Les micro-résonateurs optiques comptent parmi les dispositifs les plus importants en photonique. Les résonateurs WGM sont assez particuliers. Il s'agit de composant présentant une symétrie circulaire comme c'est le cas des sphères, des anneaux, des disques et des tores. Les résonateurs WGM présentent un facteur de qualité exceptionnel et un volume modal très faible. Ces appareils peuvent être utilisés dans plusieurs domaines, notamment la télédétection, le filtrage optique et l'optique non linéaire. D'autres applications sont possibles en biologie, médecine, spectroscopie moléculaire, surveillance environnementale, astronomie et astrophysique grâce à l'exploitation du rayonnement moyen infrarouge. Les micro-résonateurs optiques comportent un grand nombre de transitions vibrationnelles qui agissent comme des «empreintes» pour de nombreuses molécules organiques permettant le développement d'applications spectroscopiques innovantes et de nouveaux capteurs. Il convient de noter que l'atmosphère de la terre est transparente au niveau des deux fenêtres de transmission atmosphérique. La première est comprise entre 3 et 5 μm et la seconde entre 8 et 13 μm, ce qui rend possible des applications telles que la détection d'explosifs à distance ainsi que le brouillage de communication confidentielles. La large fenêtre de transparence en verres de chalcogénures dans le domaine spectral infrarouge rend envisageable le développement de nombreuses applications. Les verres de chalcogénure sont caractérisés par une bonne résistance mécanique et une durabilité chimique suffisante dans l'eau et l'atmosphère. Par ailleurs, l'indice de réfraction élevé, le rendement quantique élevé, l'énergie de phonon faible et la solubilité importante des terres rares permettent des émissions dans le domaine spectral du moyen IR. Dans cette thèse, la conception de dispositifs innovants en chalcogénure pour des applications utilisant le moyen infrarouge est étudiée en utilisant un code d'ordinateur personnel formé de façon aléatoire. Les appareils reposent sur des trois types de micro-résonateurs : les microsphères, les micro-disques et les microbulles. Les résonateurs WGM sont efficacement excités à l'aide de fibres nervurées et de guides d'ondes optiques de forme conique. Le nouveau procédé de conception est développé en utilisant la méthode d'optimisation par essaims particulaires (PSO). Elle permet de maximiser le gain d'un amplificateur reposant sur une microsphère d'émission laser dopée à l'erbium à 4,5 μm. Une technique innovante permettant de caractériser les propriétés spectroscopiques de la terre rare intégrant la recherche électromagnétique en mode WGM grâce à l'algorithme PSO a été développée. Les valeurs récupérées sont entachées d’une erreur inférieure à celle prévue par les instruments de mesure ayant un coût élevé. Des applications intéressantes peuvent être obtenues en excitant le micro-résonateur avec une fibre conique présentant deux LPG identiques sur les côtés. En effet, les FLP peuvent sélectionner le couplage de modes de fibre avec le résonateur WGM. En utilisant différentes paires de FLP identiques, opérant dans différentes bandes de longueurs d'onde, il est possible de coupler de façon sélective différents résonateurs à l'aide de la même fibre optique. Un code informatique aléatoire a été développé et validé. Il a démontré la faisabilité d'un capteur de microbulles de glucose. Un microdisque en terre rare dopé est étudié pour obtenir une source de lumière compacte et économique dans l'infrarouge moyen. Un code informatique est développé afin de simuler un micro-disque de terre rare dopé et associé à deux guides d'ondes nervurés, un pour le signal et l'autre pour la pompe. Le modèle est validé à l'aide d'un micro-disque dopée à l'erbium émettant à 4,5 μm. Ce dispositif très prometteur pour des applications dans le moyen infrarouge est obtenu en utilisant un micro-disque de praséodyme dopé émettant à 4,7 μm. / Optical micro-resonators represent one of the most important devices in photonics. A special kind is constituted by the WGM resonators, i.e. devices with circular symmetry such as spheres, rings, disks and toroids. They are characterized by very small dimensions, exceptionally quality factor and very low modal volume becoming a valuable alternative to the traditional optical micro-resonators, such as Fabry-Pérot cavities. These devices allow applications in several fields, such as sensing, optical filtering and nonlinear optics. In particular, different applications in biology and medicine, molecular spectroscopy, environmental monitoring, astronomy and astrophysics are feasible in Mid-Infrared wavelength range. For example, it includes a lot of strong vibrational transitions that act as “fingerprints” of many bio-molecules and organic species allowing the develop of innovative spectroscopic applications and novel sensors. In addition, the earth's atmosphere is transparent in two atmospheric transmission windows at 3–5 μm and 8–13 μm and then applications such as remote explosive detection, e.g. in airports and for border control, and covert communication systems are feasible. The wide transparency window of chalcogenide glasses in Mid-Infrared makes possible the development of several devices. Chalcogenide glasses are characterized by good mechanical strength and chemically durability in water and atmosphere. Furthermore, the high refractive index, high quantum efficiency, the low phonon energy and high rare-earth solubility enables the emissions at long wavelengths.In this thesis, the design of innovative chalcogenide devices for applications in Mid-Infrared is investigated using an ad-hoc home-made computer code. The devices are based on three kinds of micro-resonators: microspheres, micro-disks and microbubbles. The WGM resonators are efficiently excited by using tapered fiber and ridge waveguides. A novel design procedure is developed using the particle swarm optimization approach (PSO). It allows to maximize the gain of an amplifier based on an erbium-doped microsphere lasing at 2.7 μm.An innovative technique in order to characterize the spectroscopic properties of rare-earth is developed integrating the WGM electromagnetic investigation with PSO algorithm. The method is based on two subsequent steps: in the first one, the geometrical parameters are recovered, in the second one, the spectroscopic parameters. The recovered values are affected by an error less than that provided by high-cost measurement instruments. Furthermore, the procedure is very versatile and could be applied to develop innovative sensing systems.Interesting applications could be obtained exciting the micro-resonator by a tapered fiber with two identical LPGs on the sides. Indeed the LPGs can select the fiber modes coupling with the WGM resonator. Using different pairs of identical LPGs operating in different wavelength bands, it is possible to selective couple different micro-resonators by using the same optical fiber. An ad-hoc computer code is developed and validated and it demonstrated the feasibility of a microbubble glucose sensor.In order to obtain a compact and cost-saving light source in Mid-Infrared, rare-earth doped micro-disk are investigated. A computer code is developed in order to simulate a rare-earth doped micro-disk coupled to two ridge waveguide, one at signal wavelength and the other one at pump wavelength. The model is validated using an erbium-doped micro-disk emitting at 4.5 μm. A very promising device for application in Mid-Infrared is obtained using a praseodymium-doped micro-disk emitting at 4.7 μm.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la réponse aux radiations d'amplificateurs à fibre optiques dopées Er 3+ et Yb3+. Ces dispositifs fonctionnant à 1,5 µm ont été conçus pour des applications spatiales et l'évaluation de leurs performances revêt d’une importance capitale dans un tel environnement hostile. Deux traitements, le chargement en H2 et le co-dopage au Ce du cœur de la fibre, ont été étudiés comme solutions de durcissement aux radiations. Une étude spectroscopique a permis d’approfondir la connaissance des mécanismes physiques de base responsables de la dégradation de ces composants et par conséquent de proposer des solutions de durcissement. La thèse est organisée en trois parties. La Partie I présente une description générale des fibres dopées aux ions de Terres Rares (TR), avec l'introduction des concepts de base de la physique de tels éléments et leur interaction avec la matrice hôte (verre phosphosilicate). L'état de l'art concernant les effets des rayonnements sur les fibres dopées aux TR est également présenté. La Partie II décrit les échantillons et les techniques expérimentales utilisées. La Partie III décrit les principaux résultats dont les tests, en configuration active, démontrent que le co-dopage au Ce ainsi que le chargement en H2 ont un rôle-clé dans la limitation des pertes induites par rayonnement. L'analyse spectroscopique de la matrice vitreuse (Raman) et des ions TR (par mesures de luminescence stationnaire et résolue en temps) mettent en exergue un fort effet de durcissement, conduisant à une préservation de l'efficacité du système physique en opération / This thesis is devoted to the study of the radiation response of optical amplifiers based on Er/Yb doped fibers. These devices operating at 1.5 µm are conceived for space applications and contextually the evaluation of their performance in such harsh environment becomes of crucial importance. Two treatments, the H2-loading and the Ce-doping of the fiber core, are investigated as radiation hardening solutions. A spectroscopic study has been associated, in order to improve the knowledge of the physical mechanisms responsible for the signal degradation and the action of the hardening solutions. The thesis is organized in three parts. Part I deals with a general description of the Rare-Earth (RE)-doped fibers, with the introduction of some basic concepts of the RE-ion physics and their interaction with the host matrix material (phosphosilicate glass). The state-of-art of the radiation effects on the optical fibers, particularly the RE- doped fibers, is also overviewed. Part II describes the samples (fiber fabrication, geometry and chemical compositions), and the used experimental techniques, including a short discussion on the related theoretical background. Part III describes the main results; firstly, the active tests, performed on the RE-doped fiber as part of an optical amplifier, demonstrate that the Ce-codoping and H2-load have a key-role in the limitation of the radiation induced losses. Then, the spectroscopic analysis of the phosphosilicate glass (Raman study) and of the RE-ions (stationary and time-resolved luminescence) show a stabilization effect due to the two treatments, leading to a preservation of the high efficiency of the physical system under study

Les formats de modulation bidimensionnels (i.e. basés sur l’amplitude et la phase de l’onde porteuse) ont gagné depuis peu le domaine des transmissions par fibre optique grâce aux progrès conjoints de l’électronique rapide et du traitement du signal, indispensables pour réaliser les récepteurs opto-électroniques utilisant la détection cohérente des signaux optiques. Pour pallier les limites actuelles en rapidité de commutation des circuits intégrés électroniques, une voie de recherche a été ouverte il y a quelques années, consistant à utiliser des technologies optiques pour faciliter la parallélisation du traitement du signal, notamment dans l’étape d’échantillonnage ultra-rapide du signal rendu possible par des horloges optiques très performantes. Le thème principal de cette thèse concerne l’étude théorique et expérimentale de la fonction de conversion analogique-numérique (ADC) de signaux optiques par un récepteur opto-électronique cohérent, associant les étapes d’échantillonnage optique linéaire, de conversion analogique-numérique et de traitement du signal. Un prototype, utilisant une solution originale pour la source d’échantillonnage, est modélisé, réalisé et caractérisé, permettant la reconstruction temporelle de signaux optiques modulés selon divers formats : NRZ, QPSK, 16-QAM. Les limitations optiques et électroniques du système sont analysées, notamment l’impact sur la reconstruction des signaux de divers paramètres : le taux d’extinction de la source optique, les paramètres de l’ADC (bande passante BW, temps d’intégration et nombre effectif de bits ENOB). Par ailleurs, de nouveaux algorithmes de traitement du signal sont proposés dans le cadre de la transmission optique cohérente à haut débit utilisant des formats de modulation bidimensionnels (amplitude et phase) : deux solutions sont proposées pour la compensation du déséquilibre de quadrature IQ dans les transmissions mono-porteuses: une méthode originale de l’estimation du maximum du rapport signal sur bruit ainsi qu’une nouvelle structure de compensation et d’égalisation conjointes; ces deux méthodes sont validées expérimentalement et numériquement avec un signal 16-QAM. Par ailleurs, une solution améliorée de récupération de porteuse (décalage de fréquence et estimation de la phase), basée sur une décomposition harmonique circulaire de la fonction de maximum de vraisemblance logarithmique, est validée numériquement pour la première fois dans le contexte des transmissions optiques (jusqu’à une modulation de 128-QAM). Enfin les outils développés dans ce travail ont finalement permis la démonstration d’une transmission sur 100 km d’un signal QPSK à 10 Gbaud fortement limité par un bruit de phase non linéaire et régénéré optiquement à l’aide d’un limiteur de puissance préservant la phase basé sur une nanocavité de cristal photonique. / Bi-dimensional modulation formats based on amplitude and phase signal modulation, are now commonly used in optical communications thanks to breakthroughs in the field of electronic and digital signal processing (DSP) required in coherent optical receivers. Photonic solutions could compensate for nowadays limitations of electrical circuits bandwidth by facilitating the signal processing parallelization. Photonic is particularly interesting for signal sampling thanks to available stable optical clocks. The heart of the present work concerns analog-to-digital conversion (ADC) as a key element in coherent detection. A prototype of linear optical sampling using an original solution for the optical sampling source, is built and validated with the successful equivalent time reconstruction of NRZ, QPSK and 16-QAM signals. Some optical and electrical limitations of the system are experimentally and numerically analyzed, notably the extinction ratio of the optical source or the ADC parameters (bandwidth, integration time, effective number of bits ENOB). Moreover, some new DSPs tools are developed for optical transmission using bi-dimensional modulation formats (amplitude and phase). Two solutions are proposed for IQ quadrature imbalance compensation in single carrier optical coherent transmission: an original method of maximum signal-to-noise ratio estimation (MSEM) and a new structure for joint compensation and equalization; these methods are experimentally and numerically validated with 16-QAM signals. Moreover, an improved solution for carrier recovery (frequency offset and phase estimation) based on a circular harmonic expansion of a maximum loglikelihood function is studied for the first time in the context of optical telecommunications. This solution which can operate with any kind of bi-dimensional modulation format signal is numerically validated up to 128-QAM. All the DSP tools developed in this work are finally used in a demonstration of a 10 Gbaud QPSK 100 km transmission experiment, featuring a strong non-linear phase noise limitation and regenerated using a phase preserving and power limiting function based on a photonic crystal nanocavity.

La majeure partie des communications mondiales est transportée par des systèmes transocéaniques à fibre optique. Il est estimé que d'ici 2020 le trafic de données atteindra 4.3 ZB par an. Afin de faire face à cette demande, différentes technologies sont actuellement étudiées pour augmenter la capacité des systèmes de transmission très longue distance. Avec l'avènement des circuits intégrés à haute vitesse, des formats de modulation avancés et des techniques de traitement de signal numérique (DSP) peuvent être utilisés pour maximiser l'efficacité spectrale de transmission. Par ailleurs, la capacité des systèmes modernes est fortement limitée par les effets non-linéaires de type Kerr dans la fibre. Ainsi, la première partie de ce travail est axée sur l’étude de la performance et des gains réalisables par des techniques DSP à faible complexité pour mitiger les effets non-linéaires monocanal. En outre, l’utilisation des formats de modulation multiniveaux à haute efficacité spectrale au-delà de 16QAM a pris de l'ampleur pour augmenter le débit de transmission des systèmes, notamment avec l’introduction des formats QAM avec mise en forme probabiliste (PCS-QAM), plus performants que les formats QAM classiques. La deuxième partie de ce travail présente donc une comparaison théorique ainsi qu’expérimentale du format PCS-64QAM avec d’autres formats à haute efficacité spectrale pour les distances transatlantiques. La mise en œuvre d’un format PCS-64QAM conçu pour les distances transpacifiques est également abordée. Enfin, la dernière partie de ce travail concrétise les résultats des travaux menés dans les deux sections précédentes en présentant plusieurs records de transmission / Global data traffic is expected to reach up to 4.3 ZB per year by 2020. With the majority of the global communications being transported on submarine point-to-point fiber-optic systems, different cutting-edge technologies have been under research to cope with this unprecedented traffic growth. Continuous advances in high-speed integrated circuits have allowed the use of advanced modulation formats and digital signal processing (DSP) techniques to maximize the transmission spectral efficiency. With mitigation of fiber linear effects efficiently carried out by DSP with relative low-complexity, the capacity of modern fiber optic systems rests limited by fiber nonlinearities. To this extent, in the first part of this work, the performance and achievable benefits of low-complexity DSP techniques aiming to mitigate fiber Kerr nonlinear effects are investigated. Besides nonlinear compensation techniques, the use of multi-level modulation formats beyond 16QAM and high symbol rate channels have gained momentum to increase the system spectral efficiency. One of the major breakthroughs in the recent years, has been the introduction of QAM-based probabilistic constellation shaping (PCS-QAM), which has proven to outperform regular QAM formats. In this sense, in the second part of this work, the practical achievable rate increase brought by PCS-QAM for transoceanic distances is investigated. A theoretical and experimental comparison with other high-capacity formats is performed, and the design of a PCS-QAM for trans-Pacific distances is addressed. Finally, in the last section, several transmission records using the two above techniques are reported

Les systèmes de communications optiques jouent un role important pour satisfaire la demande incessante de trafics de données. Cette demande, induite par des applications gourmandes en termes de bande passante et débit, necéssite une augmentation de la capacité des réseaux optiques d’accès et par conséquent une augmentation des capacités de réseaux de transports métropolitains et longues distances. La prochaine génération de systèmes WDM longue distance devrait opérée à des débits de 400Gbps ou 1Tbps. Cette montée en débit s’appuiera sur des nouvelles formes d’ondes avancées de type mono-porteuse (Nyquist-WDM) ou multi-porteuse (OFDM multi-bande). Ces approches sont basées sur le multipléxage de plusieurs porteuses espacées par des intervalles de garde réduits. D’autre part, pour générer ces très haut débits, des modulations multi-états sont utilisées pour chaque porteuse grâce à leur efficacité spectrale élevée. Ces types de systèmes, qui combinent à la fois les approches multi-bande et les modulations multi-états, sont extrêmement vulnérables aux effets nonlinéaires de la fibre optique. En fait, les effets nonlinéaires sont dépendants de la puissance de transmission et inversement proportionels à l’intervalle de garde. Cela rend leur compensation indispensable pour maintenir des bonnes performances des systèmes en terme de distance de transmission. Grâce à l’emploi de récepteurs à détection cohérente, des techniques de traitement du signal numérique sont utlisées pour combattre les effets nonlinéaires. Dans cette thèse, nous avons proposé des nouvelles techniques basées sur les séries de Volterra et les égaliseurs à retour de decision pour compenser respectivement les effets nonlinéaires intrabande et les interférences nonlinéaires inter-bande. / Optical communication systems have evolved since their deployment to meet the growing demand for high-speed communications. Over the past decades, the global demand for communication capacity has increased exponentially and the most of the growth has occurred in the last few years when data started dominating network traffic. In order to meet the increase of traffic demands fueled by the growth of internet services, an increase of access network capacity and consequently metro and long-haul network capacities is required. Next generation of long-haul WDM transmission systems is expected to operate at 400Gbps or 1Tbps bit rate. Superchannel approaches, such as Nyquist WDM and multi-band OFDM, allow both high spectral efficiency and small guardband which makes them promising candidates to generate these high bit rates in combination with multi-level modulations formats. Such transmission systems are strongly disturbed by fiber nonlinear effects which increase with the data rate and the small guard band. Therefore, fiber nonlinearities compensation is required to get the desired performance in terms of transmission reach. DSP based approaches such as digital back propagation and third-order Volterra based nonlinear equalizer have been already proposed to deal with intra-channel or intra-band nonlinear effects. In the context of superchannel systems, we have proposed two new compensation techniques to deal with fiber nonlinear effects. The first one, called fifth-order inverse Volterra based nonlinear equalizer, compensate for intra-band nonlinear effects. The second approach, which is the interband/ subcarrier nonlinear interference canceler, is proposed to combat the nonlinear interference insuperchannel systems.

Aujourd’hui, trois technologies distinctes et complémentaires sont disponibles pour réaliser des mesures réparties de température, de déformation ou de vibration grâce à l’analyses des rétrodiffusion Raman, Brillouin et Rayleigh. Les besoins industriels actuels se portent sur la mesure répartie de déformation pour des infrastructures avec de longs linéaires, comme les canalisations, pour lesquelles une cartographie linéaire et en temps réel de leur état est demandée. Nous nous focalisons alors sur la conception d’un système de mesure Brillouin capable de mesurer de manière répartie et dynamique les déformations subies par une fibre optique. La méthode employée sera celle du flanc de frange ; elle a déjà été développée et expérimentée sur une architecture opto-électronique de type analyseur Brillouin (Brillouin-OTDA), nécessitant l’accès aux deux extrémités de la fibre optique. Dans notre cas, elle est implémentée sur une architecture fonctionnant en réflectométrie. Les résultats expérimentaux obtenus seront caractérisés et validés par la simulation des mesures de la déformation et du déplacement d’une canalisation supportée entre deux appuis simples ; un modèle mécanique, adapté à cette configuration et transposable sur des projets réels, est développé. Par le biais de partenaire industriels de Cementys, ce modèle est utilisé dans deux projets de surveillance de canalisation d’hydrocarbures dont les moyens d’installation et la finalité sont différents. / Today, three distinct and complementary technologies are available for distributed temperature, strain or vibration measurements with the analysis of Raman, Brillouin and Rayleigh backscattered light. Current industrial needs are distributed strain measurements for linear infrastructures, such as pipelines, for which linear and real-time strain distribution is required. The research work aims to design a new distributed and dynamic strain measurement system based on the analysis of spontaneous Brillouin backscatter by reflectometry. Slope assisted technique is used to accelerate the measurement acquisition, currently limited to static events because of their actual principle of sweep frequency acquisition of the Brillouin backscattering spectrum. The experimental results are characterized and validated by the simulation of the measurements of the deformation and displacement of a pipe supported between two simple supports. A mechanical model, adapted to this configuration and transposable on real projects, is developed. Through Cementys industrial partner, this model is then used for two monitoring project of pipelines with different installation facilities and purpose.