse et de purification par traitements thermiques a été mis en place en ce sens. La technique pour élaborer les FOMs en verres de chalcogénures est le moulage. Elle consiste à couler un verre dans un moule entièrement réalisé en silice. Ce dernier présente la géométrie inverse de la fibre désirée. Cette méthode permet d’obtenir des géométries variées et reproductibles en passant par des fibres monomodes et multimodes avec des diamètres de cœur allant de 2 μm jusqu’à plus de 20 μm. La réalisation de sources infrarouges a été développée dans le manuscrit. Cela a été rendu possible dans un premier temps par la génération d’un supercontinuum à l’aide d’une fibre à cœur suspendu puis par la réalisation d’un laser à cascade quantique (QCL) couplé à une fibre monomode. De plus, une fibre à maintien de la polarisation (FMP) dans le moyen infrarouge, présentant une biréfringence de groupe de l’ordre de 10-3 a été élaborée grâce à l’évolution du moule de silice. De plus, un coupleur tout-optique, une fibre toute-solide et un faisceau de fibres infrarouges complètent les réalisations obtenues au cours de cette thèse. / Chalcogenide glasses combine several properties : large transparency in the infrared range, a high refractive index (n>2) and strong non-linear properties. The realization of microstructured optical fibers (MOFs) exacerbates non-linear effects more particularly by varying the opto-geometrical parameters of the fibers (d and Λ). Thus, single-mode propagation can be obtained and also generation of non-linear effects. The realization of high purity chalcogenide glasses is needed. In fact, absorption bands limiting the transparency of the fibers must be identified and minimized. For this, monitoring and qualification of components used in the synthesis of glasses should be undertaken. A protocol of synthesis and purification by heat treatment was implemented in this direction. The technique to elaborate MOFs is the casting method. It consists of flowing a glass on a silica mold. The geometry is the negative shape of the desired fiber. This method allows the realization of multimode or single-mode fiber in the 1-10 μm window. The realization of infrared sources was developed in the manuscript. The generation of a supercontinuum with a suspended-core fiber has been presented and also by the realization of a quantum cascade laser (QCL) coupled into a singlemode fiber. In addition, a polarization-maintaining fiber (PMF) having a group birefringence of the order of 10-3 was developed through the evolution of the silica mold. In addition, an optical coupler, an all-solid fiber and an infrared bundle were achieved during this thesis.