L'imagerie haute résolution a atteint une grande maturité ces dernières années et donne lieu aujourd'hui à de nombreuses publications scientifiques. Deux techniques sont utilisées : l'optique adaptative et la synthèse d'ouverture. Cette dernière technique est au point pour des bases de l'ordre de la centaine de mètres. Mais de nouvelles avancées sont encore possibles notamment en se tournant vers des instruments à très grandes bases et/ou utilisant de nouveaux guides optiques. Par ailleurs, le domaine de l'astronomie imposant de travailler avec de larges bandes spectrales pour collecter plus de lumière, la mise au point d'interféromètres large bande se révèle indispensable. Ce manuscrit présente le développement d'instruments fibrés et leur caractérisation sur de larges domaines spectraux.<br />Après une première partie consacrée à quelques rappels théoriques, le deuxième volet de ce document est consacré à l'étude des fibres optiques en silice pour le projet `OHANA. Ce projet, piloté par l'Observatoire de Meudon, vise à relier de manière cohérente les télescopes du Mauna Kea à Hawaii à l'aide des fibres optiques. La dispersion chromatique différentielle des fibres destinées à relier le CFHT et Gemini, d'une longueur de 300 m, a été caractérisée ce qui a permis de la minimiser. Une étude de l'évolution de cette dispersion a également été menée en tenant compte des variations différentielles de température. Des solutions utilisant une ligne à retard fibrée ou des lames de CaF2 ont été proposées et réalisées pour compenser la dispersion supplémentaire occasionnée par ces variations des contraintes thermiques. La troisième partie est dédiée à l'étude des propriétés des fibres à cristaux photoniques (PCFs) pour l'interférométrie large bande. Deux interféromètres respectivement à deux et trois voies ont été mis en oeuvre dans le but de tester les propriétés des PCFs. Il a été montré que les fibres microstructurées utilisées avaient la capacité de propager la lumière de façon cohérente sur une très large bande spectrale, allant typiquement de 670 nm et 1550 nm, ce qui n'est pas possible en utilisant des fibres en silice " conventionnelles ". Enfin, des mesures de clôture de phase ont été réalisées et font apparaître que ces PCFs n'apportent pas de biais sur ces mesures.

Les fibres optiques (qu’elles soient à saut ou à gradient d'indice) sont largement utilisées pour les liaisons longue (intercontinentale, dorsale optique terrestre) et courte portée (centre de données, réseau d'accès). Certaines fibres, appelées fibres optiques de spécialité, jouent également un rôle important dans d'autres domaines telles que la médecine (endoscopie par exemple), les capteurs, les applications au laser, etc. La multiplication constante des services Internet combinée à la croissance du nombre d'utilisateurs rend nécessaire l'augmentation de la capacité actuelle des réseaux à fibres optiques. Les fibres aujourd’hui installées et utilisées pour les transmissions à très haut débit utilisent uniquement le mode fondamental (noté LP01, dans l'approximation de faible guidage) pour transmettre les informations : on parle de fibres optiques monomodes. Comme ils atteignent maintenant la limite non-linéaire de Shannon, une des idées pour augmenter la capacité des réseaux optiques consiste à mettre en œuvre le multiplexage spatial (SDM) et à utiliser simultanément différents modes dans une fibre dite légèrement multimode (supportant généralement quelques dizaines de modes) ou une fibre multi-cœurs. Depuis 2010, plusieurs études ont été développées dans ce sens, principalement sur les fibres supportant les modes LP (Linéairement Polarisés) et, plus récemment, les modes OAM (moment angulaire orbital), c’est-à-dire des modes à polarisation circulaire et à phase hélicoïdale. Dans ce dernier cas, les propriétés de phase et de polarisation sont supposées limiter le couplage entre les modes. Ce travail de thèse porte sur la conception et la réalisation de fibres OAM présentant un couplage faible entre modes, pour une application au transport de données mais également pour une étude en photonique non-linéaire. Certaines des fibres étudiées sont des fibres à cœur annulaire fabriquées selon les méthodes de fabrication conventionnelles, présentant des rayons interne / externe et des indices d’anneau optimisés. Nous avons fabriqué de telles fibres à cœur annulaire toute solide dans le but de les appliquer pour une transmission MIMO simple en utilisant des modes OAM comme des canaux indépendants. Cependant, nous avons également conçu et fabriqué la première fibre à cristal photonique (PCF) avec un cœur annulaire quasi-circulaire, à faible perte par confinement et adaptée au guidage des modes OAM. Nous avons montré expérimentalement que les fibres fabriquées supportent les modes OAM et leurs matrices de transmission ont été mesurées. Nous avons également effectué des expérimentations préliminaires sur le décalage solitonique dans la fibre PCF supportant les modes OAM. / Optical fibers (step index and graded-index ones) are widely used for long-haul (intercontinental, terrestrial optical backbone) and short-reach (datacenter, access network) links. Some fibers called specialty optical fibers also play an important role in other applications like medicine (endoscopy for example), sensing, laser applications etc. The constant rise of Internet services combined to the growth of the number of Internet users makes it necessary to increase the current capacity of optical fiber networks. The fibers commercially used today for very high data rate transmissions use only the fundamental mode (denoted LP01, in the weakly guiding approximation) to transmit the information: there are known as single-mode fibers. As they are now reaching the so-called nonlinear Shannon limit, one of the ideas for increasing the capacity of fiber networks is to implement space-division multiplexing (SDM) and then simultaneously use different modes in a so-called few-mode fiber (fiber supporting typically dozens of modes) or a multicore fiber. Since 2010, several studies have been developed in this direction, mainly on fibers supporting LP (Linearly Polarized) modes and more recently OAM (Orbital Angular Momentum) modes, i.e. modes with helical phase and circular polarization. In this last case, phase and polarization properties are supposed to limit the coupling between modes. This PhD work deals with the design and the realization of OAM fibers presenting weak coupling between modes, for application to data transport but also for study in nonlinear photonics. Some of the fibers studied are annular core fibers made by conventional manufacturing methods, having internal / external radii and optimized ring refractive indices. We fabricated such all-solid ring-core fibers with the aim to apply them for simple MIMO transmission using OAM modes as independent channels. However, we also designed and manufactured the first photonic crystal fiber (PCF) with close-to-circular ring-core, low confinement loss and suitable for OAM mode guidance. We experimentally show that the fabricated fibers support OAM modes, and their transmission matrices have been measured. We also performed preliminary solitonic shifting experimentations in PCF fiber supporting OAM.

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.

Un des problèmes à résoudre lors de la réalisation d'un endoscope non linéaire pour des applications biomédicales concerne la propagation d'impulsions ultra courtes dans une fibre optique. Les processus non linéaires concernés nécessitent de grandes puissances d'excitation, réalisables seulement pour des impulsions de très courte durée qui sont déformés et allongés par la dispersion et les non linéarités des fibres. La plupart des techniques d'illumination fibrées pour la microscopie non linéaire emploient des systèmes de pré-compensation pour neutraliser les effets de ces phénomènes. Dans ce travail, nous explorons les possibilités offertes par la formation de solitons de grande énergie dans une fibre à bandes interdites photoniques à coeur solide. Les solitons optiques ont la propriété de conserver leur forme lors de leur propagation, et leur durée reste proche de la valeur minimum définie par la limite physique imposée par leur largeur spectrale, sans avoir besoin de recourir à un système de pré-compensation. De plus, la longueur d'onde et le retard relatif des solitons peuvent être accordés en changeant la puissance lumineuse en entrée de fibre. Plusieurs sources de lumière ont été conçues et réalisées, pour générer de nombreux contrastes non linéaires. Des images d'échantillons biologiques ont d'abord été réalisées en tirant profit de la courte durée des solitons. Puis, des mesures d'absorption transitoire ont été menées dans une configuration pompe-sonde en contrôlant le retard des solitons dans la fibre. Enfin, un montage de CRS basé sur le principe de focalisation spectrale a été réalisé, et son utilité a été démontrée en suivant un équilibre chimique. / One of the issues that has to be overcome to realize a nonlinear endoscope for biomedical applications is the propagation of ultra-short pulses in an optical fiber. Nonlinear processes require high peak powers in the focal volume in order to generate observable signals, so the pulses should be as short as possible. This makes them sensitive to the dispersion and nonlinearities of the fibers. Most of the existing techniques of ultra-short pulses fiber-delivery rely on complex pre-compensation systems to counteract these effects. In this work, we explore the possibilities offered by the generation of high-energy solitons in a custom-built solid-core photonic bandgap fiber, for nonlinear microscopy and spectroscopy. Optical solitons preserve their shape when they propagate in a fiber, and their duration remains close to the minimum value physically allowed by their bandwidth, without the need of any pre-compensation. Moreover, the wavelength and delay of the soliton can be tuned by changing the power at the input of the fiber. Several soliton-based light sources were designed and realized, generating contrast in the most prevalent nonlinear microscopy modalities. TPEF and SHG images of biological samples were first realized by taking advantage of the short duration of the solitons. By controlling the delay of the soliton, transient absorption measurements were then realized in a pump-probe configuration. Finally, the wavelength tunability of the soliton was used to generate the Stokes beam in a CRS setup based on the spectral focusing technique. The capabilities of this scheme were demonstrated by performing CRS microspectroscopy to monitor a chemical equilibrium.