Les fibres optiques sont présentes de manière incontournable dans les télécommunications et les réseaux d’accès à internet. Longs fils de verre fabriqués en silice vitreuse ultra pure, elles permettent de transmettre des informations sur de longues distances sous forme de signaux lumineux. Malgré leurs capacités de transmission déjà excellentes, la réduction des pertes optiques demeure un enjeu économique. En effet, en dessous d’une certaine atténuation, il est possible de supprimer des amplificateurs localisés dans des zones peu accessibles où leur installation est très couteuse. L’objectif de ce travail de thèse est donc d’explorer de nouvelles voies permettant de réduire significativement l’atténuation du signal optique.La silice est un élément de choix pour les applications optiques du fait de ses propriétés physico-chimiques (haute transparence de l’IR à l’UV, forte résistance mécanique,…). L’incorporation de composés dans le verre de silice modifie ses caractéristiques (viscosité, densité,…) sans détérioration des propriétés optiques ; en particulier l’ajout de fluor F diminue son indice de réfraction tandis que l’oxyde de germanium GeO2 l’augmente. En revanche, le désordre structural du verre augmente avec ces ajouts et, par conséquent, l’atténuation de même. Ce désordre dépend de l’histoire thermique et est décrit au moyen de la température fictive Tf qui correspond à la température pour laquelle la structure du verre a été gelée. La Tf du verre détermine de nombreuses propriétés du matériau telles que les fluctuations d’indice de réfraction et de densité.La diffusion Rayleigh est la principale source de pertes dans les fibres optiques, représentant une part de ~90% à la longueur d’onde de 1550 nm. Cette diffusion trouve son origine dans les fluctuations de constante diélectrique dont deux types de contributions sont déjà connues : les fluctuations de densité et les fluctuations de concentration. En appliquant une approche thermodynamique, un autre terme est proposé pour compléter cette description : les fluctuations de température fictive, résultant d’une distribution des temps de relaxation du verre. Cette approche a mis en évidence l’importance d’étudier la relation existante entre la densité ρ et la Tf d’une part, et entre l’indice n et la Tf d’autre part, afin de réduire les pertes par diffusion Rayleigh.Dans une fibre optique, ce sont les conditions de fibrage essentiellement, c’est-à-dire la température, la tension et la vitesse, qui déterminent le passé thermique du matériau. Une étude expérimentale a permis de distinguer l’impact de ces conditions sur les pertes par diffusion dans des fibres monomodes conventionnelles. Les connaissances sur l’origine des objets diffusants (tailles et formes) dans les fibres d’histoires thermiques différentes ont pu être approfondies. Idéalement, il faudrait pouvoir s’affranchir des conditions de fibrage. Contrairement aux autres verres d’oxydes, le verre de silice admet un comportement dit ‘anormal’ pour sa densité : celle-ci augmente avec la température fictive. Cette anomalie disparait en incorporant une certaine quantité d’éléments chimiques (F, Cl, GeO2 mais pas TiO2) dans le matériau. Nous avons montré que certaines compositions, en supprimant la sensibilité de la diffusion Rayleigh à la Tf, permettent de minimiser les pertes optiques de la famille de fibres que nous avons étudiées.La spectroscopie Raman a ensuite été utilisée afin de comprendre l’origine structurale de cette anomalie. Les mesures réalisées ont montrées que les bandes D1 et D2 reliées à la vibration des petits cycles de tétraèdres dans le verre ne sont pas corrélées à la densité macroscopique. En conséquence, elles ne constituent pas une signature fiable du phénomène de densification dans les verres binaires. Des études complémentaires sur la coordinence du silicium dans la matrice sont nécessaires pour pouvoir conclure sur l’origine structurale de l’anomalie de la silice. / Optical fibers are inevitably present in telecommunications and Internet access networks. Long glass threads made of ultra-pure vitreous silica, they allow to relay information on long distances in the form of light signal. Despite their good transmission capacities, the reduction of optical losses remains an economical stake. Indeed, under a certain attenuation, it is possible to avoid amplifiers located in hardly accessible area where their setting is very expensive. The objective of this work is thus to explore new ways allowing to reduce significantly optical signal attenuation.The silica is a specific element for optical applications because of its physical chemistry properties (high transparency from IR to UV, strong mechanical resistance,…). Adding components in silica glass changes its characteristics (viscosity, density,…) without strong deterioration of optical properties. Especially, the addition of fluorine decreases the refractive index whereas germanium oxide GeO2 increases it. However, the glass structural disorder increases, and, therefore the optical attenuation as well. The disorder depends on thermal history. It is described by means of fictive temperature Tf that corresponds to the temperature at which the glass structure is frozen. The Tf of glass determines many material properties such as the fluctuations of refractive index and density. Rayleigh scattering is the main reason of optical losses in optical fibers, representing ~90% at 1550 nm wavelength. This scattering originates from the dielectric constant fluctuations, which contain two kinds of contributions: the density and the concentration fluctuations. By applying a thermodynamics approach, another term is suggested to complete this description: the fictive temperature fluctuations, resulting from a distribution of glass relaxation times. This approach highlighted importance of studying the relationship between density ρ and Tf on one hand, and between index n and Tf on the other hand, in order to reduce the Rayleigh scattering losses.In optical fiber process, Tf is essentially defined by the drawing conditions, i.e. furnace temperature, fiber drawing tension and speed. An experimental study allowed distinguishing the impact of these conditions on scattering losses in single mode conventional fibers. The knowledge about the origin of scattered objects (sizes and shapes) in fibers with different thermal histories has been made deeper. Ideally, it should be better to be disconnected from the drawing conditions.Contrary to the other oxide glasses, silica glass presents an anomalous behavior for its density: this one increases with fictive temperature. This anomaly disappears by adding a certain amount of chemical elements (F, Cl, GeO2, but not TiO2) in the material. We showed that some compositions, by deleting sensitivity of Rayleigh scattering to Tf, allows minimizing optical losses in the fibers family we studied. Raman spectroscopy has been then used in order to understand structural origin of this anomaly. Measurements revealed that D1 and D2 bands, which are related to small tetrahedral membered rings vibrations in glass, are not correlated to the macroscopic density. Consequently, they are not a reliable signature of densification phenomenon in binary glasses. Supplementary studies about the silicon coordination in the network are needed to conclude on structural origin of the silica anomaly.

La mise en forme spatiale est une problématique importante pour les lasers et ses applications. Dans de nombreux domaines (l’industrie, l’interaction laser-matière, l’injection des lasers de puissance...) il est indispensable que le faisceau laser ait une forme aplatie. Les solutions actuelles de mise en forme spatiale d'un faisceau laser quelconque en faisceau aplati (par les techniques « espace-libre » ou par les fibres fortement multimodes) ne sont pas satisfaisantes. Elles occasionnent des difficultés de maintenance, sont très sensibles aux perturbations du système et elles ne permettent pas de délivrer un faisceau spatialement cohérent. Pour cette raison nous présentons dans ce manuscrit une fibre optique microstructurée monomode délivrant un faisceau spatialement aplati. Cette fibre « mode-plat » permet de transformer n’importe quel faisceau en un faisceau aplati cohérent spatialement ce qui est un progrès par rapport aux fibres fortement multimodes utilisées jusque-là. L’intérêt des fibres optiques est également leur maintenance facilitée et leur robustesse, cette solution est donc d’un grand avantage par rapport aux solutions « espace-libres ». Grâce à cette fibre, nous avons pu réaliser une chaine laser entièrement fibrée permettant d’amplifier une impulsion d’une durée de 10 ns jusqu’à 100 µJ tout en contrôlant ses propriétés temporelles, spectrales et spatiales. En adaptant la fibre « mode-plat » à cette chaine laser, nous avons démontré la faisabilité et l’intérêt de cette fibre pour la mise en forme spatiale de faisceaux laser dans des systèmes performants et robustes. / Spatial beam shaping is an important topic for the lasers applications. For various industrial areas (marking, drilling, laser-matter interaction, high-power laser seeding…) the optical beam has to be flattened. Currently, the state of the art of the beam shaping: “free-space” solutions or highly multimode fibers, are not fully suitable. The first ones are very sensitive to any perturbations and the maintenance is challenging, the second ones cannot deliver a coherent beam. For this reason, we present in this manuscript a microstructured optical single-mode fiber delivering a spatially flattened beam. This “Top-Hat” fiber can shape any beam in a spatially coherent beam what is a progress with respect to the highly multimode fibers used in the state of the art. The optical fibers are easy to use and very robust, what is a strong benefit with respect to the “free-space” solutions. Thanks to this fiber, we could realize an all-fiber multi-stage laser chain to amplify a 10 ns pulse to 100 µJ. Moreover the temporal, spectral and spatial properties were preserved. We adapted this “Top-Hat” fiber to this multi-stage laser chain, we proved the capability and the interest of this fiber for the spatial beam shaping of the laser beams in highly performing and robust laser systems.

Le travail de thèse présenté dans ce mémoire décrit le développement d'une méthode numérique élaborée dans le but d'étudier la propagation de la lumière dans des objets de géométrie cylindrique. Ce document est divisé en deux parties.<br /> La première partie introduit les équations de base de la dernière version de la méthode différentielle (méthode de la « factorisation de Fourier rapide ») dans le système de coordonnées cylindriques. Les tests numériques valident confortablement cette théorie aussi bien dans le cas de la diffraction classique (TE et TM) que dans le cas de la diffraction conique. Parallèlement à ces travaux, une nouvelle méthode numérique est proposée, permettant de modéliser la diffraction de la lumière par un cylindre circulaire anisotrope. Elle a été implémentée et validée avec succès.<br /> La seconde partie est essentiellement consacrée à la modélisation des fibres optiques microstructurées afin d'étudier leurs propriétés de guidage des modes à pertes qui s'y propagent. Un formalisme relatif à la méthode utilisée est écrit en tenant compte des propriétés de symétrie opto-géométrique présentes dans ce genre de guide d'onde. Les résultats très satisfaisants montrent en particulier que la méthode différentielle appartient à la famille restreinte des méthodes numériques pouvant déterminer avec précision à la fois la partie réelle et la partie imaginaire (pertes) de l'indice effectif des modes recherchés.<br /> La méthode différentielle présente l'avantage de pouvoir considérer des sections arbitraires pour les objets diffractants (les inclusions dans le cas des fibres optiques microstructurées). Cette méthode permet aussi l'étude d'objets constitués de matériaux inhomogènes et/ou anisotropes. En particulier, nous nous sommes intéressés à une fibre optique microstructurée de type « Antiresonant Reflecting Optical Waveguide » dont les inclusions circulaires possèdent un gradient d'indice parabolique. La comparaison des résultats numériques avec des mesures expérimentales est très encourageante.

Nous avons étudié la sensibilité des fibres dopées erbium (EDF) sous irradiation et les défauts induits par celle-ci. Le premier chapitre présente l'état de l'art sur les EDF sous irradiations ainsi que des défauts générés dans la silice par les radiations. Le deuxième chapitre précise les types de radiations utilisés et les moyens expérimentaux mis en oeuvre pour caractériser les réponses des fibres sous irradiation ainsi que les défauts à l'origine des pertes. Dans le troisième chapitre, nous présentons la réponse de plusieurs fibres dopées erbium irradiées aux rayons γ, protons et rayons X pulsés. Les fibres dopées erbium et aluminium présentent des pertes induites par radiation plus élevées que les fibres classiques de transmission des télécommunications (SMF28) ou celles dopées erbium avec peu d'aluminium. La présence de l'aluminium dans la composition du coeur des fibres dopées erbium est en grande partie responsable des pertes induites. Quelque soit le type d'irradiation, les défauts créés par l'irradiation sont liés à la matrice hôte. Nos études montrent aussi que l'erbium n'est affecté qu'à travers son interaction avec les défauts créés. Le quatrième chapitre traite des EDF sous insolation UV et montre que les UV conduisent aux mêmes effets que les rayons γ. Le dernier chapitre présente, quant à lui, l'étude des amplificateurs optiques sous irradiation γ.

La première partie de cette thèse présente des résultats théoriques et expérimentaux sur l'instabilité de modulation et la génération de solitons en parois de domaines dans une fibre optique bimodale.<br /><br />La deuxième partie est consacrée à l'étude de<br />l'interaction entre deux ondes contra-propagatives au sein d'une fibre optique isotrope.

Le cadre général dans lequel s'insère ce travail de thèse est celui de l'étude de la diffusion Brillouin dans une nouvelle génération de fibres optiques à cristaux photoniques (PCFs). Ces fibres, qui présentent un arrangement périodique de micro-canaux d'air parallèles le long de la fibre, possèdent en effet des propriétés optiques et acoustiques remarquables et inédites par rapport aux fibres conventionnelles. De fa¸con plus précise, nous montrons dans ce travail, par le biais de simulations numériques et de données expérimentales, que les fibres à cristaux photoniques offrent la possibilité de supprimer ou, à contrario, augmenter les interactions entre les photons et les phonons. Dans une première partie, nous présentons une méthode de cartographie des fluctuations longitudinales de la microstructure des fibres PCFs 'a l'aide d'un capteur distribué basé sur une méthode innovante d'écho Brillouin. Cette méthode, très sensible et à haute résolution, est directement intéressante pour caractériser et améliorer l'uniformité des PCFs lors de leur fabrication et également pour la détection des différentes contraintes de température et étirement induites le long des fibres. Sur le plan fondamental, notre système de mesure distribuée à haute résolution nous a également permis d'observer, pour la première fois à notre connaissance, le temps de vie des ondes acoustiques dans les fibres à cristaux photoniques et les fibres standard. Par ailleurs, sur le plan technique, nous avons développé une architecture simplifiée de capteur distribué combinant la technique des échos Brillouin et celle de la modulation différentielle par déplacement de phase avec un seul modulateur d'intensité. Nos résultats montrent une résolution centimétrique dans la zone de soudure entre deux fibres optiques 'a l'aide d'une impulsion de phase de 500 ps. Nous démontrons dans une deuxième partie la suppression directe et passive de la rétro-diffusion Brillouin stimulée dans une fibre optique microstructurée en faisant varier périodiquement le diamètre de la microstructure. Une augmentation de 4 dB du seuil de puissance Brillouin a été obtenue avec une variation de seulement 7% sur une période de 30m. Ce résultat est très intéressant car la diffusion Brillouin est un facteur limitant dans les systèmes de télécommunications par fibre optique et les laser à fibre. La troisième et dernière partie est consacrée 'a l'étude numérique et expérimentale de la diffusion Brillouin en avant dans les fibres à cristaux photoniques. En plus de la suppression de la plupart des modes acoustiques transverses, nous montrons que cette diffusion Brillouin est fortement augmentée pour certains modes acoustiques à haute fréquence qui sont piégés au coeur de la microstructure. Nous avons également étudié une fibre à structure multi-échelle qui révèle l'excitation sélective de plusieurs phonons acoustiques à des fréquences allant jusqu'a 2GHz. Ces mesures ont été confirmées par des simulations numériques basées sur une méthode vectorielle aux éléments finis. L'impact des irrégularités de la microstructure a aussi été mise en évidence.

Ce travail vise à l'élaboration d'un système d'amplification faible bruit de signaux hyperfréquences sur porteuse optique. Nous avons mené une étude expérimentale de l'amplification Raman dans des fibres optiques monomodes à 1550nm. La configuration contra-propageante -la moins bruitée- permet d'atteindre des gains nets de plus de 25dB, elle s'est aussi montrée plus performante en termes de RIN (relative intensity noise) qu'un EDFA commercial. Une analyse théorique de l'amplification Raman a été conduite dans le domaine spectral afin de quantifier le transfert de RIN de la pompe vers le signal. L'analyse a montré une décroissance de ce transfert à hautes fréquences que l'on considère un laser de pompe monochromatique faiblement modulé ou, à l'opposé, pseudo-incohérent. Par contre, à basses fréquences, le laser de pompe monochromatique faiblement modulé apporte un excès de bruit qui n'est pas présent avec la pompe pseudo-incohérente. Ce type de source de pompe peut donc présenter un intérêt tout particulier pour le développement d'amplificateurs Raman faible bruit pour les liaisons opto-hyperfréquences. Une autre piste envisagée est la réduction du bruit d'émission spontanée amplifiée. Nous avons étudié les moyens à mettre en œuvre pour parvenir à diminuer ce bruit. L'utilisation de deux lasers de pompe de même puissance présentant un faible décalage spectral (devant la largeur de la transition Raman) doit permettre d'atteindre ce résultat. Les descriptions holographique, "optique non linéaire" ou quantique de la diffusion Raman bifréquence indiquent que pour une réduction effective du bruit d'émission spontanée, il faut que les deux pompes soient opposées en amplitude.

Ce manuscrit d'Habilitation décrit les principales activités de recherche que je mène au sein du groupe Optoélectronique pour les Systèmes Embarqués du LAAS depuis 2003. Dans un premier temps, les travaux porteront sur le développement des capteurs à fibres optiques à base de fibres cristallines de rubis pour des environnements hostiles à savoir température élevée et déformations mécaniques très importantes. Il est à noter que ces capteurs sont insensibles aux dernières perturbations, et par conséquence, ne mesurent que la grandeur physique ciblée. Une deuxième partie concerne le développement initial d'un interféromètre fibré de Fabry-Pérot extrinsèque (EFFPI). Ce premier dispositif est basé sur la décomposition du mode fondamental injecté dans l'interféromètre en deux signaux intrinsèques interférométriques déphasés en quadrature, d'où l'EFFPI à double-cavité optiques. L'EFFPI à double-cavité se montre cependant sensible aux effets de polarisation lors des perturbations induites (variations de température et vibration parasites). Pour éliminer ces difficultés, un EFFPI à modulation est développé. Ce travail est effectué dans le cadre d'un projet ANR qui a pour objectif de développer des nouveaux instruments pour les applications en géophysique. En effet, une double modulation du courant de la diode laser est appliquée, ce qui équivaut une modulation sur la longueur d'onde du laser. Ainsi, nous obtenons une condition de quadrature où l'amplitude du déplacement ainsi que sa direction peuvent être précisément déterminées sans aucune ambiguïté. Par ailleurs, grâce a cette double modulation, l'EFFPI est aussi capable de mesurer des très faibles déplacements, inférieurs à lambda/4 (< 327.50 nm pour lambda = 1310 nm). Trois instruments opto-géophysiques ont ainsi été développés à savoir un inclinomètre longue base à fibre optique, un inclinomètre de forage à fibre optique et un sismomètre à fibre optique. La troisième partie taitera le développement des capteurs à fibres optiques à réseaux de Bragg pour la mesure de déformations mécaniques. Pour ce travail, une nouvelle technique d'interrogation des fibres à réseaux de Bragg basée sur la rétro-injection optique (ou "self-mixing") est exploitée pour réaliser des capteurs de contraintes (déformations mécaniques) avec une bonne précision.

Dans ce travail, nous avons étudié un système complet d'antennes distribuées par voie optique pour déport de signaux radio suivant le principe de la radio sur fibre. La caractérisation du lien optique servant de base au système radio sur fibre, d'un point de vue composant et système via la transmission de standards radio a d'abord été effectuée. Nous avons montré par une nouvelle technique de caractérisation que l'élément non linéaire de notre chaîne de transmission pouvait se comporter de manière plus linéaire qu'attendue et faiblement impacter les standards radio transmis. Les standards choisis sont à enveloppe constante (GSM) et à enveloppe non constante (WLAN) pour mieux mettre en évidence les non-linéarités de la chaîne de transmission. Il est ainsi montré que les signaux à enveloppe non constante sont les signaux limitants et qu'en leur adjoignant un signal à enveloppe constante à faible puissance, la qualité de leur transmission n'est pas impactée. A partir de ces résultats expérimentaux, un algorithme de calcul de couvertures radio a été développé et appliqué à plusieurs scénarios de couverture intra-bâtiment. Notre étude montre que dans tous les cas, c'est la liaison montante, de l'utilisateur à la station centrale, qui est limitante puisque bien plus impactée par le bruit ajouté par la chaîne de transmission optique. Par suite, nous avons proposé une architecture de déploiement réseau originale de type bus pour laquelle nous montrons que malgré un coût de déploiement faible, il est possible d'atteindre des performances suffisantes pour assurer des couvertures au sein d'un réseau domestique. Enfin, ces résultats de simulation sur architecture bus sont confirmés par la réalisation d'un banc de test de type industriel permettant de confirmer par la mesure les résultats obtenus précédemment. Nous réalisons aussi un circuit radio passif permettant la séparation et recombination de plusieurs signaux (GSM et WLAN étudiés précédemment) de sorte que tous les éléments prouvant la réalisation et les mesures sur le système complet d'antennes distribuées sont à disposition et fonctionnels.

Les techniques de génération et de traitement des signaux souffrent des limitations intrinsèques des systèmes électroniques : bande passante limitée, sensibilité aux interférences électromagnétiques, encombrement et coût. Au contraire, les systèmes optiques s’affranchissent naturellement de ces contraintes et sont potentiellement très attractifs pour la génération et le traitement des signaux. Au cours de cette thèse, nous avons étudié un système optique original utilisé pour la photonique micro-onde : les boucles à décalage de fréquence.Les propriétés temporelles de ces boucles présentent un parallèle frappant avec certaines propriétés de l’effet Talbot en optique spatiale. Cette dualité s’est révélée particulièrement riche au cours de ce travail, car elle nous a conduits à démontrer de nombreuses propriétés à la fois en optique temporelle dans les boucles à décalage de fréquence, mais aussi en optique spatiale dans des montages simples de diffraction.Nous avons ainsi mis en évidence la possibilité de calculer analogiquement la transformée de Fourier et la transformée de Fourier fractionnaire d’un signal arbitraire, avec une très bonne résolution spectrale. Ceci nous a permis de mesurer le taux de « chirp » d’un signal à modulation linéaire de fréquence, ou d’améliorer le rapport signal sur bruit de certains signaux. Nous avons également montré la possibilité de générer des trains d’impulsions avec un taux de répétition ajustable, et de faire de la mise en forme spectrale de haute résolution, en amplitude et en phase. Ce résultat permet de générer des signaux arbitraires optiques ou radiofréquences, avec des bandes passantes de plusieurs dizaines de GHz et des durées pouvant aller jusqu’à plusieurs dizaines de ns.La richesse de la dualité entre l’optique spatiale et les boucles à décalage de fréquence nous a conduits à réinterpréter un certain nombre de propriétés de l’effet Talbot (formation des images, auto-réparation des images de Talbot) et à proposer des concepts nouveaux, tels que le contrôle des images de Talbot (période et taille) ou l’amplification d’image. / Signal generation and processing techniques suffer from intrinsic limitations of electronic systems: limited bandwidth, sensitivity to electromagnetic interference, bulk and cost. On the contrary, optical systems naturally overcome these constraints and are potentially very attractive for the generation and processing of signals. During this thesis, we studied an original optical system used for microwave photonics: frequency shifting loops.The temporal properties of these loops have a strong link with some properties of the Talbot effect in spatial optics. This duality has been successful during this work, because it led us to demonstrate many properties both in time optics in the frequency shifting loops, and in spatial optics with simple diffraction setup.We have thus demonstrated the possibility of analogically calculating the Fourier transform and the fractional Fourier transform of an arbitrary signal, with a very good spectral resolution. This allowed us to measure the "chirp" rate of a linearly frequency modulated signal, or to improve the signal-to-noise ratio of some signals. We have also shown the possibility to generate pulse trains with an adjustable repetition rate, and to make spectral shaping of high resolution, in amplitude and phase. This result has been used to generate arbitrary optical or radiofrequency signals with bandwidths of several tens of GHz and durations of up to several tens of ns.The properties of the duality between spatial optics and frequency shifting loops led us to reinterpret a number of properties of the Talbot effect (image formation, self-healing of Talbot images) and to propose new concepts, such as control of Talbot images (period and size) or image amplification.