L'optique intégrée est une technique très prometteuse pour une fabrication de masse de circuits optiques pour les télécommunications et/ou l'instrumentation.<br />La technologie sol-gel a déjà démontré son potentiel. Un nouveau matériau sol-gel hybride à polymérisation cationique de type Epoxy a été développé dans le but de la simplification de la synthèse et de l'amélioration des performances en particulier l'adhérence.<br />Ce travail a pour objectif le développement d'un banc d'écriture laser UV dans une couche Epoxy et l'établissement du protocole de fabrication associé. Ce procédé de polymérisation locale est une alternative prometteuse aux techniques lithographiques par masque.<br />Ce nouveau banc utilise un laser pulsé travaillant à faible longueur d'onde pour une meilleure résolution et une meilleure polymérisation.<br />Ce travail a montré la faisabilité de circuits complexes de type multiplexeurs WDM avec un procédé d'inscription à faible coût. Nous avons réalisé les premiers prototypes de circuits dédiés à la sélection multiple de longueurs d'onde pour le (dé)codage du CDMA optique spectral.

La thèse s'inscrit dans le développement de systèmes d'instrumentation pour les structures intelligentes du génie civil. Elle dresse un panorama des capacités d'un nouveau capteur pour l'évaluation dynamique des ouvrages : l'Extensomètre à fibre optique de Longue Base de mesure Continûment Attaché (ELB-CA). Un modèle analytique complet de la mesure des capteurs est déterminé et appliqué au cas des poutres d'Euler-Bernoulli. Les divers traitements et études (par exemple par analyse en ondelettes) réalisés sur les réponses numériques et expérimentales de l'ELB-CA ont permis de dégager quelques caractéristiques des ELB-CA. Certaines sont spécifiques à la base de mesure du capteur : filtrage de modes pour le contrôle des structures et détection de défauts à partir de la courbure modale. D'autres, comme la détection de non-linéarités géométriques ou l'obtention de formes modales différentes, sont liées au type de mesure réalisée et peuvent s'appliquer à tous les extensomètres.

Cette thèse rapporte les premières études exploratoires menées en vue de réaliser un amplificateur optique fonctionnant dans la bande S des télécommunications (autour de 1470 nm) dans une fibre en silice dopée au thulium dans le but d'augmenter la bande passante utilisable par le procédé de multiplexage en longueur d'onde (WDM) des réseaux optiques en silice standard. Pour permettre d'amplifier un signal optique à l'aide des ions de thulium dans une fibre composé d'un verre à haute énergie de phonon comme la silice, nous avons adapté les processus de fabrication des préforme par MCVD de manière à modifier de moins de 10% mol la composition du cœur de silice de la fibre. Ainsi, l'apport d'Al2O3 permet, en modifiant l'environnement des terres rares, de réduire les désexcitations non radiatives entre les niveaux 3H4 et 3H5 des ions de thulium. Le temps de vie du niveau 3H4 est ainsi multiplié par 3, de 14us pour la silice pure à 50us pour 8,7 %mol d'al2O3. L'efficacité quantique passe alors de 2% à plus de 8%. Grâce à cette amélioration du matériau et à l'optimisation des paramètres optogéométriques de la fibre optique à l'aide d'un modèle numérique, nous avons pu mesurer l'amplification en bande S d'un signal lumineux sur un échantillon majoritairement composé de silice fabriqué au laboratoire. Ce gain, de plus de 1dB pour 1400mW de puissance de pompe optique, est un résultat de premier ordre pour ce type de dispositif, validant l'approche de la modification de l'environnement du thulium dans la silice. De plus les simulations numériques prédisent un gain supérieur à 20 dB pour 1W de puissance de pompe pour le matériau élaboré, avec un schéma de pompage plus efficace.

L'usage des capteurs à fibres optiques devient pratique courante en Génie Civil, et ce typiquement pour les mesures de déformations à coeur ou en surface des matériaux de structures. Les performances métrologiques atteintes d'une telle instrumentation en conditions réelles d'emploi, et en particulier dans le béton, dépendent de l'effet de filtrage créé à la fois par la structure du capteur, les interfaces entre l'environnement et l'élément sensible, la présence d'hétérogénéités, et l'effet d'inclusion au sein du matériau d'emploi. Certaines informations sont accessibles (ex. : grandeurs géométriques). D'autres au contraire, sont déterminées à partir d'hypothèses et de validations expérimentales (ex. : comportements d'un assemblage de matériaux aux propriétés physico-mécaniques différentes). Pour mieux comprendre les phénomènes mis en jeu, et faciliter ainsi à l'utilisateur l'interprétation des informations délivrées par les fibres optiques, des simulations numériques par éléments finis ont été réalisées. Plusieurs modèles ont été testés, en examinant notamment l'influence de la rigidité, des conditions d'ancrage et de la géométrie des capteurs. Parallèlement, des comparaisons ont été effectuées avec des expérimentations réalisées en laboratoire. Des recommandations ont pu ainsi être tirées de ces études, pour l'amélioration de la conception, et de la mise en place sur ouvrages, de tels capteurs.

Ce mémoire présente l'étude et la réalisation d'un lien optique performant assurant le transfert de la stabilité des références de fréquence disponibles sur le site de Besançon.<br />Dans ce cadre, nous avons développé et testé trois dispositifs d'asservissement qui permettent de corriger les fluctuations de phase des signaux qui transitent dans la fibre optique. Ces trois systèmes sont ensuite comparés en termes de performances, de stabilité et de leurs limitations respectives.<br />Une des applications concrètes de ce système, consiste à réaliser une horloge composite tirant profit des meilleures stabilités accessibles, utilisant un oscillateur à quartz synchronisé simultanément sur une horloge à césium et un maser à hydrogène. La méthode proposée est originale et est basée sur une boucle à verrouillage de fréquence (FLL).<br />Enfin, nous avons proposé une réalisation physique d'une échelle de temps en intégrant les données de BIPM dans notre algorithme.

Cette thèse porte sur l'utilisation du processus d'amplification paramétrique dans le fibres optiques dans le cadre d'applications en télécommunications (collaboration avec Alcatel) et sur la génération de supercontinuum spectraux. Les Amplificateurs Paramétriques à Fibres Optiques (FOPA) possèdent un potentiel intéressant en vue d'applications en télécommunications, en raison des larges bandes de gain disponibles, de leur accordabilité en longueur d'onde et de leurs propriétés de conversion de fréquence. Nous proposons un travail principalement théorique afin de vérifier la compatibilité de cette nouvelle famille d'amplificateurs avec les performances que requièrent les systèmes de télécommunications actuels. Différents formats de modulation de phase de la pompe sont étudiés afin de s'affranchir de la diffusion Brillouin stimulée, susceptible d'être engendrée par les puissantes pompes continues mises en oeuvre dans ces amplificateurs. Les performances de ces pompes sont ensuite évaluées sur des signaux monochromatiques et sur des signaux modulés en intensités. Ces résultats théoriques, en accord qualitatif avec des essais expérimentaux réalisés par Alcatel, montrent que la modulation de phase de la pompe induit des variations d'intensité pénalisantes pour des applications en télécommunications. Plusieurs solutions permettant de s'en affranchir sont alors proposées. D'autre part, nous démontrons qu'une mesure correcte de la figure de bruit de ces amplificateurs doit être effectuée dans le domaine des radiofréquences. L'amplification de signaux WDM est ensuite étudiée et nous démontrons qu'un positionnement spectral particulier du peigne WDM par rapport à la longueur d'onde de pompe permet de minimiser les interactions paramétriques parasites entre signaux et pompe. Par ailleurs, nous illustrons l'impact des fluctuations longitudinales de la longueur d'onde de dispersion nulle sur l'allure des courbes de gain d'un FOPA. La sensibilité des FOPAs à ces fluctuations nous a d'ailleurs permis de développer une nouvelle méthode de cartographie de la longueur d'onde de dispersion nulle d'une fibre optique de quelques centaines de mètres seulement. Enfin, une étude plus prospective de l'impact de la cohérence partielle d'ondes continues et intrinsèquement spectralement larges de type lasers à fibres sur le processus d'Instabilité de Modulation (MI) est proposée. D'une part nous démontrons que ce processus combiné à l'émission d'ondes dispersives permet d'expliquer l'élargissement spectral asymétrique observé expérimentalement. D'autre part, que l'utilisation de lasers à fibres pour pomper des FOPAs serait envisageable sous certaines conditions. Concernant la génération de supercontinuum spectraux dans les fibres optiques, nous proposons un dispositif expérimental simple, composé d'un micro-laser et d'une fibre de télécommunication standard, qui permet d'obtenir un supercontinuum monomode spatialement de plus de 1100 nm.

Cette thèse porte sur une étude détaillée, théorique et expérimentale, des phénomènes paramétriques, de la diffusion Raman stimulée et de leurs interactions mutuelles, survenant lors de la propagation d'ondes électromagnétiques intenses dans les fibres optiques unimodales. Ce travail vise notamment à suggérer de nouvelles fonctions de traitement tout-optique pour les télécommunications par fibres optiques. Une partie importante du travail met à profit la forte biréfringence des fibres à maintien de polarisation pour réaliser l'amplification paramétrique (ou instabilité de modulation induite) de signaux impulsionnels dans le régime de dispersion normale. Une approche phénoménologique montre l'équivalence physique entre le mélange à quatre ondes et l'instabilité de modulation. L'amplification de la fluorescence paramétrique, à partir du bruit quantique, présente un gain quasi-exponentiel en fonction de la puissance de pompe alors que l'amplification d'un signal évolue selon une loi en cloche à cause du déphasage non linéaire induit par la pompe. Les résultats expérimentaux mettent en évidence cette dynamique en cloche et confirment la validité du modèle d'instabilité de modulation. En remplacement des sources impulsionnelles de puissance, une expérience supplémentaire utilisant des microlasers permet d'obtenir des gains supérieurs à 20 dB dans 20 m de fibre. Enfin l'étude des aspects temporels liés à l'amplification paramétrique par biréfringence révèle la génération de trains d'impulsions solitons noirs à des cadences supérieures au THz. Une partie complémentaire analyse le processus d'intermodulation de phase dégénérée dans une fibre biréfringente et permet de décrire les effets spectraux et temporels, liés à l'utilisation d'impulsions picosecondes, qui affectent la propagation des ondes sur les axes de polarisation de la fibre. Les effets combinés de l'intermodulation de phase et de la différence de temps de groupe provoquent des rétrécissements et des asymétries des spectres modulés ainsi que des modulations temporelles rapides, en comparaison avec la situation ou une impulsion est polarisée selon une ligne neutre. Cette comparaison permet de mesurer la biréfringence des fibres sur une grande dynamique (103) et une bonne précision (5%). Une expérience montre ensuite la possibilité de décaler en fréquence des signaux par in termodulation de phase dégénérée sur une plage de 0 à ± 0,3 nm. Le troisième volet étudie les effets de couplage entre le mélange à quatre ondes et la diffusion Raman stimulée (DRS) en régime de dispersion normale pour réaliser de la conversion en longueur d'onde. Un signal picoseconde à la fréquence Raman anti-Stokes, injecté avec une impulsion pompe, induit la génération d'une impulsion Stokes par couplage paramétrique. La longueur de couplage, très faible, est cependant suffisante pour que l'amplification Raman Stokes prenne ensuite le relais, même très en dessous du seuil de DRS habituel. Cette méthode est originale puisqu'elle démarre sur un processus paramétrique complètement désaccordé en phase, mais assisté par l'amplification Raman Stokes et l'absorption anti-Stokes. Il permet ainsi une conversion/amplification tout-optique ultra-rapide de fréquences avec de très grands décalages spectraux (26 THz), normalement inaccessibles à la conversion paramétrique pure. Une application intéressante de ce procédé réside dans la possibilité de réaliser une conversion de longueur d'onde 1,3 Μm↑1,5 Μm entre les deux fenêtres spectrales des télécommunications. Bien que la diffusion Raman stimulée (DRS) dans les fibres optiques puisse être mise à profit pour un certain nombre d'applications, ce même processus peut être également source de pénalité en puissance et en débit dans les systèmes de télécommunications, notamment les transmissions multiplexées en longueur d'onde (WDM). Une méthode de contrôle et de suppression de la DRS est démontré à partir d'un champ de pompe multi-fréquences. Le mécanisme de suppression, basé sur l'antisymétrie spectrale de la susceptibilité Raman, est optimisé pour un écart entre les différentes composantes spectrales de pompe égal à deux fois le décalage Raman.. La suppression totale de la DRS est obtenue en déséquilibrant les puissances de pompe de manière à contrebalancer l'effet additionnel de cascade Raman des hautes vers les basses fréquences. Outre les implications potentielles de cette méthode dans les transmissions WDM, ce principe de suppression présente un intérêt pour augmenter les facteurs de compression dans les compresseurs d'impulsions à fibre.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur le bruit d'intensité du laser Brillouin à fibre ainsi que sur le brûlage de trou spectral du processus de diffusion Brillouin stimulée (DBS) dans les fibres. Le bruit d'intensité du laser Brillouin provient principalement de deux sources : les fluctuations du coefficient de réinjection et le bruit d'intensité du laser de pompe. L'influence de chacune d'elles sur le bruit d'intensité du laser Brillouin est évaluée au moyen d'une fonction de transfert. Une étude théorique de ces deux fonctions a été réalisée puis validée expérimentalement. Nous montrons ensuite théoriquement que le brûlage de trou spectral, déjà observé expérimentalement pour le générateur et l'amplificateur Brillouin, peut être interprété en supposant que l'élargissement spectral du processus de DBS est de nature homogène. Le brûlage de trou provient de la saturation du gain conjuguée au couplage entre les variations de l'amplitude des champs optiques.

Afin d'augmenter les capacités d'imagerie et de résolution des instruments d'observation en astronomie, la prospective Haute Résolution Angulaire propose d'augmenter le nombre de sous-pupilles des interféromètres optiques. Associés à des techniques de densification de pupille, les futurs interféromètres seront capables d'imager des cibles astrophysiques faibles et/ou de taille apparente réduite. Il en résulte des contraintes instrumentales constituant le défi technique et technologique dans lequel s'inscrit mon travail de Thèse. Les conditions de propagation et la qualité de recombinaison des faisceaux collectés par chaque sous-pupille régissent les performances en termes de stabilité de l'image et de sensibilité des réseaux optiques. Pour garantir un mélange interférométrique cohérent et la possibilité d'observer sur des temps d'intégrations supérieurs à quelques millisecondes, il est nécessaire de maintenir la différence de marche optique à une valeur inférieure à la fraction de longueur d'onde grâce à un dispositif de cophasage. Je propose une méthode dédiée à la mise en phase des grands interféromètres : la Diversité de Phase Chromatique. Celle-ci est fondée sur une analyse spectrale des images à plusieurs longueurs d'onde permettant de déterminer en temps réel les différences de marche optique à compenser par les lignes à retard de l'instrument. Après une étude théorique et numérique de la méthode à travers l'analyse de cas réalistes, je présente sa mise en œuvre pratique sur le banc hypertélescope fibré SIRIUS développé à l'Observatoire de la Côte d'Azur.

[Les capteurs à fibres optiques présentent des qualités intéressantes en termes de tailles et de poids relativement faibles qui permettent de réduire l'intrusivité du capteur dans le matériau (ou dans la structure composite). Ils sont également insensibles aux perturbations électromagnétiques, stables et durables dans le temps, mais aussi sensibles à plusieurs sollicitations comme la température, la déformation et la pression, d'où un besoin essentiel de les discriminer. Parmi eux on distingue les réseaux de Bragg : ceux à courtes périodes (FBG : Fiber Bragg Grating) et ceux à longues périodes (LPG : Long Period Grating). Le travail de thèse reporté dans ce manuscrit, traite du développement d'un capteur à fibre optique basé sur la superposition d'un LPG et d'un FBG afin de mesurer et de discriminer la température et la déformation. De nombreuses approches sont proposées dans la littérature afin de découpler ces deux sollicitations cependant elles ne permettent pas forcément une utilisation en conditions réelles de mesures. C'est pourquoi nous introduisons la notion d'efficacité de découplage avec le paramètre E qui permet de comparer toutes ces approches et met en évidence un très bon potentiel pour la structure à base de réseaux superposés LPG/FBG. La mise en œuvre d'un tel composant est décrite dans ce manuscrit et consiste à inscrire initialement le LPG puis le FBG au même endroit et sur toute la longueur du LPG. De plus ce type de structure permet un multiplexage qui, bien que faible, est néanmoins possible. Les étalonnages en température et en déformation du capteur ont permis de mettre en évidence une erreur de l'ordre de 2% sur la sensibilité à la température et de 3% sur la sensibilité à la déformation, ce qui conduit à une erreur sur l'estimation de la température et de la déformation mesurée de l'ordre de 0.3°C et 3 microdef. Dans un souci applicatif, le capteur à base de réseaux de Bragg superposés est tout d'abord utilisé pour instrumenter une structure métallique soumise simultanément à une variation de température et de déformation. Les valeurs mesurées présentent une incertitude maximale de 0.4°C pour la température et de 3 me pour la déformation ce qui permet de valider notre composant pour le contrôle et la surveillance de structures métalliques. La seconde application étudiée est relative à l'instrumentation de pièces composites stratifiées de type verre/époxy pour le suivi de procédés d'élaboration par voie liquide : VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding) et LRI (Liquid Resin Infusion), pour lesquels l'évolution de la température et de la déformation au cours du procédé est suivie par le capteur à base de réseaux de Bragg superposés LPG/FBG. Des mesures diélectriques (DEA) sont également réalisées au cours de ces procédés et permettent la comparaison et la validation de nos résultats]