Pour répondre à l'accroissement de la demande en bande passante, de nouveaux réseaux optiques sont mis en place. Ce déploiement s'accompagne de la mise en service de nouveaux standards de fibres optiques, ce qui pose la question de l'utilisation et de la mise en valeur du réseau fibré existant, et notamment des fibres multimodes déjà installées, rapidement vouées à l'obsolescence. On cherche ainsi à mettre à profit la diversité spatiale que procure la nature multimode des ces fibres, via une analogie avec le domaine radiofréquences. L'utilisation des techniques MIMO, largement répandue dans le contexte de transmission radiofréquences, peut constituer une solution à cette amélioration nécessaire de la capacité de transmission de ces fibres optiques multimodes. Ce travail de thèse s'intéresse donc à l'étude et à la transposition des techniques MIMO dans le cadre de transmissions sur fibre optique et aux enjeux et défis associés. La transmission de signaux OFDM via un schéma de transmission SIMO optique permet de démontrer l'intérêt de la transposition des techniques MIMO à l'optique et la faisabilité de tels dispositifs.

Pour répondre à l'accroissement de la demande en bande passante, de nouveaux réseaux optiques sont mis en place. Ce déploiement s'accompagne de la mise en service de nouveaux standards de fibres optiques, ce qui pose la question de l'utilisation et de la mise en valeur du réseau fibré existant, et notamment des fibres multimodes déjà installées, rapidement vouées à l'obsolescence. On cherche ainsi à mettre à profit la diversité spatiale que procure la nature multimode des ces fibres, via une analogie avec le domaine radiofréquences. L'utilisation des techniques MIMO, largement répandue dans le contexte de transmission radiofréquences, peut constituer une solution à cette amélioration nécessaire de la capacité de transmission de ces fibres optiques multimodes. Ce travail de thèse s'intéresse donc à l'étude et à la transposition des techniques MIMO dans le cadre de transmissions sur fibre optique et aux enjeux et défis associés. La transmission de signaux OFDM via un schéma de transmission SIMO optique permet de démontrer l'intérêt de la transposition des techniques MIMO à l'optique et la faisabilité de tels dispositifs. / New technological uses such as cloud computing, smartphones, take part to the huge current increase of data consumption. This growth goes along with the development of optical networks, which will replace the copper networks with an higher and higher transmission capacity, thanks to new standards of fibers. This situation raises the question of the obsolete optical fibers reuse. It's shown in this thesis that MIMO techniques can be applied to multimode optical fibers in order to benefit from their inherent spatial diversity. This thesis focuses on the optical SIMO scheme, showing an improvement of the multimode fiber capacity for OFDM signals transmissions. We prove hereby the interest of such a technique, combining radio MIMO aspects and optical transmissions principles.

Le développement récent des fibres à large cœur quasi-monomodes a permis une montée en puissance rapide des lasers à fibre. En effet, l'utilisation d'un gros cœur permet de limiter les effets non linéaires indésirables et d'augmenter les seuils de dommage. Afin de poursuivre la montée en puissance, nous avons exploré une voie originale utilisant des fibres amplificatrices dopée Ytterbium à très large cœur, donc multimodes, suivies d'interactions non linéaires de remise en forme. Deux concepts ont été étudiés pour la restitution d'un faisceau limité par la diffraction :<br />- le premier réalise la remise en forme par effet photoréfractif dans un cristal de Rh:BaTiO3. Un schéma original a été proposé et validé expérimentalement. Ce convertisseur de mode transforme tout faisceau laser cohérent, dépolarisé et aberrant en un faisceau polarisé et limité par la diffraction,<br />- le second est issu d'une étude théorique et expérimentale détaillée de la rétrodiffusion Brillouin stimulée (SBS) dans des fibres multimodes. S'il est bien connu que des effets de conjugaison de phase ou de nettoyage de faisceau peuvent être observés par SBS dans les fibres multimodes, leurs conditions d'observation le sont moins. Cette étude permet de définir les conditions dans lesquelles les effets de conjugaison de phase (fibre à saut d'indice courte) ou de nettoyage de faisceau (fibres à gradient d'indice) sont attendus. Le schéma original proposé et validé expérimentalement est une cavité Brillouin auto-alignée contenant une fibre multimode à gradient d'indice. La remise en forme est effectuée par réflexion efficace du faisceau multimode vers le mode fondamental de la fibre à gradient d'indice.

La mesure de l'indice de réfraction a été étudiée depuis qu'Ernest Abbé aie initialement conçu un réfractomètre en 1869, appelé le réfractomètre d'Abbé. Depuis lors, de nombreux réfractomètres ont été développés tels que le réfractomètre à prisme optique ainsi que le réfractomètre à fibre optique, en raison de leurs applications étendues pour la détection de divers paramètres physiques, biologiques et chimiques. Récemment, un grand nombre de chercheurs ont mis au point des réfractomètres basés sur des fibres optiques, exploitant des mécanismes tels que la résonance des plasmons de surface (SPR), les interférences multimodes, les fibres à réseaux de Bragg (FBG), les fibres à réseaux à longues périodes (LPG), les fibres optiques coniques et la fibre multimode à gaine dénudée. Les capteurs fibrés sont avantageux grâce à leur immunité contre les interférences électromagnétiques, passivité électrique au niveau de la sonde de détection et potentiel de mesure in situ à long terme. Cette thèse concerne le développement de modèles complets fonctionnels et précis pour les réfractomètres à fibres optiques basés sur la modulation d'intensité optique, en particulier la réfractométrie à fibre multimode à gaine dénudée ainsi que les systèmes hybrides associant fibres monomode et multimode, et un réfractomètre hybride tout fibré utilisant des fibres à cristaux photoniques. L'objectif clé de ce travail est de caractériser les performances de ces réfractomètres à fibres optiques basés sur la modulation d'intensité en termes de réponse en puissance, de sensibilité, de résolution et de dynamique de mesure. Les résultats de simulation qui sont corroborés expérimentalement démontrent que la très grande sensibilité obtenue dans la zone II (c'est-à-dire le régime de détection typiquement utilisé pour mesurer l'indice du milieu supérieur à l'indice de gaine mais inférieur ou égal à l'indice du coeur) pour tous les trois réfractomètres. Cependant, la sensibilité dans la Zone (c’est-à-dire le régime de détection pour lequel l’indice du milieu à mesurer est supérieur à celui du coeur) est très faible. Ainsi, un refractomètre fibré hybride monomode-multimode est utilisé pour améliorer la sensibilité dans la Zone III. D'autre part, la sensibilité pour la zone I (c'est-à-dire le régime de détection pour mesurer l’indice du milieu inférieur à l'indice de la gaine) a été améliorée en augmentant l'absorption des ondes évanescentes à l'aide du réfractomètre hybride tout fibré à base de fibres à cristaux photoniques à coeur solide. En termes d'application réelle du réfractomètre à fibre pour la détection biochimique, une preuve de concept pour un capteur du gaz méthane a été démontrée en utilisant les supramolécules de cryptophane-A qui permettent de piéger les molécules du méthane. Le cryptophane-A incorporé dans un film hôte à base de styrène acrylonitrile (SAN) est appliqué sur la zone dénudée du capteur comme une région fonctionnalisée. L'indice de réfraction de cette couche sensible augmente proportionnellement avec l'augmentation de la concentration du méthane, ce qui induit une variation de la puissance optique transmise dans le capteur fibré. / Refractive index measurement has been studied since Ernest Abbé initially designed a refractometer in 1869, which is named the Abbé refractometer. Since then, numerous types of refractometers have been developed by employing either the optical prism-based refractometer or the optical fiber-based refractometer, due to their wide-ranging applications such as for sensingvarious physical, biological and chemical parameters. Recently, a large number of researchers have been developing refractometers based on optical fibers, exploiting mechanisms such as surface plasmon resonance (SPR), multimode interference, fiber Bragg gratings (FBG), long period gratings (LPG), tapered optical fibers, and striped-cladding multimode fibers (MMF), for their advantages in immunity against electromagnetic interference, electrical passivity at the sensing probe, and capability to long term in-situ measurement. This thesis concerns the development of comprehensively functional and accurate models for optical fiber refractometers based on optical intensity modulation, in particular for stripped-cladding MMF refractometry as well as hybrid systems involving a combination of single-mode-multimode fiber refractometery and the all-fiber hybrid refractometer using photonic crystal fibers. A key objective of this work is to characterize the performance of these intensity-based optical fiber refractometers in terms of their power response, sensitivity, resolution, and dynamic range. The simulation results which are corroborated experimentally demonstrate very high sensitivity being obtained in Zone II (i.e. the sensing regime typically employed for measuring a sensing medium index higher than the cladding index but less than or equal to the core index) for all three types of refractometers. However, the sensitivity in Zone III (i.e. the sensing regime for which the sensing medium index is higher than the core index) is very low. A hybrid single-mode fiber - multimode fiber configuration is used to improve the sensitivity in Zone III. On other hand, the sensitivity for Zone I (i.e. the sensing regime typically employed for measuring a sensing medium index lower than the cladding index) has been improved by increasing evanescent wave absorption using the all-fiber hybrid refractometer based on solid-core photonic crystal fibers. As a further potential of the fiber refractometer for applications in biochemical sensing, the proof-of-concept for a methane gas sensor has been demonstrated using supramolecular cryptophane-A which enables to trap the methane molecules. Cryptophane-A incorporated into a functionalized film of StyreneAcrylonitrile (SAN) host is applied to a de-cladded region of the sensor as the sensitive region. The refractive index of this functionalized layer increases proportionally with increasing methane concentration, subsequently inducing variations in the transmitted optical power along the fiber sensor.

Le projet FUI12 RLDO – dans le cadre duquel s’inscrit cette thèse – préconise une solution de réseau de topologie en étoile passive pour la montée en débit des réseaux domestiques. Cette solution de réseau rencontre des difficultés dans son implémentation avec la non-uniformité des puissances des ports de sortie des coupleurs multimodes. L’analyse de ce point nous a permis de comprendre que les propriétés des modes de propagation dans les éléments du réseau jouent un rôle clé dans les problèmes rencontrés. Pour caractériser la propagation dans le réseau, nous avons développé un banc de réflectométrie optique complexe dans le domaine fréquentiel. Les phénomènes limitant la sensibilité à la phase – liés en particulier à la non-linéarité du balayage en fréquence de la source laser – sont étudiés pour contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes. Puis les performances de la mesure en intensité et en phase de l’instrument que nous avons mis en place sont testées. Nous avons aussi étudié les conditions de résolution optimales pour caractériser les modes d’un guide multimode et analysé l’incertitude sur la dispersion chromatique dans le cas où il est impossible de déterminer si on a accès à un mode ou plusieurs modes dans un diagramme de dispersion donné. Nous introduisons par la suite une méthode d’analyse temps-fréquence adaptative, permettant d’obtenir les courbes de dispersions avec une résolution optimale. Cette méthode nous a permis de montrer le caractère quasi-monomode, en condition d’excitation monomode, de la fibre multimode spéciale RLDO à 1310 nm et à 1550 nm. L’analyse de la propagation dans les fibres optiques, associée au modèle que nous avons développé pour comprendre le fonctionnement des coupleurs multimodes, a permis d’expliquer les difficultés rencontré avec les premières expérimentations de la topologie de réseau en étoile passive multimode et d’envisager des pistes de réalisation d’un prototype de réseau fonctionnel / In order to develop high capacity future-proof home network, the FUI 12 RLDO project suggests passive star network topology using multimode couplers. This topology encounters implementation difficulties due to the non-uniformity of the power distribution in the output ports of multimode couplers. Analyzing this problem shows that the properties of modes propagating in the network elements plays a key role in this non-uniform characteristics of multimode couplers. In order to characterize these modes propagating in the network, we have developed a complex optical frequency domain reflectometry (OFDR) setup. The phenomena limiting the sensitivity to the phase in OFDR – in fact, those related to the non-linear frequency tuning of the laser source - are investigated to contribute to a better understanding of the limiting mechanisms. Then we have tested the intensity and phase measurement performance of the developed setup. Later, we studied the optimal resolution conditions to characterize the modes in a multimode waveguide. We have also analyzed the uncertainty of the measurement of the chromatic dispersion of modes in case where it is impossible to determine whether one or several modes are present in a given dispersion curve. Additionally, we have introduced an adaptive time-frequency method, to obtain the dispersion curves with optimal resolution. This method allows us to show the versatility of the special RLDO multimode fiber (single-mode behavior under single-mode excitation at 1310 nm and 1550 nm). The analysis of the propagation in the optical fibers, associated with a model we have developed to study the behavior of multimode couplers, has permitted to explain encountered difficulties with the experiments of the multimode passive star network topology. This also gives insights to develop a functional prototype of network